建筑工程中筏板基礎(chǔ)大體積混凝土溫度裂縫計算及施工技術(shù)

李帥

摘? 要：該文以某高層建筑為例，探究筏板基礎(chǔ)大體積混凝土溫度裂縫的計算方法及混凝土施工技術(shù)。分別計算各齡期混凝土的收縮變形值、彈性模量、溫度應(yīng)力等參數(shù)，然后求解抗裂安全系數(shù)。計算結(jié)果顯示，大體積混凝土各齡期的抗裂安全系數(shù)均大于1.0，滿足抗裂要求。在大體積混凝土施工中，重點加強物料質(zhì)量檢驗與配合比設(shè)計，以及混凝土澆筑、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)的施工管理，把握施工技術(shù)要點，才能提高筏板基礎(chǔ)的施工質(zhì)量。在混凝土養(yǎng)護結(jié)束后進行溫度測控，結(jié)果表明大體積混凝土內(nèi)外溫差較小，不存在溫度裂縫的風險。

關(guān)鍵詞：筏板基礎(chǔ)；大體積混凝土；溫度裂縫；配合比；溫度測控

中圖分類號：TU755.7? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0156-04

Abstract： Taking a high-rise building as an example， this paper probes into the calculation method of temperature crack of mass concrete in raft foundation and concrete construction technology. The parameters such as shrinkage deformation， elastic modulus and thermal stress of concrete of each age are calculated respectively， and then the anti-crack safety factor is calculated. The calculation results show that the anti-crack safety factor of mass concrete at each age is more than 1.0， which meets the anti-crack requirements. In the construction of mass concrete， emphasis is placed on strengthening the material quality inspection and mix design， as well as the construction management of concrete pouring and maintenance， and grasping the key points of construction technology in order to improve the construction quality of raft foundation. The temperature measurement and control is carried out after the end of concrete curing， and the results show that the internal and external temperature difference of mass concrete is small， and there is no risk of temperature cracks.

Keywords： raft foundation; mass concrete; temperature crack; mix ratio; temperature measurement and control

大體積混凝土的澆筑厚度在1 m以上，具有承載力強、防滲、抗震性能好等特點，在現(xiàn)代高層及超高層建筑中被廣泛使用。受到水化熱的影響，大體積混凝土內(nèi)部熱量無法及時消散，內(nèi)外溫差較大。當溫差超過25 ℃時，由于熱脹程度不一致導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫，嚴重影響筏板基礎(chǔ)的荷載能力和防滲效果。因此，在大體積混凝土施工中要采取相應(yīng)措施控制內(nèi)外溫差，例如配制混凝土?xí)r用低溫冷水，使用低水化熱的水泥，以及做好灑水保濕養(yǎng)護等。這些措施可以有效預(yù)防溫度裂縫，切實提高筏板基礎(chǔ)施工質(zhì)量。

1? 工程概況

某商務(wù)綜合辦公樓總建筑面積85 450 m2，建筑高度108.6 m，共30層。地下2層，為地下車庫和設(shè)備用房，地下基礎(chǔ)面積6 428 m2；地上28層，1～4層為商業(yè)區(qū)，5層以上為辦公區(qū)。該建筑主體為鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，厚度為2.5 m，屬于大體積混凝土?；炷翉姸鹊燃墳镃40，預(yù)估用量至少7 500 m3，水化熱量較大，易產(chǎn)生溫度裂縫，對溫度控制提出嚴格要求。

2? 筏板基礎(chǔ)大體積混凝土溫度裂縫計算

2.1? 各齡期混凝土的收縮變形

不同齡期混凝土的收縮變形值可通過式（1）求得

式中：ε表示齡期為t時混凝土的收縮變形值；ε表示標準狀態(tài)下混凝土的極限收縮值，這里取3.24×10-4； e為常數(shù)，這里取2.718；M1—M10表示非標準狀態(tài)下的修正系數(shù)，具體取值見表1。

本工程中筏板基礎(chǔ)的配筋率設(shè)定為2%，水泥漿量為30%，相對濕度為25%。根據(jù)式（1）可以求得不同齡期混凝土的收縮變形值，例如齡期為3 d時，ε的值為0.122×10-4 mm；齡期為10 d時，ε的值為0.347×10-4 mm；齡期為30 d時，ε的值為0.914×10-4 mm。根據(jù)收縮變形值，進一步求得各齡期混凝土的收縮當量溫差，計算公式為

T（t）=ε（t）/α， （2）

式中：T（t）表示齡期為t時混凝土收縮當量溫差；α表示混凝土的線膨脹系數(shù)，這里以10-6計。齡期為3 d時，混凝土收縮當量溫差為1.22 ℃；齡期為10 d時，混凝土收縮當量溫差為3.47 ℃；齡期為30 d時，混凝土收縮當量溫差為9.14 ℃。

2.2? 各齡期混凝土的溫度應(yīng)力

各齡期混凝土的最大綜合溫差計算公式為

式中，ΔT（t）表示齡期為t時，大體積混凝土的綜合降溫；Tj表示混凝土的澆筑溫度，本工程中以9.26 ℃計；T0（t）表示齡期為t時，釋放水化熱導(dǎo)致的溫升；T（t）表示齡期為t時混凝土收縮當量溫差；Tq表示施工現(xiàn)場平均氣溫，本工程中以7 ℃計。將各項數(shù)據(jù)帶入式（3）后，求得各齡期混凝土的最大綜合溫差。齡期為3 d時，最大綜合溫差為36.18 ℃；齡期為10 d時，最大綜合溫差為28.82 ℃；齡期為30 d時，最大綜合溫差為21.16 ℃。

各齡期混凝土的彈性模量計算公式為

E（t）=E0（1-e-0.09t），（4）

式中：E（t）表示齡期為t時混凝土的彈性模量；E0表示標準齡期混凝土的彈性模量，這里以3.25×104 MPa計；e為常數(shù)，取值為2.718。根據(jù)式（4）可以求得不同齡期混凝土的彈性模量。例如，齡期為3 d時，彈性模量為0.77×104 MPa；齡期為10 d時，彈性模量為1.93×104 MPa；齡期為30 d時，彈性模量為3.03×104 MPa。

根據(jù)混凝土的彈性模量、混凝土內(nèi)外溫差最大值、線膨脹系數(shù)等可以求得各齡期混凝土的溫度應(yīng)力[1]。計算公式如下

式中：σ（t）表示齡期為t時混凝土的溫度應(yīng)力；E（t）、α等同上；H（t）表示齡期為t時混凝土的松弛系數(shù)，具體取值見表2；R表示混凝土的外約束系數(shù)，本工程中以0.5計；μ表示泊松比，這里以0.15計。

將各項數(shù)據(jù)帶入式（5）后，求得大體積混凝土在不同齡期的溫度應(yīng)力變化如圖1所示。

2.3? 大體積混凝土抗裂安全度計算

各齡期混凝土的抗拉強度可通過以下公式求得

F（t）=f（1-e-γt），? ? （6）

式中：F（t）表示齡期為t時混凝土的抗拉強度；f表示抗拉強度標準值，以C40混凝土為例，取2.4 N/mm2；γ表示抗拉系數(shù)，以0.3計；e為常數(shù)，取值2.718。根據(jù)上式可以求得不同齡期混凝土的抗拉強度值，齡期為3 d時，抗拉強度為1.42 MPa；齡期為10 d時，抗拉強度為2.28 MPa；齡期為30 d時，抗拉強度為2.40 MPa。

利用抗拉強度和溫度應(yīng)力的比值，可以求得混凝土的抗裂安全系數(shù)K，計算公式為

結(jié)合上文計算可知，齡期為3 d時，F(xiàn)（t）值為1.42 MPa；σ（t）值為0.934 MPa，則K為1.52；齡期為10 d時，F(xiàn)（t）值為2.28 MPa；σ（t）值為1.538 MPa，則K為1.48。經(jīng)計算，各齡期內(nèi)大體積混凝土的抗裂安全系數(shù)均大于1.0，滿足抗裂要求。

3? 筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工技術(shù)

3.1? 混凝土的配制

3.1.1? 原材料質(zhì)量控制

組成混凝土的原材料主要有6種，分別是水泥、粗骨料（石）、細骨料（砂）、水、粉煤灰及外加劑。本工程中所用水泥為P.042.5普通硅酸鹽水泥，C3A含量低于8%?？紤]到大體積混凝土水化熱是造成裂縫的主要因素，因此在選擇水泥時應(yīng)盡量降低水化熱。要求3 d水化熱不超過250 kJ/kg，7 d水化熱不超過320 kJ/kg。此外，水泥必須干燥，在保質(zhì)期內(nèi)，并且無受潮板結(jié)情況。粗骨料的級配和線膨脹系數(shù)與混凝土的抗裂性能有直接關(guān)系，本工程中選用粒徑在5～15 mm的碎石，要求含泥量低于1%，針片狀含量不超過10%。細骨料選用細度模數(shù)為2.5～3.0的中砂，含泥量不超過1%。選擇粉煤灰作為摻合料，能提高混凝土的和易性、可泵性、抗?jié)B性，優(yōu)先使用高密度（2.0 g/cm3以上）粉煤灰，需水量在95%～105%之間。為了改善大體積混凝土的抗裂性能和荷載能力，在配制混凝土?xí)r加入了高效減水劑和膨脹劑2種外加劑[2]。

3.1.2? 配合比設(shè)計

在設(shè)計混凝土各物料配合比時，應(yīng)滿足以下條件：①初凝時間，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，大體積混凝土的初凝時間通常在6～8 h；考慮到筏板基礎(chǔ)混凝土的澆筑量大、蒸發(fā)條件不好，可適當延長初凝時間，在8～10 h之間為宜；②水灰比，本工程中混凝土采用泵送方式澆筑，為了提高澆筑效率和澆筑質(zhì)量，要求混凝土要具備良好的和易性和流動性，因此水膠比應(yīng)控制在0.4以下。綜上，本工程中設(shè)計配合比見表3。

3.2? 混凝土的施工工藝

3.2.1? 混凝土的拌和與運輸

本工程所用混凝土由附近的拌和站完成制作后，使用砼車運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。為防止混凝土出現(xiàn)離析、泌水等情況，對運輸時間進行嚴格控制，要求運輸時間控制在2 h以內(nèi)。同時，砼車的車廂必須具有保溫功能，配備防風、防雨等設(shè)施[3]。在裝料前，檢查砼車的攪拌罐內(nèi)是否有積水或雜物，務(wù)必保證清理干凈后再裝入配制好的混凝土。砼車到達施工現(xiàn)場后，先進行質(zhì)量檢查，測定坍落度是否符合標準，觀察有無離析情況。對于不符合施工要求的一律不允許進場。

3.2.2? 混凝土的澆筑

后澆帶施工是筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工的重要內(nèi)容，設(shè)置后澆帶的目的是避免大體積混凝土因為內(nèi)外溫度差異過大或者干燥收縮不均勻而產(chǎn)生有害裂縫。本工程中設(shè)置的后澆帶主要包括4部分，分別是原有配筋、新增加強筋，以及加強筋中間的后澆微膨脹混凝土和3 mm厚鋼板止水帶，具體布置如圖2所示。

在后澆帶施工中，考慮到此處鋼筋分布較為密集，支設(shè)模板較長，一旦掉落雜物、垃圾將很難清理，進而對混凝土澆筑質(zhì)量造成不良影響。本工程施工中采取了后澆帶封閉保護措施。上部使用膠合板封蓋，在底板兩側(cè)各砌筑一條寬100 mm、高120 mm的磚帶。砌筑砂漿標號為M10，轉(zhuǎn)角部分抹成圓弧[4]。

完成后澆帶施工后，使用地泵澆筑大體積混凝土。將泵車移動到第一節(jié)施工段，放置泵管。為了避免澆筑混凝土?xí)r泵管隨意移動，需要用鋼絲將泵管固定在鋼管支架上。在澆筑過程中，隨著澆筑方向移動支架，直到當前施工段完成澆筑任務(wù)。對于大體積混凝土，水化熱產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差過大是造成裂縫的主要原因，要想避免溫度裂縫的發(fā)生，必須采用分層澆筑工藝。本工程采用“斜面分層”方法，在澆筑混凝土?xí)r保證一定坡度，形成斜面，按照由左往右的順序依次分層澆筑。每層澆筑厚度在400～500 mm之間，澆筑一層、振搗一層，振搗時間控制在30 s左右，觀察到混凝土表面出現(xiàn)浮漿停止。通過層層振搗，既可以提高混凝土的密實度和承載力，同時又能加快熱量的散失，對預(yù)防大體積混凝土的溫度裂縫有良好效果。

3.2.3? 混凝土的養(yǎng)護

完成混凝土澆筑后立即開始養(yǎng)護。將浸水濕潤的麻袋或棉氈平鋪在混凝土表面，一方面可以起到遮陽防曬的效果，避免陽光直射造成混凝土表面水分快速蒸發(fā)，預(yù)防干燥收縮裂縫；另一方面發(fā)揮蓄熱作用，防止散熱過快，控制混凝土內(nèi)外溫差在25 ℃以內(nèi)。養(yǎng)護期間，定期向麻袋、棉氈上灑水，保證足夠濕潤，澆水養(yǎng)護時間不少于7 d。養(yǎng)護28 d后，檢測混凝土強度，達到40 MPa后方可拆模。

3.2.3? 混凝土的拆模

養(yǎng)護結(jié)束后拆除模板。拆除時，除了保證混凝土強度達標外，還要關(guān)注混凝土的溫度。溫度太高的情況下拆模，會導(dǎo)致降溫過快而出現(xiàn)裂縫。通常要求混凝土表面溫度與大氣溫度的差值在20 ℃以內(nèi)，混凝土表里溫度在25 ℃以內(nèi)方可拆模。在大風或降雨天氣下不易拆模，拆除的模板統(tǒng)一存放。

3.3? 大體積混凝土的溫度測控

3.3.1? 溫度測控方法

大體積混凝土的內(nèi)外溫度差異較大，當溫差超過25 ℃時極易引發(fā)溫度裂縫，因此大體積混凝土施工中必須要做好溫度測量，隨時掌握內(nèi)外溫度變化情況。本工程中分別在筏板基礎(chǔ)的中心、側(cè)邊、拐角3個區(qū)域布置了測溫點，相鄰測點的距離為5 m，要求每100 m2至少有1個測溫點。采取豎向布置原則，任意一個測溫點在垂直方向上布置3個測溫孔，上部孔位于混凝土表面以下200 mm處，中部孔位于混凝土1 000 mm處，下部孔位于混凝土底部以上200 mm處。在測溫孔內(nèi)放置測溫元件，測溫范圍-20～100 ℃，測量誤差小于0.2 ℃。在筏板基礎(chǔ)大體積混凝土初凝后開始測溫，前3 d每2 h測溫1次，從第4天開始到第14天每4 h測溫1次，之后每6 h測溫1次[5]。

3.3.2? 溫度測控結(jié)果

統(tǒng)計各測溫點的平均值，筏板基礎(chǔ)大體積混凝土的溫度變化如圖3所示。

由圖3可知，大體積混凝土的溫度在第10天達到峰值，之后開始緩慢下降。橫向?qū)Ρ葋砜?，中部測溫點與上部和下部測溫點的最大溫差出現(xiàn)在第35天。此時，中部測溫點溫度為20.3 ℃，上部測溫點12.6 ℃，下部測溫點15.1 ℃，最大溫差為7.7 ℃，明顯低于規(guī)定限值（25 ℃），因此本工程中筏板基礎(chǔ)大體積混凝土不存在溫度裂縫風險。

4? 結(jié)束語

在大體積混凝土施工中，預(yù)防溫度裂縫是施工管理的重點內(nèi)容。在設(shè)計階段通過溫度應(yīng)力和裂縫計算，保證大體積混凝土抗裂安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)定的抗裂要求。在施工階段則采取優(yōu)化物料配合比，采取預(yù)冷措施，以及設(shè)置后澆帶、做好灑水養(yǎng)護等一系列措施，通過有效控制大體積混凝土內(nèi)外溫差，從而避免溫度裂縫的發(fā)生。從施工效果來看，本工程中筏板基礎(chǔ)大體積混凝土的內(nèi)外溫差得到了有效控制，筏板基礎(chǔ)的施工質(zhì)量達標，為地上建筑施工創(chuàng)造了有利條件。

參考文獻：

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