大直径桩芯混凝土温差裂缝的控制

林伟坚

【摘 要】本文以深圳平安金融中心桩基础工程大体积桩芯混凝土为应用实例，通过优化混凝土配合比，采用加冰的方式控制混凝土出机温度，从而控制混凝土入模温度，并采取有效的养护措施，加强温控监测等合理方法，有效控制该工程混凝土温差裂缝的产生，为相关工程提供一定的借鉴经验。

【关键词】大體积;巨型桩;入模温度;加冰

前言

随着标志性超高层建筑的建设发展，桩基础直径也越来越大，混凝土强度等级越来越高。无论在国内或国外，在超高层建筑桩基础工程中，直径在8.0m的大直径人工挖孔桩（巨型桩）的温差裂缝控制可借鉴的工程实例经验较少，本文主要阐述通过温控措施，达到控制巨型桩温差裂缝的目的。

1 项目概述

深圳平安金融中心位于深圳市福田区01号地块，益田路与福华路交汇处西南角，总建筑面积46万㎡，地下5层，地上115层，主体高度588米，塔顶高度660米，建成后将成为深圳第一高楼。

本工程基础设计采用人工挖孔桩，总桩数为167根。其中桩径为8.0m的巨型桩8根，桩径为5.7m的中型桩16根，其余为桩径1.4m～2.0m的普通桩。根据标准定义，混凝土构件的最小尺寸等于或大于1米的即为大体积混凝土，因此该工程的桩芯混凝土属于大体积混凝土。巨型桩混凝土强度等级为C45，由于超挖，其实际直径达8.4m，单根混凝土浇筑量达1200～1800m³，因此控制温度应力产生的裂缝成为该桩芯混凝土质量控制的重点与难点之一。

2 混凝土配合比选材和优化

2.1选用水化热低的日本小野田P.O42.5水泥。该水泥CA含量低于8%，与同类水泥相比具有三天、七天水化热低（Q3为242kJ/kg，Q7为296kJ/kg），28d强度高，配合比水泥用量低的特点，有利于砼内部最高温度的控制。

2.2在混凝土中掺入缓凝高效减水剂，该减水剂能大幅减少用水量，降低水泥用量，从而降低了水化热。该缓凝型的减水剂由我司自行复配，可根据具体情况适当延长混凝土的凝结时间，从而推迟水泥水化放热峰出现的时间。针对该桩芯混凝土，混凝土的初凝时间控制在8～10个小时。

2.3在混凝土中掺入适量的Ⅰ级粉煤灰和S95矿粉，它们可以替代部分水泥，既改善了混凝土的可泵性，又能大大降低混凝土的水化热。

2.4使用安托山石场生产的5～25碎石。由于是本公司自有的碎石生产线，故可调整碎石的生产工艺生产颗粒级配很好的碎石。有利于混凝土的可泵性和体积稳定性。

2.5使用人工砂替代部分河砂，河砂与人工砂比例为7：3，大大降低了混凝土用砂的含泥量和氯离子含量，提高了混凝土的抗裂性，更能保证混凝土质量。

根据我司在大体积混凝土和桩芯混凝土多年的经验，C45的优化配合比拟定如下：

3 入模温度控制

3.1原材料温控措施

充分利用我司堆场和搅拌楼物料贮存罐贮存量大的优势，避免物料由于阳光直射而升温。储罐轮换使用，遵循先到先用的原则，避免用到刚入库温度比较高的粉料。按我司的经验，粉料（水泥、煤灰、矿粉）温度能控制在50℃以下，砂石比气温约高1～3℃，夏季能控制在35℃以下（气温按32℃算）。

3.2混凝土出机温度计算

（1）

式中：          T0—混凝土的出机温度，℃;

Cs、Cg、Cc、Cf、Ck—固体比热容，0.9kJ/（kg·℃）;

Cw—液体比热容，4.2kJ/（kg·℃）;

Qs、Qg—砂，石含水率，Qs取6%，Qg取0;

Ts、Tg、Tc、Tf、Tk、Tw—砂、石、水泥、粉煤灰、矿粉、和水的温度，℃;

Ws、Wg、Wc、Wf、Wk、Ww—砂、石、水泥、粉煤灰、矿粉、和水的每方重量，kg。

由公式（1）和表一相关数据可得：T0（C45）=37.2℃

3.3我司拥有先进的加冰生产线（四条生产线均可加冰屑），通过加冰来取代等量的水，可以大幅降低混凝土的出机温度，以下是加冰量计算：

若通过添加冰水（0℃的水）来控制出机温度，即Tw=0，由公式（1）可得理论极限控制出机温度T0’（C45）=31.1℃。考虑到运输浇筑过程中有一定的温度回升（若2～4℃），若入模温度控制≤32℃，单靠加冰水则很难满足要求。

若通过加冰来控制出机温度，加冰后吸收热量

Q=Q+Q=m·c+m·c·（T-0）      （2）

砼的出机温度可下降的温度值

ΔT’=T0-T=Q/（ρ·c）         （3）

综合（2）（3）可得加冰量与控制的出机温度关系为：

m=（ρ·c）（T0-T）/（c+cT）       （4）

式中m —加冰量，kg;

T0—混凝土的出机温度，C45配合比为37.2℃;

T—控制出机温度，℃;

c—冰的溶解热，335kJ/kg;

c—水的比熱容，4.2kJ/（kg·℃）;

c—混凝土的比热容，0.97kJ/（kg·℃）;

ρ—混凝土容重，C45配合比为2380kg;

对C45配合比，由公式（4）可得，若控制出机温度T为25℃，则需加冰64kg。理论极限加冰量为152-735×0.06=108kg，理论极限控制出机温度为18℃。

3.4混凝土内部最高温计算

考虑桩芯天然保温效果较好，预计最高温度出现在6天左右，绝热温升计算采用公式

              （5）

式中Th——混凝土最大绝热温升，℃;

W——混凝土中胶凝材料总量，C45配合比为420kg;

Q——水泥水化热总量，

其中Q7为7天水化热，Q3为3天水化热。对日本小野田水泥，Q7取296kJ/kg，Q3取242kJ/kg，则Q=354kJ/kg;

c——混凝土的比热容，0.97kJ/（kg·℃）;

ρ——混凝土容重，C45配合比为2380kg;

m——系数，取值0.40;

t——混凝土浇筑后时间，按6d计算最高温度，取值6d;

k——水化热调整系数，k=k1+k2-1

其中k1——粉煤灰调整系数，取值0.95;

k2——矿粉调整系数，取值0.93;

则k=0.88

由此得Th=51.5℃，因此，若不考虑热量散失，当控制入模温度为25℃，则T=25+51.5=76.5℃，即内部极限最高温为76.5℃。由于实际会存在一定的热量散失，故实际内部最高温度应小于76.5℃。

本工程要求入模温度要求≤32℃，考虑到生产运输、泵送、浇注过程的砼2～4℃的温度回升，而且温差裂缝控制压力较大，为了保险起见，生产时加冰量在80kg/m³左右，控制出机温度22±2℃，入模温度25±2℃。

4 保温养护

由于本工程属大体积混凝土，而且桩芯混凝土与基础底板或地上构件大体积混凝土有所不同，桩芯属于地下构件，整个桩均埋在地下，有着天然的保温环境，可以很好地解决砼体四周与底面的养护问题。本工程巨型桩芯砼浇注完成砼终凝后，在桩的上表面进行蓄水养护，避免上表面与大气直接接触导致上表面散热过快出现温差裂缝。

5 测温检测与结果

混凝土浇注集中在6～8月，大气温度为29～33℃，环境湿度为40%～70%，混凝土入模温度25±2℃。该工程采用电子便携式测温仪，温度记录误差±1℃。巨型桩的每个截面布置一处测温点，沿半径方向分为5个断面，每个断面布置一个温度监测点，从上至下分为1、2、3、4、5号。测温点布置示意图如图1。其中含超灌混凝土高度，1号点距离混凝土表面600mm。

根据N21巨型桩（桩深16m，直径8m）典型的温度记录，最高温度出现在2号A截面测温点，取该点及周围临近点的温度绘出混凝土水化热温升曲线如图2。其升温阶段第6.5d后达到峰值，混凝土最高温度73.6℃，与计算基本吻合，温度降低比较缓和，在第45天后温度为60.5℃，降温速率小于0.5℃/d。2-A与1-A点的最大温差26.4℃，2-A与2-C点的最大温差20.6℃。

根据后期（40～60d）超声波检测结果，以及抽芯芯样外观显示，未发现任何有害裂缝，检测结果得到了施工单位与业主单位的一致认可。

6 结论

6.1 由于有天然的保温环境，巨型桩芯混凝土有别于其它（如，底板、承台等）大体积混凝土，其温峰出现较晚，本工程直径8.0m的桩芯最高温峰出现时间为6.5d。

6.2 通过优化混凝土配合比，采用加冰的方式控制混凝土出机温度，从而控制混凝土入模温度，并采取有效的养护措施，加强温控监测等合理方法，可以有效控制巨型桩芯混凝土温差裂缝的产生。

（作者单位：深圳市安托山投资发展有限公司）