超高层超厚筏形基础混凝土施工关键措施分析

张振宇，景朋涛，詹正书，刘晓辉，高 腾

（陕西建工第一建设集团有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

随着社会的发展，城市用地愈发紧张，超高层建筑已经成为城市的主要建筑［1］。超高层建筑的质量关键部分为建筑基础，超高层筏形基础是典型的大体积混凝土结构。

大体积混凝土施工的关键在于控制混凝土内部温度场，使得混凝土温度梯度分布合理。采用的措施包括：明确混凝土厚度进行热工计算、优化配合比降低混凝土绝热温升、有限元模拟或理论计算预测混凝土内温度场分布、控制合适的浇筑速度保证混凝土质量的同时使混凝土有效散热、根据温度监测实时反应混凝土内部温度场情况，采取合理的养护措施调控混凝土内部温度场［2，3］。

本文根据筏板的实际散热条件，采取合适的计算方式确定超厚筏板散热厚度，避免养护措施不到位造成温度裂缝或散热不到位。并根据筏板尺寸提出了混凝土最佳浇筑速度的计算方式，最后阐明了混凝土添加剂中高性能膨胀剂、抗裂纤维的适用条件，同时分析了目前混凝土测温与养护的最优方式。

1 大体积混凝土现存施工问题

1.1 大体积混凝土散热厚度的计算

混凝土厚度指的是混凝土最窄边的尺寸，它是判定大体积混凝土的重要依据，同时也是大体积混凝土温度峰值、温差等理论计算的重要依据，因此，在大体积混凝土施工前需要判定大体积混凝土的计算厚度。然而在超高层基础中往往存在着大量的集水坑、电梯井坑，此类坑壁往往是良好的散热界面，筏板散热时如果忽略该部分的散热，就会导致散热厚度计算过大，实际的温度梯度大于计算的温度梯度，从而未采取必要的养护措施，导致坑壁出现大量的温度裂缝，危害结构安全。因此超高层筏形基础混凝土厚度计算时应考虑不同区域的散热情况，不能简单地以基础厚度作为大体积混凝土计算厚度。

1.2 大体积混凝土浇筑速度的选择

大体积混凝土浇筑时应根据现场情况提前规划浇筑顺序、浇筑方向和浇筑速度，其中浇筑速度对混凝土后期质量有着较大的影响。若浇筑速度过慢，混凝土在浇筑过程中将发生初凝，导致水平或斜向施工缝的产生，危害结构安全；若浇筑速度过快，将大大减少混凝土在浇筑过程中的散热量，导致大体积混凝土在浇筑完成后核心温度过高，导致大体积混凝土表面和内部温差过大，从而产生温度裂缝。

1.3 大体积混凝土温度测量

目前大体积混凝土主流的测温方式是一种先在混凝土内埋置内径为 15～20 mm 的金属保温管随后将电子测温计放置于管内进行测温。

该方法虽然可以使测温计重复使用，在一定程度上节约了成本，但是该方法所测得的温度是金属管内空气的温度。管内空气温度是由混凝土传递给金属管，再由金属管传至空气，在此传递过程中，存在着一定的能量损耗。而且管内的空气由于温度分布不均匀且存在着较大的温差（10～20 ℃），冷热空气会发生对流，对流的产生会进一步缩小混凝土核心和内部的温差，最终导致测量的数据没有参考价值。而且预埋保温管将会成为基础渗水的潜在风险点。由于底层测点需测量距离混凝土底部 50 mm 温度，因此预埋管需至少伸至距离混凝土底部 50 mm 处，且预埋管道贯通设置，成为潜在的渗漏风险点。

1.4 大体积混凝土配合比

大体积混凝土配合比需要考虑混凝土体量、浇筑时间、浇筑地点等因素，以降低混凝土的最大温升值进而缩小混凝土表里温差，避免温度裂缝产生。目前，在大体积混凝土配合比设计中，为了增加混凝土抗裂性能往往掺加一定比例的高性能膨胀剂和抗裂纤维［4］。

高性能膨胀剂主要组分包含氧化钙和硫铝酸钙，具有补偿收缩的作用［5］。但是高性能膨胀剂必须要与足量的水反应才能发挥出原有的功能，但是对于大体积混凝土而言，混凝土整体处于缺水状态，混凝土养护的一个主要作用即为保湿。此外，大体积混凝土厚度较大，内部的含水量不易随外界环境及养护措施的变化而变化。在上述情况下，由于没有足量的水膨胀剂性能不能有效发挥，另一方面膨胀剂消耗一定量水后影响混凝土内部其他水化反应。而且膨胀剂成分中氧化钙等组分在发挥补偿膨胀作用的同时会散发一定量的热量，不仅对大体积混凝土温度控制不利，也会对膨胀剂的限制膨胀率具有很大影响［6］。

抗裂纤维可以大大提高梁、板混凝土早期抗裂性能。然而目前并没有证据表明抗裂纤维对于超厚混凝土整体可以有效起抗裂作用。同时，抗裂纤维会影响混凝土坍落度、流动性、可泵性，且掺加量越大混凝土坍落度越小、流动性越差、泵送性越差。大体积混凝土对混凝土坍落度具有严格要求，此外大体积混凝土浇筑往往需要进行长距离、长时间泵送，抗裂纤维素将对混凝土泵送产生很大的不利影响。

2 大体积混凝土施工问题的解决方法

2.1 大体积混凝土散热厚度的计算方法

对于大体积筏形基础，内部存在多个大面积电梯坑、集水坑等散热边界，不能再用传统方法计算混凝土厚度。本文以西安市曲江·云松间项目 9# 楼为例，筏板特征如下：核心筒区域筏板厚度为 9.9 m，外框柱部分筏板厚度为 4 m。在核心筒部分由于存在大量电梯井、集水井，混凝土形状较为复杂。以其中一个电梯井为例，此处二维图及三维图如图1 所示。在电梯井基础处寻找最大立方体，得到此立方体边长为 5.737 m。因此，进行热工计算时筏板计算厚度为 5.737 m。

图1 筏板厚度示意（单位：mm）

因此，在进行混凝土厚度计算时既不能把基础大面厚度作为混凝土厚度，也不能以混凝土顶标高减底标高作为混凝土厚度，应当以筏板内最大立方体边长作为混凝土厚度。

2.2 大体积混凝土的最优浇筑速度

控制混凝土的浇筑速度可有效地散发混凝土的水化热，混凝土浇筑速度越慢，混凝土散热时间越多，散热量越大，这对于混凝土内部温度的峰值起着关键作用。但是浇筑时间过慢，混凝土又会发生初凝，因此需要找出混凝土的最佳浇筑速度，这对于筏形基础的质量有着十分重要的意义。

混凝土浇筑示意如图2 所示，在下层混凝土临近初凝时浇筑上层混凝土，采用此种方法可以将混凝土热量有效散发。

图2 筏板浇筑过程示意

浇筑速度为浇筑方量除以浇筑时间，则浇筑速度如公式（1）所示。

式中：v为混凝土浇筑速度；Q为混凝土浇筑方量；T为混凝土浇筑时间。

对于浇筑时间，GB 50496－2018《大体积混凝土施工标准》要求大体积混凝土浇筑需要在下层混凝土初凝前完成上层混凝土浇筑［7］。因此，单层混凝土最大浇筑时间如公式（2）所示。

式中：t混凝土初凝时间；t1混凝土从开始搅拌到开始浇筑时间。

对于浇筑方量，GB 50496－2018《大体积混凝土施工标准》要求采用斜面分层浇筑时单层浇筑厚度为 300～500 mm。而混凝土斜面坡度可根据混凝土坍落度和坍落扩展度确定，结合图3 可知混凝土整体斜面坡度如公式（3）所示。

图3 水平测温点布置（单位：mm）

式中：α混凝土斜面角度；s为混凝土坍落度；D为混凝土扩展度。

同时，按上式计算混凝土斜坡坡度基本维持在1∶7～1∶8，与实际情况相符［8］。综上单层浇筑的混凝土方量如公式（4）所示。

式中：y表示混凝土短边边长；z为混凝土平均高度；h为混凝土单层浇筑厚度。

联立式（1）、（2）、（4）可得混凝土最佳浇筑速度如公式（5）所示。

式中：vop为混凝土最佳浇筑速度。

2.3 大体积混凝土测温改进

结合曲江·云松间项目新方法的尝试和鸿瑞天成（北区）综合体项目的实践，对于超高层超厚筏形基础混凝土温度的测量可通过直接埋设测温计进行量测。

将电子测温计埋置于混凝土内时需要提前将测温传感器及导线与钢筋用轧带绑扎固定并预埋至指定位置［9］。利用此方法可使测温计直接与混凝土接触，测温计可直接测量混凝土温度，且测量数据更加准确，同时也规避了潜在渗水点的风险。

2.4 大体积混凝土配合比改良

大体积混凝土一般采用高性能膨胀剂和抗裂纤维作为添加剂改善混凝土浇筑后的性能，但是基于曲江·云松间项目和鸿瑞天成（北区）综合体项目的超高层建设经验，上述两种添加剂并不能明显地提升混凝土的抗裂性能，并且上述两种添加剂价格昂贵，大大增加了施工成本。因此，在曲江·云松间 1# 楼施工结束后，后续超高层筏形基础的施工中并未再使用上述添加剂。

3 大体积混凝土施工的讨论与分析

为保证超高层筏形基础的质量，本文针对上述大体积混凝土施工问题提出了一系列的解决方案，并通过工程实践证实上述方案的可行性，为今后超高层筏形基础施工提供了十分重要的参考依据。

3.1 大体积混凝土温度分析

电子测温计埋置决定了后续混凝土温度是否能成功采集，电子测温计的破坏大都发生于混凝土浇筑时。因此在浇筑混凝土时应保证浇筑点与测温点的安全距离，避免电子测温计破坏。在曲江·云松间项目和鸿瑞天成（北区）综合体项目中采用该方法进行筏板基础测温，并未发生测温点失效的情况。

混凝土里表温差是混凝土温度控制的重要指标之一。在 GB 50496－2018《大体积混凝土施工标准》中规定混凝土里表温差不超过 25 ℃。在 GB 50496－2018《大体积混凝土温度测控技术规范》中规定混凝土表里温差与混凝土厚度相关，＜1.5 m 时不超过 20 ℃，介于 1.5 m 与 2.5 m 之间时不超过 25 ℃，＞2.5 m 时不超过 28 ℃［10］。对于大体积混凝土而言，温度控制的要点在于单位高度内的温度的变化，因此里表温差等温控指标与混凝土厚度有直接关系［11，12］。

利用新的筏板厚度计算方法之后，超高层筏板厚度往往会大幅度变薄，如图1 筏板基础核心筒区域厚度为 9.9 m，采用新的筏板计算方法之后，筏板厚度为 5.737 m，减少了 42 %。此时仍采用筏板的真实厚度控制混凝土里表温差显然会使温差过大导致混凝土产生温度裂缝。除此之外，在筏板基础真实厚度与计算厚度不一致时，还应增加水平测温点，如图3 所示，控制水平向的温度差，避免电梯坑等四周出现垂直温度裂缝。

混凝土内部温度由混凝土放热及散热量决定。以曲江·云松间项目为例，该项目筏形基础混凝土浇筑时浇筑速度采用理论最优浇筑速度，并将理论及实测混凝土温度变化进行对比，筏板温度理论及实测变化趋势如图4 所示。混凝土浇筑完成时混凝土内部温度最大值及混凝土温度峰值之间的比值，理论计算值为 65.5 %、实测值为 94.9 %，上述比值表明在混凝土浇筑期间混凝土已经散发了绝大部分的热量。

图4 筏板温度变化

因此，控制好混凝土的浇筑速度关乎到其是否在浇筑期间及时、有效地散失一部分热量，这对于混凝土内部温度的峰值起着关键作用。

3.2 大体积混凝土质量分析

大体积混凝土质量主要在于养护完成之后是否有裂缝产生，曲江·云松间项目和鸿瑞天成（北区）综合体项目基于上述新理论与新方法，对大体积混凝土采用相应的养护方法，在筏形基础养护结束之后并未发现裂缝等质量缺陷，并与曲江·云松间 1# 楼筏形基础进行对比，结果表明未添加混凝土添加剂的筏形基础质量与掺有添加剂的混凝土几乎相同。

4 结论

本文从大体积混凝土计算厚度、配合比、浇筑速度、测温等方面进行了分析，为后续大体积混凝土施工提供帮助。主要研究结果如下。

1）筏板厚度是大体积混凝土相关分析的重要依据，筏板厚度等于筏板内最大立方体的边长，需特别注意超高层基础中电梯井处的厚度计算。

2）在大体积混凝土中加入高性能膨胀剂时需要进行论证分析，不推荐在大体积混凝土中加入抗裂纤维。

3）大体积混凝土浇筑速度可以从一定程度上影响混凝土温度峰值，应当将混凝土浇筑速度控制在合理的范围，因此提出了一种混凝土浇筑速度计算的估算方法。

4）为确保数据准确，应当采用将电子测温计埋置于混凝土内的方式进行温度测量。同时温控指标与筏板厚度相关，应当进行深入研究。

5）综合采用本文方法对筏形基础进行质量控制，可大幅度提升超高层筏形基础的施工质量。Q