徐家汇中心大体积混凝土温控技术研究

陈逸群 房霆宸 朱敏涛 范胜华 左俊卿 ，3

（1.上海建工建材科技集团股份有限公司，上海 200086；2.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；3.上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心，上海 200080）

1 工程概况

徐家汇中心项目位于徐汇区商业核心地段，是集合高端商场、优质写字楼及豪华酒店于一身的大型综合项目。本工程地下区域主要被地墙分成4 个大基坑以及11 个小基坑。 其中，4-1、4-2、4-3 及4-4 区底板混凝土方量较大，拟采用大体积混凝土一次性浇捣施工方案。 本工程基础底板混凝土设计标号为C40，抗渗等级按埋深分为P6～P12，4-1 区～4-4 区大方量基础底板埋深均超过-30 m，故抗渗级别为P12。 上述基坑各分块方量为6 150～20 000 m3不等， 均属于大体积混凝土。 徐家汇中心最大底板4-3 区面积约4 793 m2， 大面底板厚1 500 mm、 部分底板厚度为1 800 mm、2 200 mm， 电梯井深坑部位最厚， 可达5 200 mm。 底板混凝土采用C40R60P12 混凝土，底板混凝土方量约8 580 m3。

2 配合比优化

2.1 配合比设计原则

本工程大体积混凝土配合比设计中主要考虑降低水化热，减小混凝土的绝热温升。 根据大体积混凝土浇筑经验[1-3]，其配合比设计原则如下：

（1） 在水泥用量方面， 混凝土设计强度等级为C40。在满足混凝土设计强度等级的前提下，混凝土的设计龄期为60 d，减少单方水泥用量。 水泥用量与大体积混凝土的最高温升有直接关系，降低水泥用量是非常有效的温控措施。

（2）掺加粉煤灰、矿粉可以使混凝土水化热在一定程度上延迟释放，对于大体积混凝土的温控极为有利，同时能提高混凝土的后期强度，使混凝土的强度保证率提高，改善混凝土的施工性能[4]。

（3）改善混凝土的体积稳定性，提高混凝土的抗裂性能， 采取适当地提高骨浆比及粗骨料用量的措施，进而可有效改善混凝土的抗裂能力。同时，在满足强度和施工要求的前提下，采用尽量低的砂率[5]。

（4）采用聚羧酸系高性能外加剂，具有减水率高、缓凝时间长等特点，有效延缓水泥水化热速度，推迟水泥水化热出现峰值的时间， 降低水泥水化最高温度，使得混凝土分层浇捣时不产生施工冷接缝。

2.2 胶凝材料水化热

大体积混凝土胶凝材料的水化热是进行大体积混凝土温度裂缝控制设计的最主要参考参数，也是控制超大体积混凝土开裂的源头。 根据以上设计原则，本文从胶凝材料的水化热研究出发，并在此基础上确定本工程大体积混凝土浇筑用混凝土配合比。为对比不同厂家水泥对水化热的影响，本试验选用了强度等级为P·O 42.5 金峰水泥A 和上海厂水泥B； 粉煤灰为洪渤建材提供的Ⅱ级C 类灰； 矿粉选用沙钢S95级；水化热测试样品水胶比控制在0.48。 胶凝体系水化热测试配比如表1 所示。

表1 不同胶凝材料水化热测定配比

6 组配比胶凝材料体系的水化热测定结果见表2。 对比1#和2#试样，水泥B 各龄期的水化热均明显高于水泥A， 这主要与水泥的矿物组成和细度有关，从控制大体积混凝土放热量来看，本工程宜采用水泥A。3#～6#均为粉煤灰和矿粉部分取代水泥的复合胶凝体系，由测试结果可知，粉煤灰和矿粉等矿物掺合料的掺入，胶凝体系的水化放热量均能显著降低，这主要是矿物掺合料的温峰削减效应。矿物掺合料替代了部分水泥，使得混凝土中的水泥用量相应减少，所以胶凝材料所产生的水化热也随之减少，虽然矿物掺合料的火山灰效应也会产生水化热，但由于其滞后于水泥的水化放热且延续时间很长。水化放热速率曲线见图1，由图1 可见矿物掺合料使胶凝体系的放热率明显降低，温峰出现的时间也被延迟，这对大体积混凝土温度裂缝控制十分有利。对比3#和4#样品，粉煤灰掺量越高，胶凝体系的水化放热量越低，由此可见，粉煤灰对水化热的降低作用优于矿粉。 这是因为，采用的II 级粉煤灰的活性低于S95 级矿粉，同龄期同掺量条件下，粉煤灰水化速率较矿粉慢。早龄期时，粉煤灰对水化热的降低效果极为明显， 随着龄期的延长，粉煤灰的火山灰作用逐渐发挥， 且具有二次水化作用，因此，随着龄期的延长，掺粉煤灰胶凝材料的水化热降低幅度逐渐减小，与掺矿粉胶凝材料的水化热差异亦减小。

表2 不同胶凝材料各龄期水化热测定结果

图1 不同胶凝材料水化放热速率曲线

3 大体积混凝土温度计算及测温

粉煤灰和矿粉都是大量使用的混凝土优质掺合料，尤其在大体积混凝土中合理使用尤为重要。 除了考虑水化热的作用之外，还需要综合考虑混凝土的工作性、力学性能、体积稳定性以及经济性。综合考虑上述因素， 本工程中4-3 底板最终采用2.2 中3# 胶凝体系，混凝土配合比如表3 所示。

3.1 混凝土绝热温升

混凝土的绝热温升计算值是结构物四周没有任何散热和热损失的情况下，胶凝材料水化热全部转化成温升的温度值。根据《大体积混凝土施工规范》（GB 50496#2009）[6]，因粉煤灰和矿粉的掺入，复合胶凝体系的水化热见公式（1）：

式中，Q 为复合胶凝体系的水化放热量（kJ/kg）；Q0为水泥水化热总量（kJ/kg）；k 为不同掺量矿物掺合料水化热调整系数。 P·O 42.5 水泥28 d 水化热为375 kJ/kg，粉煤灰掺量和矿粉掺量对应的水化热调整系数分别为0.951 和0.9214，因此，复合胶凝材料的放热量Q 为327.15 kJ/kg。

大体积混凝土的绝热温升计算方法见公式（2）所示：

式中，T（t）为混凝土龄期为t 时的绝热温升（℃）；W 为每m3混凝土胶凝材料用量（kg/m3）；Q 为胶凝材料水化热总量（kJ/kg）；C 为混凝土的比热，取0.97kJ/（kg·℃）；ρ 为混凝土的密度，取2 400 kg/m3；m 为与水泥品种、浇筑温度等有关的系数（1/d），数值见表4；t为混凝土龄期（d）。

表4 常数m

浇筑温度为30℃时，混凝土的绝热温升为：

其温升曲线如图2 所示。

图2 大体积混凝土绝热温升曲线

3.2 混凝土的温升计算

采用一维差分法计算大体积混凝土温升，将混凝土沿厚度分许多有限段Δx，时间分许多有限段Δt。相邻三点的编号为n-1、n、n+1，在第k 时间里，三点的温度Tn-1，k、Tn，k及Tn＋1，k，经过Δt 时间后，中间点的温度Tn，k＋1，可按差分式（3）求得。

式中，α 为混凝土的热扩散率，取0.003 5 m2/h。

浇筑第一层，时取相应位置温度为初始温度，混凝土入模温度为混凝土初始温度， 当达到混凝土上表面时，可假定上表面边界温度为大气温度。 以厚度为2.2 m 为例，地基及初始大气温度取28 ℃，混凝土入模温度取30 ℃。 △t 取0.25 d 即6 h；△x=0.314 m， 即分7层，故：αΔt/Δx2=0.213。取T0，0=28℃，T1，0～T7，0为30 ℃，根据公式（4）计算混凝土的温升，其结果如图3 所示：

由图3 可知，混凝土最大温升发生在4 d 左右，中心最大温升达70.3 ℃。 从里表温差数据来看，混凝土浇筑块体的最大里表温差为23.4 ℃，未超过标准规定的最大温差限值25 ℃，说明设计的胶凝体系配置的混凝土温度控制合理，混凝土收缩开裂趋势得到有效控制。

图3 大体积混凝土温升计算

3.3 大体积混凝土测温

为了确保混凝土的质量，防止内外温差超限而产生温度及收缩裂缝，在浇筑和养护期间，对混凝土的内表温度实施每天24 小时的连续监测， 密切监视温差波动，指导基础混凝土养护工作，严格控制大体积混凝土的内外温差，防止混凝土贯穿裂缝及表面干缩裂缝的产生。 本次测温依据《混凝土结构工程施工规范》（GB 506666#2011）[7]进行，混凝土温度测点布置见图4。 测温系统采用建工集团与同济大学共同开发的“大体积混凝土温度远程测控系统”，采用全数字式方式对大体积混凝土水化热过程中温度变化状况进行监测，掌握混凝土的温差波动情况，以指导基础底板的温控措施。 测试结果见图5 所示。

由图5 可知，实测的大体积混凝土温升最大值为73.3 ℃， 最大温峰出现时间为3.5 d 左右， 其结果与3.2 计算结果较为接近。基于计算以及实测结果，在大体积混凝土养护过程，采用两层薄膜、两层麻袋保温养护，可满足温控及防裂要求。 在养护阶段，薄膜、麻袋边缘要搭接好，不允许漏缝。 大体积混凝土不仅要保温，还要注意保湿，以减小混凝土的收缩，特别是高标号混凝土前期收缩较大。 在混凝土终凝后、保温薄膜应及时覆盖，尽快形成保温保湿养护环境。 在混凝土初终凝阶段，采用两次抹面技术，消除表面裂缝。

4 结语

图4 大体积混凝土基础测温点布置

图5 大体积混凝土测温点监测数据

根据徐家汇中心基坑底板混凝土浇捣施工方案，设计了降低水化热、控制混凝土绝热温升的混凝土配合比优化原则，通过对比试验优选出最佳胶凝体系配比：水泥∶粉煤灰∶矿粉=220∶80∶120，并在此基础上获得混凝土配合比。计算了混凝土绝热温升值，结果表明，混凝土最大温升发生在4 d 左右， 中心最大温升达70.3 ℃。 实测混凝土温升最大值出现时间为3.5 d 左右，最大值为73.3 ℃，与计算值较为接近。计算和实测混凝土里表温度差值均未超过标准规定的最大值，说明基于优化胶凝体系配制的徐家汇中心大体积混凝土温度得到有效控制。