卜繼斌，丁昌銀，朱新鵬

（廣州珠江建設(shè)發(fā)展有限公司 廣州510075）

一般地，房建項目大面積大體積混凝土常出現(xiàn)于地下室筏板，或個別區(qū)域的框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，而較少出現(xiàn)于豎向墻體結(jié)構(gòu)。但對于具有防輻射功能的建筑，通常通過加大結(jié)構(gòu)墻體厚度、重度、加設(shè)鉛板等措施，提升結(jié)構(gòu)的防輻射性能［1-2］。該類墻體相比一般的建筑豎向構(gòu)件，具有結(jié)構(gòu)重度大、混凝土連續(xù)無縫施工澆搗困難、容易產(chǎn)生溫度裂縫、易發(fā)生漲模爆?，F(xiàn)象等諸多施工難點，對現(xiàn)場的安全質(zhì)量把控具有較大的挑戰(zhàn)。

1 工程概況及特點

某臨港基地項目位于廣州市南沙區(qū)大崗鎮(zhèn)，目包含輕型車間、中型車間、探傷室，以及熱處理爐、噴丸室等輔助用房，總建筑面積23 078.88 m2，其中服務(wù)于大型機械設(shè)備的2 個金屬探傷檢測室建筑面積為1 106.74 m2，現(xiàn)今為國內(nèi)最大的工業(yè)探傷室之一，單層建筑高度分別為16.35 m、22.35 m，其中最厚墻體分別達到2.2 m、2.8 m，頂板厚1.0 m。為滿足結(jié)構(gòu)防輻射功能性要求，結(jié)構(gòu)墻體中部不得留設(shè)施工縫，一次性連續(xù)澆筑高度達12.8 m 和18.0 m，連續(xù)澆筑量分別達2 568 m3和2 946 m3。結(jié)構(gòu)混凝土為大體積防輻射混凝土，要求結(jié)構(gòu)不得存在絲毫裂縫，但由于結(jié)構(gòu)尺寸過大和混凝土連續(xù)澆筑量大，產(chǎn)生的水化熱大，施工過程中混凝土極易產(chǎn)生溫度裂縫和收縮裂縫，很難滿足工程要求。因此對施工技術(shù)水平的把控提出極大的挑戰(zhàn)。

2 防輻射混凝土配合比設(shè)計

2.1 原材料優(yōu)選

結(jié)構(gòu)裂縫控制要求嚴格，現(xiàn)場混凝土連續(xù)澆筑方量較大，如何控制結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差、降低混凝土水化熱，已成為施工中的重點、難點。

為有效地降低混凝土的水化熱，通常首先從原材料入手，優(yōu)選混凝土配制材料。本項目結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選用了低熱的PⅡ42.5普通硅酸鹽水泥、粒徑為5.0～31.5 mm 連續(xù)級配的優(yōu)等品碎石、一定量具有抗輻射性能的重晶石、細度模數(shù)為2.4～2.9 的河砂、Ⅱ級粉煤灰、聚丙烯網(wǎng)狀纖維、水化熱抑制劑、泵送劑等一系列混凝土拌制材料，以有效降低防輻射混凝土的絕熱溫升，延遲溫峰出現(xiàn)時間，同時提高混凝土的抗裂性能和輻射屏蔽性能。

2.2 配合比設(shè)計

混凝土配合比的設(shè)計原則主要是在保證強度、和易性、耐久性的前提下，盡可能地減少水泥的用量，降低水化熱，延遲溫峰出現(xiàn)時間，保證混凝土的質(zhì)量［3-4］。而對于具有防輻射性能要求的結(jié)構(gòu)，常通過加入重晶石、礦粉等材料來增加混凝土的重度和表觀密度以達到屏蔽輻射功效［5-6］。為滿足結(jié)構(gòu)強度及功能性要求，對防輻射混凝土進行多次試配，最終得出的最優(yōu)調(diào)配結(jié)果為水泥∶砂∶普通砂石∶重晶石∶水∶外加劑∶混合材料∶聚丙烯纖維∶水化熱抑制劑=1∶2.31∶2.46∶1.1∶0.63∶0.029∶0.3∶0.15∶0.039，水膠比為0.45，塌落度為160±30 mm。

3 數(shù)值仿真分析，科學(xué)制定溫控方案

3.1 模型建立

為了研究大體積剪力墻內(nèi)部溫度及應(yīng)力隨時間發(fā)展變化情況，采用有限元軟件Midas Gen 對剪力墻結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析［7-8］，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進行模型建立，并合理地進行網(wǎng)格劃分。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場實際施工進度，大體積剪力墻預(yù)計在5月份進行澆筑，通過查看南沙5月的氣溫變化表，最終設(shè)定現(xiàn)場環(huán)境溫度為常數(shù)28 ℃，模型分析過程中不考慮氣溫隨時間變化情況。根據(jù)2.2 節(jié)中混凝土配合比中膠凝材料含量，設(shè)定水化熱折減系數(shù)為0.885。本工程采用PⅡ42.5 普通硅酸鹽水泥，7 d 水泥水化熱按經(jīng)驗值取290.7 kJ/kg。根據(jù)混凝土配合比、材料性能、氣候條件等進行模型參數(shù)設(shè)定，剪力墻的參數(shù)取值如下 所 示：比 熱 容 0.96 kJ/（kg·℃），密 度 為2 361.95 kg/m3，熱導(dǎo)率為9.63 kJ/（m·h·℃），對流系數(shù)為41.8 kJ/（m2·h·℃），大氣溫度為28 ℃，入模溫度為28 ℃，28 d 抗壓強度為46.5 MPa，強度進展系數(shù)a=4.5、b=0.95，28 d 彈性模量為3.11×104MPa，熱膨脹系數(shù)為1.0×10-5，泊松比為0.2，單位體積水泥含量為360.2 kg/m3，放熱系數(shù)函數(shù)K=52.3、a=1.13。

3.3 模型結(jié)果分析

考慮施工過程中結(jié)構(gòu)自重、冷凝管布設(shè)間距、冷卻水水流流速、水溫、澆筑速度等因素對豎向結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)部溫度和應(yīng)力的影響，分析大體積防輻射混凝土墻一次成型施工過程中，墻體內(nèi)部溫度及應(yīng)力隨時間發(fā)展變化情況。具體分析模型如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)溫度場及應(yīng)力場云圖Fig.1 Cloud Diagram of Temperature Field and Stress Field of Structure

根據(jù)有限元分析結(jié)果得知，大體積防輻射混凝土在澆筑完成的前72 h 內(nèi)，混凝土溫度隨時間逐漸升高，且升溫速率較快，此階段混凝土水化熱反應(yīng)較快，熱量散發(fā)多；后期混凝土溫度逐漸消減，直至第24 d趨于常溫。此外發(fā)現(xiàn)在澆筑完成后56 h 左右時結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)表溫差值達到32.75 ℃，遠超結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差控制值25 ℃，其中墻體陽角部位前期溫升較快，后期陰陽角部位和中部位置的溫差值均超過《大體積混凝土施工標準：GB 50496-2018》［9］要求的內(nèi)外溫差控制值25 ℃；選取結(jié)構(gòu)內(nèi)外應(yīng)力最大節(jié)點對其拉應(yīng)力和拉應(yīng)力比進行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外部應(yīng)力最大節(jié)點拉應(yīng)力比分別在澆筑完成后的第430 h、第60 h時小于1.5，拉應(yīng)力分別在第445 h、第20 h 時開始大于容許拉應(yīng)力，遠不滿足文獻［9］要求，若不采取相應(yīng)的防裂措施，則剪力墻將產(chǎn)生溫度裂縫。

3.4 冷凝管布設(shè)

降低混凝土內(nèi)部最高溫度及內(nèi)外溫差除在原材料上優(yōu)化配合比，降低絕熱溫升，采取降低入模溫度等一些事前控制措施以外，在實際施工過程中，還可通過在結(jié)構(gòu)內(nèi)部加設(shè)冷凝管，如圖2所示，調(diào)控冷卻水水溫和流速等，從而對結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度進行事中控制。［10］為了保證冷凝管具有足夠的降溫效果，需合理地選擇冷凝管的尺寸、布設(shè)間距及水流等參數(shù)。

圖2 冷凝管布設(shè)Fig.2 Layout of the Condenser Tube

通過對管徑分別為18 mm、27 mm、32 mm和36 mm的鑄鐵冷卻管的降溫效果進行仿真模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選取最佳的冷凝管管徑，具體的冷卻效果分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同冷卻管直徑的冷卻效果Fig.3 Cooling Effect of Different Cooling Pipe Diameters

從圖3 可知，在冷卻管的管材、水流量、管間距等其他條件相同的前提下，冷卻管管徑大小對大體積混凝土的冷卻效果影響相對較小。若選取大直徑冷卻管，雖冷效果相對較好，但同時亦需增加較多鋼材，從而導(dǎo)致現(xiàn)場施工成本的增加，不經(jīng)濟；若選擇小直徑的冷卻管，則會增加通水阻力，且需增加供水設(shè)備的工作負荷，故經(jīng)綜合考慮，選擇直徑為32 mm的鑄鐵管。

通過對冷凝管豎向間距布設(shè)為2.0 m、1.5 m和0.5 m等不同工況下進行仿真模擬分析，得出冷凝管不同間距布設(shè)方式下的溫控效果，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，得出最佳冷凝管布控間距，具體如圖4所示。

圖4 不同冷卻管間距的冷卻效果Fig.4 Cooling Effect of Different Cooling Pipe Spacing

由圖4 可知，冷卻管的冷卻效果隨著管間距的減小而增大，在施工過程中可以通過適當(dāng)?shù)乜s小管間距來提高混凝土內(nèi)部降溫效果。但具體縮減尺度要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，因為減小管間距的同時用鋼量會迅速增加，且管間距過小會增加現(xiàn)場的施工難度，尤其針對這種大體積防輻射混凝土墻體結(jié)構(gòu)，鋼筋布局密集，故冷卻管間距不宜過小。經(jīng)綜合考慮，冷卻管豎向間距選為1 500 mm，呈之字型布設(shè)，水平布設(shè)間距根據(jù)墻體厚度進行合理布設(shè)，布設(shè)間距為500～900 mm。

3.5 監(jiān)測點布設(shè)

根據(jù)溫度應(yīng)力場有限元仿真分析結(jié)果所反映的結(jié)構(gòu)溫度及應(yīng)力場分布特點，更加針對性地制定監(jiān)測方案，實時觀測結(jié)構(gòu)墻體施工過程中內(nèi)部溫度及內(nèi)外溫差變化情況，指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)。

監(jiān)測點分別布置于結(jié)構(gòu)墻體的底部（距地基500 mm）、中部、頂部（距澆筑完成面500 mm），墻體水平面以單側(cè)軸線為基準，于內(nèi)、中、外布設(shè)3個監(jiān)測點，其中外側(cè)監(jiān)測點距外墻面100 mm，具體布設(shè)方式如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點立面布設(shè)（單位：mm）Fig.5 Elevation Layout of Monitoring Points（Unit:mm）

4 大體積防輻射混凝土施工

4.1 大體積防輻射混凝土澆筑

本結(jié)構(gòu)防輻射混凝土采用斜面推進、分層澆筑、一次到頂?shù)氖┕し椒?，并通過溜筒分層下料、連續(xù)振搗、不留計劃外的冷縫等措施保證施工質(zhì)量［11］。分層澆筑厚度為振搗棒有效長度的1.25倍（約為500 mm），斜面坡度為1∶4。此外嚴格控制澆筑速度，根據(jù)現(xiàn)場混凝土材料的運輸距離、氣溫、混凝土入模溫度等因素，將探傷室剪力墻體澆筑時間控制為每4 h完成1圈500 mm厚的混凝土，混凝土初凝時間嚴控在4～5 h，以確?；炷吝B續(xù)澆筑不會出現(xiàn)施工縫，提高項目的自穩(wěn)性能。混凝土澆筑現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場混凝土澆筑Fig.6 Site Concrete Pouring

4.2 大體積防輻射混凝土振搗

針對大體積防輻射混凝土墻，必須加強振搗以增加混凝土的密實度，避免出現(xiàn)離析現(xiàn)象，提高混凝土的抗拉強度，防止混凝土的收縮裂縫。因墻體一次性連續(xù)澆筑高度過大，常規(guī)的振搗棒難以滿足現(xiàn)場施工要求，故通過定制長度為16 m、直徑為51 mm的一種手持式混凝土振搗裝置，通過振搗裝置上具有螺紋連接的兩固定桿、套筒和振搗棒上部具有刻度的凸條根據(jù)現(xiàn)場混凝土的振搗需求，控制深入混凝土中棒料的長度，確保振搗均勻、快速?；炷翝仓r，在澆筑端前后間隔1.5 m設(shè)置2臺振搗器，且緊跟混凝土澆筑情況向前推進，以確保整個高度下的混凝土施工質(zhì)量。

4.3 大體積防輻射混凝土養(yǎng)護

混凝土澆筑完畢后立即保濕養(yǎng)護14 d?；炷潦掌胶螅⒓锤采w一層麻袋，麻袋上灑溫水（采用冷卻循環(huán)用水）潤濕，再用塑料膜嚴密覆蓋。在養(yǎng)護期噴灑霧狀水保持環(huán)境相對濕度在80%，以減小混凝土干縮。此外在養(yǎng)護結(jié)束后對冷卻管進行高強度等級的膨脹水泥砂漿壓漿填實。

5 溫度自動化監(jiān)測

5.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)安裝

根據(jù)監(jiān)測方案，對自動化監(jiān)測設(shè)備JMT-36C型溫度傳感器和32MWS-1D 單通道溫度采集模塊進行現(xiàn)場安裝，安裝示意如圖7所示。

圖7 自動化監(jiān)測設(shè)備安裝示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Automatic Monitoring Equipment Installation

應(yīng)用5G 技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線傳輸方式上傳至綜合信息管理平臺，再通過具有分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等特點的區(qū)塊鏈技術(shù)，將實測數(shù)據(jù)自動上鏈至基于區(qū)塊鏈的建筑施工智能監(jiān)控集成平臺，如圖8所示，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集傳輸、智能預(yù)警、監(jiān)管聯(lián)動和多方協(xié)同管控等功能，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性、時效性及安全性，并解決了數(shù)據(jù)共享、存證鑒真、監(jiān)管穿透、責(zé)任糾紛等難題。

圖8 區(qū)塊鏈服務(wù)平臺Fig.8 Blockchain Service Platform

5.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過對自動化監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)分析結(jié)果，及時調(diào)控混凝土內(nèi)外溫差，保證施工質(zhì)量。

底部、中部、頂部3 個區(qū)域的溫度實測數(shù)據(jù)如圖9所示，監(jiān)測點編號分別為WD-01-01～WD-01-17、WD-02-01～WD-02-17、WD-03-01～WD-03-17，每個監(jiān)測趨勢圖有17 個監(jiān)測點，具體的定位如圖5 所述。從圖9可以看出3個監(jiān)測區(qū)域的整體溫度變化趨勢基本一致，水化熱的反應(yīng)完成時間在48 h之內(nèi)，其中底部防輻射混凝土因澆筑時間早，水化熱反應(yīng)過程最早完成，最高溫度達68.47 ℃；中部監(jiān)測區(qū)域溫度變化除因本身混凝土的水化反應(yīng)外，還受下部或上部混凝土內(nèi)部熱量傳導(dǎo)影響，及因分層澆筑后結(jié)構(gòu)內(nèi)部高溫區(qū)域的連接，致使中部區(qū)域溫度變化最大，整個升溫過程時間較長，在該區(qū)域澆筑完成第67.55 h 時，中部最高溫度達到78.19 ℃；頂部監(jiān)測區(qū)域混凝土升溫和降溫速度均較快，主要因為其距建筑完成面距離最短，且上部通風(fēng)較好，空氣流通快，故水化熱反應(yīng)及散溫效果較好。

圖9 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.9 Temperature Monitoring Data Curve

混凝土在澆筑完底部監(jiān)測區(qū)域混凝土第25 h時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度差為23.5 ℃，雖尚未超過文獻［9］規(guī)定的差值25 ℃，但為更好地保證施工質(zhì)量，后期通過冷卻管端口處的流速表來調(diào)整水流流速，同時在循環(huán)水池中適當(dāng)加入活水，降低水溫，以更有效地降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差。后期中部監(jiān)測區(qū)域的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度雖較高，但結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差最大值為19.5 ℃，滿足文獻［9］要求。

選取2.8 m 墻最中部位置也是溫度最高點進行模擬分析數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的對比分析，如圖10 所示，得知兩者的整體升溫趨勢基本一致，但實測數(shù)據(jù)的最高溫度大于模型分析數(shù)據(jù)，且實測數(shù)據(jù)的降溫趨勢較緩于模型分析數(shù)據(jù)，這是因為現(xiàn)場實際情況有所偏差，混凝土的入模溫度、模板的保溫性能、養(yǎng)護措施的效果等，都有效地控制了降溫速率，減小了溫度應(yīng)力，避免產(chǎn)生溫度裂縫。

圖10 實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison Chart of Measured Data and Theoretical Data

6 應(yīng)用結(jié)果

本項技術(shù)已在某臨港基地項目得到成功應(yīng)用，一次性連續(xù)澆筑量達2 000多m3的大體積混凝土剪力墻表面未出現(xiàn)相應(yīng)裂縫，各項指標均符合技術(shù)要求。且在混凝土澆筑完成后，通過自動化監(jiān)測技術(shù)對結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差進行實時監(jiān)控，監(jiān)測結(jié)果顯示養(yǎng)護階段混凝土的內(nèi)外溫差均在12 ℃以內(nèi)，混凝土表層與大氣溫差在20 ℃以內(nèi)。由此可見，大體積防輻射混凝土墻一次成型施工技術(shù)對混凝土內(nèi)外溫差進行了有效地控制，減小了溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，避免了混凝土溫度裂縫和收縮裂縫的出現(xiàn)。

7 結(jié)語

⑴根據(jù)結(jié)構(gòu)施工要求，對混凝土的原材料進行了優(yōu)選，并對防輻射混凝土的配合比進行多項試配，得出最優(yōu)配合比為水泥∶砂∶普通砂石∶重晶石∶水∶外加劑∶混合材∶聚丙烯纖維∶水化熱抑制劑=1∶2.31∶2.46∶1.1∶0.63∶0.029∶0.3∶0.15∶0.039。

⑵通過對大體積防輻射混凝土剪力墻進行數(shù)值仿真分析，得出墻體完成澆筑后的前72 h 內(nèi)，混凝土溫度隨時間逐漸升高，后期逐漸消減，直至第24 d 趨于常溫；混凝土表面溫度應(yīng)力前期隨著時間逐漸增大，結(jié)合仿真分析結(jié)果和現(xiàn)場實際情況，得出采用直徑為32 mm、豎向間距為1 500 mm、水平間距為500～900 mm的“之”字形鑄鐵管為冷卻管的最優(yōu)布設(shè)方式。

⑶針對施工作業(yè)面小、振搗困難的超高厚豎向混凝土剪力墻，制定了科學(xué)的施工方法，包括分層澆筑、溜筒下料、斜向推進振搗、薄膜養(yǎng)護等一系列措施，有效保證施工質(zhì)量。

⑷利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)場溫度進行了動態(tài)監(jiān)測，并通過5G 技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動采集傳輸、智能預(yù)警、多方協(xié)同管控；此外對實測數(shù)據(jù)進行了分析，指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)，并與理論數(shù)據(jù)進行了對比分析，為類似工程項目提供借鑒。