大体积混凝土施工质量管控

韩 君

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

随着我国基础设施建设以及超高层建筑工程的增加，大体积混凝土工程越来越多。国内规范对大体积混凝土给出了定义，其中《大体积混凝土施工标准》[1]中的定义为：“混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m的大体积混凝土，或预计会因混凝土材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土”；《普通混凝土配合比设计规程》[2]中的定义为：“体积较大的、可能由胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土”。当前第一种描述更为大家所接受，但不管从哪一种定义都可以看出，大体积混凝土由于体积较大，水化热较高，容易出现较大的温度应力，甚至引起开裂，严重影响结构的强度和耐久性。为保障大体积混凝土的施工质量，需要从多方面着手，综合应用多种技术和管理措施。本文以某工程大体积混凝土施工为背景，介绍了大体积混凝土全过程质量管控的方法。

1 大体积混凝土控制概述

1.1 大体积混凝土质量影响因素

大体积混凝土由于体量较大，胶凝材料水化放热，引起混凝土内外温差过大，当温差引起的拉应力超过混凝土的实时抗拉强度时[3]，混凝土开裂，对混凝土的强度和耐久性产生不利影响。大体积混凝土温度裂缝产生的机理复杂，国内外已经有很多学者进行了相关的研究，研究结果表明，边界条件、环境条件、原材料、配合比、混凝土施工过程温度控制和养护等是大体积混凝土是否产生温度裂缝的重要影响因素[3-4]。其中，控制温差是控制大体积混凝土裂缝的关键。

1.2 大体积混凝土温度控制指标

目前，国内大体积混凝土施工的相关规范[5-8]均给出了温度控制指标及方法，主要通过控制混凝土的入模温度和养护过程中的温差来实现大体积混凝土的质量控制，同时也对配合比和施工工艺提出了建议。不同的规范对于温度控制指标存在微小差异，各规范的指标如表1所示。

表1 各规范中大体积混凝土施工控制指标对比

各规范中，对于温度的控制指标均为建议值，可结合工程经验和实际的混凝土尺寸适当放宽。考虑到本工程核心筒区域混凝土面积和厚度均较大，实际中采用的温度控制指标为：最大入模温度30 ℃，入模后最大温升50 K，最大表里温差28 K，拆模时表面与大气最大温差25 K，最大降温速率2 K/d。

2 工程概况

本大体积混凝土工程为1座超高层塔楼的筏板基础。该塔楼地上74层，地下5层，建筑高度356 m，结构形式为框架-核心筒结构，基础形式为筏板基础。根据厚度，可将筏板分为外框区域和核心筒区域共2个区域。其中，外框区域的外轮廓为边长为57 m的正方形，除柱承台外，其余筏板厚度1.2 m；而核心筒区域的外轮廓为边长36 m的正方形，主要由3.80、7.95、10.75 m等3种不同厚度组成，不同厚度之间通过台阶逐级过渡，局部电梯井处厚度达12.25 m。筏板的混凝土强度等级为C40，抗渗等级P12，2个区域混凝土浇筑量共计约10 000 m3，一次浇筑完成。

3 大体积混凝土质量保障措施

3.1 浇筑前保障措施

大体积混凝土浇筑前主要保障混凝土配合比和入模温度，其中为准确计算入模温度，采用了有限元软件计算大体积混凝土内部温度分布。

3.2 混凝土配合比

在配制本工程混凝土时，对原材料的物理和化学特性控制如下：采用水化热较低、细度适中的P·O 42.5水泥；掺加粉煤灰和矿渣粉活性混合材料替代部分水泥；粗骨料选用粒径5～25 mm的石子连续级配，细骨料选用细度模数2.7的中砂，严格控制粗细骨料的含泥量；使用合适的高性能聚羧酸减水剂，减少水泥用量，减少水化热，并且延长初凝时间；控制混凝土原材料入机温度。水泥的入机温度≤35 ℃，石子堆场采用遮阳棚，并通过喷水降低石子的温度，在拌制的过程中加入冰块。

本工程混凝土的配合比如表2所示，水胶比为0.37。

表2 C40 P12混凝土配合比

3.3 入模温度有限元分析

控制混凝土入模温度，可降低混凝土内部的最高温度，进而减小混凝土表里温差以及混凝土表面与大气温差。为计算混凝土内部的最高温度，利用Midas Gen v8.65对大体积混凝土进行水化热分析，有限元软件可同时考虑3个方向的温度梯度，更准确地计算大体积混凝土内部的最高温度。模型中考虑了面积最大的2个核心筒筏板区域，如图1所示，厚度分别为3.80、7.95 m，计算得到浇筑后500 h内的升温时程曲线，如图2所示。混凝土入模温度设定为30 ℃，大气温度设定为27 ℃（当地5—6月平均气温）。

图1 大体积混凝土升温时程模拟

图2 大体积混凝土升温时程曲线

通过大体积混凝土的升温时程曲线可知，当混凝土的入模温度为30 ℃时，表里温差、表面与大气温差以及降温速率均可以满足本工程预定的控制指标。

3.4 浇筑中保障措施

3.4.1 混凝土供应

项目部选择了具有丰富的大体积混凝土供应经验的凝土供应商，该供应商在项目附近有2个生产基地，每个生产基地均可满足本项目混凝土的供应需求，第2个生产基地作为备用。从每个生产基地到施工现场规划了2条混凝土运输车行驶路线，每部运输车配置了先进的GPS通信设备，由生产调度中心统一指挥，有效防止了断车、压车现象，减少因等待时间过长造成的混凝土质量变化。

3.4.2 混凝土质量抽查

现场安排监理、总承包材料员和混凝土供应商质检员联合抽查到场的混凝土的氯离子含量、工作性能以及入模温度。同时，混凝土供应商质检员及时将现场情况反馈到生产基地，生产基地根据现场情况调整混凝土配合比。

3.4.3 浇筑工艺

本工程采用整体分层浇筑，先浇筑核心筒区域，当核心筒区域浇筑至和外框板底平齐时，同时浇筑核心筒区域和外框区域。由于筏板厚度较大，为防止混凝土抛落离析，设置钢串通，使混凝土均匀流淌至基础底部。为防止出现混凝土冷缝，在前一层初凝之前，开始后一层的浇筑，并且振捣棒插入2层分界线以下50 mm进行振捣。在钢筋支架的不同标高处设置行走通道，并设置LED照明灯带，方便工人振捣。

3.5 浇筑后保障措施

3.5.1 混凝土养护

大体积混凝浇筑完成后，在初凝前，按标高控制线用刮尺将混凝土表面刮平，初凝后，用铁滚筒将混凝表面压实，清除浮浆，最后进行二次收光。收光后，立即在混凝土表面洒水，并覆盖1层塑料薄膜用于混凝土保湿，上面覆盖1层干燥毛毡用于混凝土保温，为防止降雨削弱保温效果，毛毡上再覆盖1层塑料薄膜。每天由专人检查塑料薄膜的完整情况，并保持混凝土表面湿润。同时，现场额外预备了1层毛毡和1层塑料薄膜，若混凝土内部温度控制指标超标时，可覆盖在现有保温层上，增强保温效果。养护时间由混凝土体内的温度监测数据决定，混凝土表里温差小于28 K且混凝土表面与大气温差小于25 K时拆除保温层。

3.5.2 混凝土温度监测

大体积混凝土在养护过程中，需要根据混凝土体内的温度变化，动态调整保温措施。在本工程中，采用了“大体积混凝土温度无线监测系统”，实时监测大体积混凝土不同区域、不同深度的温度，实现了信息化管理。该系统的工作原理如图3所示，将温度传感器串联接入数据采集节点，数据采集节点进行数据自动化采集，并将数据实时发送至远程传输节点进行处理，远程传输节点将数据自动上传至云端服务器，管理人员可通过手机或PC端的浏览器查看实时温度数据。测温点沿筏板的2个对称轴布置，覆盖了筏板的主要厚度区域，以及厚度变化最大的区域。典型剖面的温度传感器布置如图4所示，其中测温点⑥的表面和内部温度时程曲线见图2，有限元模型对于温度的预测值与实际测量值较为接近。

图3 测温系统工作原理

图4 温度传感器布置剖面示意

4 大体积混凝土施工质量

大体积混凝土带保温覆盖层养护，共持续了21 d，根据各区域不同深度的混凝土温度计算出的混凝土温差和温度，与预定的控制指标相差不到2 K，基本达到了温度控制目标。拆除保温覆盖层后，每天洒水养护，持续养护了7 d。混凝土表面未发现收缩裂纹。

5 结语

本文介绍了某工程大体积混凝土施工的全过程质量管控方法。浇筑之前，为降低混凝土的水化热，配合比设计时，采用了低水化热水泥，减小水泥用量，增加了粉煤灰和矿渣用量，并通过有限元软件分析了混凝土体的升温时程，分析得到混凝土的入模温度不超过30 ℃时，混凝土体内的温度和温差均可以符合规范要求的控制指标。浇筑过程中，在浇筑现场抽查并调整混凝土质量，采用连续浇筑法并设置振捣通道，避免了施工冷缝的形成。浇筑完成后，采用了塑料膜保湿加毛毡保温的养护方法，并通过温度监测系统，实时监测混凝土内部关键位置的温度变化，监测结果显示，无需调整保温层厚度。最终，本工程的大体积混凝土未出现收缩裂缝，具有较高的施工质量，可以验证本文提出的施工质量管控措施是有效的。