汪能亮
(浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,杭州 310012)
該項(xiàng)目位于杭州市余杭區(qū),含2 棟200 m 超高雙子塔,現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),總面積185 485 m2,地下3 層。單個(gè)基礎(chǔ)面積約2 500 m2,混凝土方量約15 000 m3,筏板厚度3.3~8 m不等。如圖1 所示。該筏板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40,抗?jié)B等級(jí)P8;該基礎(chǔ)采用42.5 普通硅酸鹽水泥,摻量300 kg/m3,粉煤灰摻量40 kg/m3,其余材料摻量論文不再詳述。
圖1 某超高層項(xiàng)目筏板基礎(chǔ)剖面圖
為規(guī)避溫度裂縫,需解決以下幾方面問題:
1)對(duì)混凝土拌和物入模溫度T0進(jìn)行控制,避免混凝土內(nèi)部溫度過高;
2)對(duì)混凝土內(nèi)部溫升值Tmax進(jìn)行模擬計(jì)算,并采取措施控制內(nèi)部溫升值,避免其與入模溫度疊加引起內(nèi)部與表面溫差過大,從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生;
3)對(duì)混凝土表面保溫層材料進(jìn)行選擇,并計(jì)算確定其保溫厚度δi,避免里表溫差過大。
本工程大體積混凝土基礎(chǔ)四周均被防水材料、磚胎膜和地基土包圍,若不考慮基礎(chǔ)四周的散熱和熱損失條件,即水泥水化熱全部轉(zhuǎn)化為溫升后的溫度值,則混凝土的水化熱絕對(duì)溫升值可按式(1)和式(2)計(jì)算。
式中,Tmax為混凝土最大絕熱溫升值,℃;T(t)為澆完一段時(shí)間t,混凝土的絕熱溫升值,℃;mc為混凝土的膠凝材料用量,根據(jù)配合比,取300 kg/m3;C為混凝土比熱,取0.96 kJ/(kg·℃);ρ為混凝土的密度,取2 400 kg/m3;e為常數(shù),取2.718;m為與水泥品種、澆筑溫度等相關(guān)的系數(shù);t為混凝土齡期,d;Q為水泥水化熱總量,kJ/kg,42.5 普通硅酸鹽水泥28 d 水化熱量為375 kJ/kg;F為混凝土中粉煤灰摻量,根據(jù)配合比,取40 kg/m3。
本項(xiàng)目計(jì)劃4 月上旬開始澆搗混凝土。根據(jù)往年歷史天氣記錄,杭州5 月上旬平均溫度為20 ℃,m值取0.362[1]。根據(jù)式(1),可計(jì)算不同齡期的水熱溫升值。
實(shí)際大體積混凝土并非完全處于絕熱狀態(tài),而是處于散熱條件下,溫升值比按絕熱態(tài)計(jì)算要小。不同澆筑塊厚度與混凝土的絕熱溫升亦有密切關(guān)系,混凝土塊厚度越小,散熱越快,水化熱溫升值低,反之越慢。當(dāng)混凝土塊厚度在5 m 以上,混凝土實(shí)際溫升接近于絕熱溫升?;炷羶?nèi)部實(shí)際溫度按式(3)計(jì)算。
式中,T0為混凝土澆筑入模溫度,根據(jù)同時(shí)期其他部位混凝土入模溫度,取25 ℃;ζ為不同澆筑體厚度的降溫系數(shù)。
本項(xiàng)目3.3 m 厚度區(qū)域因混凝土分層澆搗,利于散熱,計(jì)算時(shí)取3 m。因8 m 厚度區(qū)域中間有內(nèi)凹電梯底坑,有利于散熱,且電梯底坑周圍筏板可理解為“U”字形的3.3 m 折板構(gòu)造,計(jì)算溫升可參照3.3 m 區(qū)域,不再另行計(jì)算。
根據(jù)式(1)和式(3),計(jì)算混凝土不同齡期實(shí)際熱溫升值,如表1 所示。
表1 不同齡期混凝土實(shí)際溫升值
混凝土表面溫度,可按式(4)計(jì)算:
式中,Tb(t)為齡期t時(shí),混凝土的表面溫度,℃,本文取t=3;Ta為齡期t時(shí),大氣的平均溫度,℃,設(shè)Ta=20;H為混凝土的計(jì)算厚度,H=h+2h′;h為混凝土的實(shí)際厚度,m,h=3.3 m;h′為混凝土的虛厚度;λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),取2.33W/(m·K-1);K為計(jì)算折減系數(shù),可取0.666;β為模板及保溫層的傳熱系數(shù)。δi為各種保溫材料的厚度,m,本文計(jì)無保溫層時(shí)的表面溫度,因此,δi取0;λi為各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K-1);βa為空氣層的傳熱系數(shù),可取23 W/(m·K-1);ΔT(t)為齡期t時(shí),混凝土內(nèi)最高溫度與外界氣溫之差,ΔT(t)=Tmax-Ta。
筏板基礎(chǔ)混凝土澆筑完成之后,擬采用6 mm 厚瀝青礦棉氈+4 cm 草袋或毛毯敷設(shè)于表面進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。瀝青礦棉氈導(dǎo)熱系數(shù)取0.035,草袋或毛毯導(dǎo)熱系數(shù)取0.14。
根據(jù)式(4)計(jì)算不同齡期混凝土表面溫度,如表2 所示。
表2 不同齡期筏板基礎(chǔ)混凝土表面溫度
根據(jù)表1 和表2 可知,齡期9 d 時(shí),里表溫差達(dá)到最大值24.74 ℃<25 ℃,其他齡期里表溫差均小于第9 天,滿足理論防裂溫差要求。
當(dāng)保溫養(yǎng)護(hù)達(dá)到第18 天,表面和環(huán)境溫差為18.33 ℃<20 ℃,之后表面和環(huán)境溫差均小于第18 天,滿足防裂溫差要求,即第18 天可開始撤除保溫措施,開始灑水保濕養(yǎng)護(hù)。
盡管經(jīng)計(jì)算,混凝土里表溫差、表面和環(huán)境溫差滿足防裂要求,但齡期9 d 時(shí)里表溫差接近25 ℃,且局部混凝土厚度達(dá)5 m 以上,實(shí)際溫升可能接近絕熱溫升,在實(shí)際施工時(shí)里表溫差可能突破限值。根據(jù)現(xiàn)有研究成果,埋置冷卻水管可將大體積混凝土最高溫度降低10 ℃以上。所以本項(xiàng)目擬在超過3.3 m 板厚區(qū)域布置循環(huán)冷卻水管,以控制混凝土內(nèi)部溫升。
冷卻降溫系統(tǒng)供回水原理如圖2 所示。冷卻水管豎向和水平間距均不大于1 000 mm;在8 m 厚筏板位置,沿豎向均勻布置7 道冷卻水管,除3.3 m 板厚之外區(qū)域,冷卻水管豎向根據(jù)板厚和布置間距進(jìn)行調(diào)整。
圖2 降溫系統(tǒng)供回水原理圖
如圖2 所示,筏板基礎(chǔ)的所有水平冷卻水管均通過豎向總管連成整體,降溫系統(tǒng)分別設(shè)2 個(gè)進(jìn)水總管和出水總管,1#進(jìn)出水總管將面層3 道水平支管連成整體,2#進(jìn)出水總管將底部4 道水平支管連成整體。水平支管采用DN32 鍍鋅鋼管,豎向進(jìn)出水總管采用DN65 鍍鋅鋼管。鍍鋅鋼管可防止后期鋼管在混凝土內(nèi)發(fā)生銹蝕?;炷粮采w最底下一道水管時(shí),開始通水降溫。冷卻水管使用完畢后,采用高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)灌漿料注漿填充密實(shí),以確保基礎(chǔ)質(zhì)量。
降溫系統(tǒng)工作期間,每間隔2 h 將進(jìn)水口和出水口互換,以保證不同部位混凝土降溫均勻,有益于保證混凝土的整體裂縫控制效果。當(dāng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)溫差過大時(shí),應(yīng)在冷卻水箱中加冰塊,降低進(jìn)水溫度,提高降溫效果。
1)測(cè)溫點(diǎn)布置。本工程在筏板內(nèi)布置13 組測(cè)溫點(diǎn),3300mm板厚設(shè)4 組,4 300 mm 板厚設(shè)1 組,6 500 mm 板厚設(shè)1 組,8 000 mm 板厚設(shè)2 組,5 200 mm 板厚設(shè)2 組,6 000 mm 板厚設(shè)3 組。每組測(cè)溫點(diǎn)的豎向測(cè)點(diǎn)間距不大于2 000 mm。
2)溫度監(jiān)測(cè)頻次。混凝土澆搗后12~24 d 進(jìn)行第1 次測(cè)溫;第1~4 天每4 h 不少于1 次;第5~7 天每8 h 不少于1 次;第7 天至結(jié)束每12 h 不少于1 次。當(dāng)基礎(chǔ)表面與環(huán)境溫差小于20 ℃,可停止測(cè)溫[2]。
論文選取具有典型代表意義的3.3 m 板厚區(qū)域測(cè)溫點(diǎn)(1#測(cè)溫點(diǎn))和8 m 板厚區(qū)域測(cè)溫點(diǎn)(7#測(cè)溫點(diǎn))各1 個(gè),根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)總結(jié)其內(nèi)部溫度和里表溫差變化規(guī)律,如圖3所示。
圖3 1#測(cè)溫點(diǎn)和7#測(cè)溫點(diǎn)溫度變化曲線圖
據(jù)圖3 所示,可得結(jié)論如下。
1)1#測(cè)溫點(diǎn)和7#測(cè)溫點(diǎn)均在第6 天達(dá)到最高溫,71.8 ℃和72.9 ℃。之后以1~2 ℃/d 速度下降,與理論溫升值第6 天溫度接近。
2)受限于澆筑速度,第4 天混凝土澆筑至表面,混凝土覆蓋表面后3 d 左右溫度達(dá)最高,之后以1~2 ℃/d 速度下降。
3)混凝土里表溫差最大為22.2℃<25℃,滿足防裂溫差要求。第17 天開始表面和環(huán)境溫差開始縮小至20 ℃以內(nèi),可撤除保溫養(yǎng)護(hù)層,開始灑水濕潤養(yǎng)護(hù)。
4)雖然8 m 板厚度區(qū)局部混凝土厚度在豎向和水平向超過5 m,理論上其內(nèi)部溫升接近于絕熱溫升值,但因其內(nèi)部布置了冷卻水管,內(nèi)部溫升未見明顯異常,里表溫差小于25 ℃。
經(jīng)實(shí)踐,該大體積混凝土基礎(chǔ)內(nèi)部實(shí)際溫升和里表溫差與理論計(jì)算值接近,且滿足防裂溫差要求,有效規(guī)避了溫度裂縫出現(xiàn)。相關(guān)技術(shù)措施在本工程中應(yīng)用效果良好,在進(jìn)度和質(zhì)量方面體現(xiàn)出較大的應(yīng)用價(jià)值,可為其他類似工況大體積混凝土施工提供借鑒。