温度预控技术体系在超大体积混凝土筏板施工中的应用

赵世冉，宋心，王欢，穆文芳，贾世伟，包贵安，周帅平

（1. 陕西秦汉恒盛新型建材科技股份有限公司，陕西 西咸新区 712000；2. 陕西恒盛集团新材料研究中心，陕西 西咸新区 712000）

0 引言

中国国际丝路中心项目位于陕西省西咸新区中央商务区，占地 894 亩，总投资 400 亿元，主要建设国际会议中心、五星级酒店、高端商业百货等多种业态。其中，5A 级写字楼高 489m，建成后将成为西部地区最高建筑。该工程主楼区域地下 4 层，筏板面积约7900m2，塔楼筏板的厚度为 5m，电梯井最深位置筏板厚度为 6.3m，混凝土浇筑总方量约 31000m3。

该项目的筏板施工是西部地区体量最大的一次超大体积混凝土施工，根据工期安排，施工单位要求 50 个小时连续不间断施工，并且混凝土作业面最大落差超10m，不仅对混凝土内部水化热的控制提出了很高的要求，也对混凝土拌合物的和易性和抗离析性提出了严格的要求[1,2]。为了降低施工过程中的水化热和水化温差，减少温度裂缝的产生几率，课题组结合同类型工程施工经验，组建了超大体积混凝土生产施工技术团队，采用了包含大体积混凝土配合比设计、胶凝材料水化热试验、ANSYS 温度模拟、大体积混凝土温升实时监测等手段为一体的温度预控技术体系，保障了大体积混凝土筏板的顺利施工。

1 大体积混凝土配合比设计

为降低大体积混凝土水化过程中的绝热温升，混凝土的配合比应在控制胶凝材料总量、保持混凝土良好和易性的前提下，提高掺合料掺量，降低水泥用量。但是掺合料的种类和掺量必须通过前期的试验来确定[3,4]。课题组分别将粉煤灰与矿粉以单掺和复掺的方式替代水泥，进行了系统的混凝土物理力学性能试验（结果见图1、2），其中单掺采用等量取代水泥法，取代率依次为10%、20%、30%、40%；复掺将掺合料总掺量分别设置为 30%、40%、50% 进行对比试验，其中粉煤灰和矿粉的比例分别设为 1∶2（a）、1∶1（b）、2∶1（c）。

图1 单掺粉煤灰/矿粉抗压强度

通过试验对比了不同掺合料掺量下混凝土 1h 和 2h的坍落扩展度，结果表明无论是采用单掺还是复掺，混凝土的坍落度和扩展度在 1～2 小时内变化不大，混凝土和易性均良好，这与该项目大体积混凝土原材料砂、石、水泥、外加剂等采用了专料专供的方式有关，表明优质与稳定的原材料，能够扩大掺合料的掺量范围，从而最大限度的降低混凝土的绝热温升。为确定掺合料的掺量，试验对比了不同掺合料掺量下混凝土的 7d、28d 抗压强度，由图 1 单掺粉煤灰和矿粉的试验结果可以看出，单掺矿粉的混凝土 7d 和 28d抗压强度均高于单掺粉煤灰的，表明矿粉相较于粉煤灰更能提高混凝土的抗压强度。随着掺量的增加，单掺粉煤灰的混凝土抗压强度整体呈现出先增长后降低的趋势，当粉煤灰掺量为 30% 时，抗压强度达到最大值；单掺矿粉的混凝土抗压强度随掺量的增加，7d 强度呈现下降的趋势，但掺量在 20% 的时候，28d 强度略有提高。从图 2 复掺粉煤灰和矿粉的试验结果可以看出，随着总掺量的增加，混凝土的 7d、28d 抗压强度均呈现降低的趋势。当总掺量为 30%，且粉煤灰与矿粉之比为1∶2 时（a1），混凝土的抗压强度达到最大值。

图2 复掺粉煤灰和矿粉抗压强度

2 胶凝材料水化热试验

为准确掌握掺合料掺量对混凝土水化热的影响，课题组以矿粉、粉煤灰单掺和复掺的胶凝材料体系水化放热为试验组，以相应纯水泥水化放热作为参照组进行了水化热和水化热放热速率试验，如图 3、图 4 所示。

图3 各胶凝体系水化热

图4 各胶凝体系水化热放热速率

从图 3 和图 4 可以看出，在胶凝材料总量不变的情况下，单掺或复掺粉煤灰和矿粉均能降低胶凝材料的水化热和水化热放热速率，且复掺时降低效果最明显。其中，单掺 30% 粉煤灰的胶凝材料各龄期水化热明显低于单掺 30% 矿粉的，这是因为相对于矿粉，粉煤灰的火山灰反应迟缓，在相同的替代量下，可大大降低胶凝材料的水化热。因此，混凝土的配合比应采用粉煤灰和矿粉复掺的方式，同时矿粉掺量应低于粉煤灰掺量。

3 大体积混凝土温度场模拟

大体积筏板混凝土内部的温度变化是随着胶凝材料的水化而逐渐提高的，为预测水化热的变化对筏板温度应力场的影响，课题组假设大体积筏板混凝土除上表面外其余面为固定约束，并设定了相应参数，采用ANSYS 软件进行了温度场模拟，如图 5 所示。

由图 5 可知：大体积筏板混凝土水化热温度从20℃ 提高到 62℃，混凝土的总变形量、等效应力和等效应变均呈现出增大的趋势，水化热对温度应力的最大值影响比较大。由于混凝土材料的不均匀性，经过一段时间水泥水化之后，在混凝土的内部逐渐形成了较为明显的温度分布，即温度场。从温度场的分布图可以看出，温度的等值线一般呈圈状分布。随着混凝土水化程度的衰减，最终在混凝土的内部形成较为明显的高温集中区。由计算可知，混凝土的内部最高温度可以达62℃，此时温度应力最大，在不考虑钢筋的作用下，水化热温升温度达到最高温度时，由温度引起的混凝土表面的温度应力为 13.385MPa，而在实际施工中混凝土中密集的钢筋能充分减少应力集中，从而降低温度应力，有效防止表面温差裂缝的发生。

图5 各温度下的温度应力场云图

4 大体积混凝土温升实时监测

为了准确掌握施工过程中大体积混凝土筏板的内部温度情况，课题组结合配合比设计、水化热试验以及温度场模拟的试验结果，在大体积筏板混凝土内部布置了多个测温点，采用温度传感器进行内部温度变化实时监测，本文选取其中三个测点进行辅助分析，如图 6 所示。

图6 部分大体积筏板混凝土温度—时间变化曲线

由图 6 可知，大体积筏板混凝土施工时的最高绝热温升值为 62℃ 左右，随着施工的进行，最高温升值会逐渐降低。在此过程中应加强混凝土的测温和监测工作，同时要做好已浇筑完成的混凝土表面的保温养护工作，确保混凝土的内部温度与表面温度差在 25℃ 以内，防止温度应力裂缝的产生。

实践证明，经过配合比设计、水化热试验确定的混凝土配合比，结合施工前的温差模拟，能够使以往难以控制的大体积混凝土内部温升变得可控，有效保证施工质量。

5 结语

大体积混凝土筏板施工的温度控制技术对于降低混凝土内部温度裂缝的产生几率，提高施工水平尤其是超高层建筑的施工技术水平具有重要意义[5,6]。因此，广大施工技术人员应加强对大体积混凝土施工中的重点、难点的认识，通过实施大体积混凝土配合比设计、胶凝材料水化热试验以及大体积混凝土内部温度场模拟和施工中的温升实时监测为一体的温度预控技术体系，能够更好的提高工程质量和施工效率，具有推广意义。