王敏,張凱峰,劉天云,白航,劉超
(中建西部建設(shè)北方有限公司,陜西 西安 710100)
西安榮民金融中心項目,位于西安市未央?yún)^(qū)未央路與鳳城南路交叉口東南角,塔樓:地下 3 層、地上57 層;塔樓建筑高度:屋面 249.5m、幕墻 269.9m。總建筑面積 143354m2,其中:地上 128135m2、地下車庫15218m2,塔樓:地下 3 層、地上 57 層;塔樓建筑高度:屋面 249.5m、幕墻 269.9m;核心筒由 30 根勁性柱,外框由 18 根直徑 1600~1300mm 鋼管柱及工字鋼梁組成。筒內(nèi)樓板為鋼筋混凝土樓板,筒外樓板為鋼筋桁架樓承板。本工程混凝土使用年限 100 年。
本工程主樓地下采用整體筏板基礎(chǔ),塔樓主體范圍以內(nèi)基礎(chǔ)筏板厚度為 3.4~9.5m,塔樓主體范圍以外基礎(chǔ)筏板厚度為 0.8m?;炷翉姸鹊燃墳?C40,抗?jié)B等級為 P10,對混凝土的配合比、體積穩(wěn)定性、抗碳化、抗化學(xué)腐蝕等混凝土耐久性均具有較高的要求。塔樓底板混凝土總澆筑方量約 1.4 萬方,因此水化熱的控制、收縮裂縫的控制、混凝土的養(yǎng)護及溫控是該項目混凝土技術(shù)中的最大難點。須重視提高大體積混凝土施工技術(shù)水平,做到合理控制水泥水化熱,精心施工[1-3]。大體積混凝土施工中加強溫度監(jiān)控,是控制溫度裂縫的重要措施[4-6]。
C40 混凝土配合比見表 1。
表 1 混凝土配合比 kg/m3
(1)膠凝材料水化熱總量可按式 (1) 計算:
式中:Q——膠凝材料水化熱總量,kJ/kg;
Q0——水泥水化的總熱量,kJ/kg;
k——不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù),其值取法參見表 2。
表 2 不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)
(2)因水泥水化熱引起混凝土的絕熱溫升值[7]可按式 (2) 計算:
式中:
T(t)——混凝土齡期為 t 時的絕熱溫升,℃;
W——每方混凝土的膠凝材料用量,kg/m3;
C——混凝土的比熱,一般為 0.92~1.0kJ/(kg·℃);
ρ——混凝土的密度,2400~2500kg/m3;
m——與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù),0.3~ 0.5d-1;
t——混凝土齡期,d;
Q——水泥的水化熱,kJ/kg。
根據(jù)混凝土的配合比,粉煤灰占膠凝材料總量的24.4%,因此,水化熱的調(diào)整系數(shù)取 0.94,混凝土的齡期取 7 天,混凝土的比熱取 0.95kJ/(kg·℃),混凝土密度 2400kg/m3,膠凝材料總量 428kg,m 取 0.4,水泥水化熱取 340kJ/kg,將以上數(shù)據(jù)帶入混凝土絕熱溫升計算公式得:
如果施工時的環(huán)境溫度為 0℃,混凝土的入模溫度約 10℃,預(yù)計混凝土中心溫度可能會達到 65℃。
C40 混凝土配合比如表 1,混凝土養(yǎng)護齡期為 7d、28d、60d、90d、180d、360d 的抗壓強度結(jié)果見表 3。
表 3 不同齡期混凝土強度
從表 3 可以看出,C40 大體積混凝土隨著齡期增大,抗壓強度增加,60d 達到 53.5MPa。在混凝土中,各種膠凝材料的反應(yīng)速度是不同的,隨著齡期而變的、其變化律也不同。比如硅酸鹽水泥的水化較快,在早齡期對強度有較大的貢獻,但它的水化放熱量是較大的,而且相對集中在早期。而一些礦物外加劑的反應(yīng)是較慢的,對混凝土的早期強度貢獻較小,對后期強度貢獻大,但它們的水化放熱量則是較小的、并且放熱比較平緩。因此,摻入礦物外加劑是降低混凝土放熱量的一個重要的技術(shù)途徑。如果過分地強調(diào)早期強度而限制了礦物外加劑的使用,那么混凝土放熱量久很難控制。大體積混凝土的溫度裂縫一般是在施工期出現(xiàn),混凝土構(gòu)件并不承受較大荷載,主要荷載逐漸增加。因此,過分強調(diào)早期強度并沒有太大的實際意義。相反,采用較晚齡期的強度則有利于礦物外加劑的使用,這不僅可以有效地控制混凝土的放熱量,也有利于礦物外加劑潛能的發(fā)揮。由此看來,對于大體積混凝土來說,以較晚齡期的強度作為混凝士強度等級的評定標準既是必要的,也是可行的。
本工程混凝土強度等級較高,由于混凝土攪拌站在混凝土配合比中采取了有效的技術(shù)措施,水泥用量相對較少。但混凝土厚度較大,尤其是大體積混凝土厚度超過 9m,水化熱不易散發(fā)高,升溫快降溫慢。施工季節(jié)為 12 月下旬,西安地區(qū)冬季氣溫較低。因此,混凝土降溫時的收縮與混凝土早期塑性收縮、干燥收縮共同作用是引起混凝土開裂的主要原因。
大體積混凝土在澆筑過程中及其后的一段養(yǎng)護時間內(nèi),對混凝土內(nèi)部及表面溫度進行跟蹤檢測。根據(jù)監(jiān)測的溫度變化狀況及時采取適當?shù)酿B(yǎng)護措施,對于防止因大體積混凝土內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生溫度應(yīng)力而導(dǎo)致有害裂縫(深層、貫穿性裂縫)的產(chǎn)生有至關(guān)重要的意義。
該工程采用 HC-TW80 混凝土無線測溫儀進行溫度監(jiān)測,該儀器可以利用 GSM 移動網(wǎng)絡(luò),以 GPRS 方式傳輸數(shù)據(jù),可通過計算機或手機接收實時溫度信號,并顯示曲線變化圖形。
根據(jù)該工程的具體情況,共布置 8 個測位(見圖2),每個測位布置 3~5 個測點。溫度傳感器分別距離混凝土上表面 50mm,混凝土底面 100mm,混凝土厚度的 1/2 高度處,同時布置一個溫度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境溫度變化。
大體積混凝土溫度的控制主要是控制降溫速率、表層與中心最大溫差及表層與環(huán)境溫度之差。根據(jù)大體積混凝土施工的有關(guān)標準,本工程控制混凝土中心與表層的最大溫差目標值是不大于 28℃,表層與環(huán)境溫度之差不大于 20℃[8]。
該工程施工季節(jié)為冬季,氣溫寒冷,施工過程混凝土的入模溫度較低,不需專門水冷卻控制,混凝土澆筑完畢根據(jù)混凝土溫度與環(huán)境溫度的變化而確定覆蓋保溫養(yǎng)護措施,只要以后養(yǎng)護方法得當就能保證大體積混凝土的施工質(zhì)量。
測位 3#、4#和 5#、6#分別布置在兩個電梯井的邊緣位置,用以測定電梯井周圍的縱向和橫向溫度的變化。電梯井四周混凝土厚度 9500mm,此處混凝土發(fā)熱量大。溫度控制時既要考慮混凝土縱向的溫差,同時還要考慮水平方向的溫差,防止電梯井角上出現(xiàn)溫度裂縫。
從 12 月 25 日上午 10 點混凝土澆筑收面、可以上人開始布置溫度傳感器,到 1 月 22 日大面積溫度溫度降到安全區(qū)間,2 月 20 日電梯井溫度降到安全區(qū)間,測溫結(jié)束歷時 57 天,其中 1 月 31 日下雪 1 天。
測位 1#、2#處混凝土最早開始澆筑,測溫第 2 天測位 1#的中上處溫度達到最高點 58.3℃,隨后第 5 天開始降溫。測位 2#第 5 天達到溫度最高點 59.0℃,隨后與第 7 天開始降溫。降溫到第 28 天,1#測溫位中心溫度 32.2℃,表層溫度 19.5℃,環(huán)境溫度 1.6℃;2#測位中心溫度 43.4℃,表層溫度 27.8℃,環(huán)境溫度 1.6℃。
圖 2 大體積混凝土測位布置示意圖
測位 7#、8#處混凝土最晚開始澆筑,測溫第 3 天測位 7#的中上處溫度達到最高點 62.9℃,隨后第 7 天開始降溫。測位 8#第 3 天達到溫度最高點 56.7℃,隨后第 7 天開始降溫。降溫到第 28 天,7#測位中心溫度34.3℃,表層溫度 11.8℃,環(huán)境溫度 1.6℃;8#測位中心溫度 30.9℃,表層溫度 12.8℃,環(huán)境溫度 1.6℃。至此 3400mm 筏板混凝土的表里溫差、表層與環(huán)境溫度之差已降到安全溫度之間,且降溫速率均小于 2℃/d。
測位 3#、4#處為電梯井,混凝土厚度 9400mm,測溫第 3 天測位 3#的中上處溫度達到最高點 59.4℃,隨后第 7 天開始降溫。測位 4#第 3 天達到溫度最高點61.4℃,隨后第 2 1天開始降溫。降溫到第 28 天 3#測位中心溫度 28.2℃,表層溫度 12.5℃,環(huán)境溫度 1.6℃;57 天 4#測位中心溫度 39.0℃,表層溫度 10.5℃,環(huán)境溫度 5.8℃。
測位 5#、6#為另一個電梯井,混凝土厚度9400mm,測溫第 2 天測位 5#的中上處溫度達到最高點58.6℃,隨后第 6 天開始降溫。測位 6#第 2 天達到溫度最高點 62.3℃,隨后測溫第 12 天開始降溫。測溫第 57天 5#測位中心溫度 35.20℃,表層溫度 9.3℃,環(huán)境溫5.8℃;6#測位中心溫度 42.0℃,表層溫度 12.1℃,環(huán)境溫度 5.8℃。
至此 9500mm 電梯井混凝土的表里溫差、表層與環(huán)境溫度之差已降到安全溫度之間,且降溫速率均小于2℃/d。
混凝土澆筑完畢收面后即刻覆蓋一層塑料薄膜,以保證混凝土表面不失水;同時及時覆蓋一層棉被以減少混凝土表面的散熱,又防止混凝土表面受凍;根據(jù)天氣變化和現(xiàn)場具體情況,為了防止棉氈受潮而降低保溫效果,再在棉氈上面覆蓋一層彩條布。對電梯井部位,在上口處覆蓋木板。
經(jīng)過 57 天的溫控,得到結(jié)論:混凝土中心最高溫度 62.8℃,厚度大于 3400mm 的混凝土最大溫差小于28℃,表層與環(huán)境最低溫差小于 20℃,降溫速率小于2℃/d?;炷翉姸鹊燃?、抗?jié)B等級滿足設(shè)計要求,同條件養(yǎng)護混凝土試件強度達到 C40 強度等級要求。現(xiàn)場觀察混凝土表面及混凝土周邊、承臺和電梯井,沒有出現(xiàn)明顯影響結(jié)構(gòu)安全的貫通性裂縫。至此大體積混凝土溫度監(jiān)測和控制達到大體積混凝土規(guī)范要求。
本工程大體積混凝土采用一系列措施對控溫防開裂,確保了 C40 大體積混凝土質(zhì)量要求,順利施工,得到如下結(jié)論:
(1)C40 混凝土最優(yōu)的配合比,礦物摻合料取代水泥的量 45%,混凝土后期強度顯著提高。
(2)榮民金融項目大體積混凝土預(yù)計混凝土中心溫度理論計算會達到 65℃,實際監(jiān)測,混凝土中心最高溫度 62.8℃,混凝土質(zhì)量達到規(guī)范要求。
(3)針對大體積混凝土施工研究,結(jié)合榮民金融項目對大體積混凝土的降溫措施、控溫手段和養(yǎng)護方法進行詳細介紹,實例研究,為大體積混凝土的施工工作提供了實際參考。