王洋洋

(中鐵建設(shè)集團有限公司西北分公司,陜西 西安 710014)

0 引言

隨著建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的不斷提高,混凝土一次澆筑工程量越來越大,大體積混凝土的概念應(yīng)運而生[1-3]。長期以來,我國混凝土領(lǐng)域的專家學(xué)者對大體積混凝土溫控裂縫等內(nèi)容進行了大量研究。林永秋等[4]根據(jù)溫度裂縫控制的要求,對大體積混凝土內(nèi)部溫度、由溫度引起的溫度應(yīng)力及最大伸縮縫間距進行了理論分析,提出了控制裂縫的主要措施,為高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土施工提供重要的指導(dǎo)作用。王新剛等[5]基于ANSYS有限元軟件進行大體積混凝土溫度及應(yīng)力場的分析,并將其應(yīng)用在實際案例中。樊士廣等[6]應(yīng)用有限元軟件MIDAS進行大體積混凝土施工仿真分析計算,并根據(jù)計算結(jié)果制定了相應(yīng)的技術(shù)措施,以達到提高結(jié)構(gòu)承載力和耐久性的目的。李保華[7]、楊棟等[8]分別針對水利工程、建筑工程的大體積混凝土結(jié)構(gòu),從混凝土配合比的設(shè)計方法、大體積混凝土結(jié)構(gòu)的開裂防治關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述。丁華營等[9]采用摻膨脹劑等技術(shù)進行醫(yī)院直加機房防輻射大體積混凝土溫度控制研究。

總結(jié)上述研究,大體積混凝土澆筑溫度控制措施可從施工組織管理、澆筑施工工藝、混凝土養(yǎng)護措施3方面展開實施。然而,由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)本身和施工過程的復(fù)雜性及研究和實踐的局限性等,仍需對大體積混凝土施工技術(shù)進行系統(tǒng)研究。

基于此,本文以大明宮雁塔購物廣場地下車庫工程為依托,對大體積混凝土筏板基礎(chǔ)進行施工期的溫度分析,總結(jié)大體積混凝土基礎(chǔ)筏板無縫整澆施工工藝,以期為今后類似大體積筏板基礎(chǔ)施工提供借鑒。

1 工程概況

大明宮雁塔購物廣場地下車庫工程位于陜西省西安市雁塔區(qū)。工程設(shè)計為3層地下車庫,總建筑面積34 710.17m2,建筑長度178.3m、寬65.4m,層高5.1m(地下1層局部7.1m)。基礎(chǔ)形式為筏式基礎(chǔ),埋深18m,框架抗震等級三級,筏板分區(qū)如圖1所示。

圖1 筏板分區(qū)示意Fig.1 Raft partition

2 基于數(shù)值模擬的大體積混凝土溫度場分析

2.1 模型建立

基于數(shù)值模擬軟件MIDAS進行混凝土水化熱建模和分析,模型建立的基本步驟如下。

1)輸入材料特性等基礎(chǔ)計算參數(shù)。

2)劃分單元,確定邊界條件。

3)設(shè)計環(huán)境溫度函數(shù)、對流系數(shù)函數(shù)。

4)定義單元對流邊界。

5)輸入固定溫度。

6)輸入熱源函數(shù)之后分配給相應(yīng)單元。

7)進行熱傳導(dǎo)分析。

2.2 模型參數(shù)

筏板模型計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

選擇散熱條件最差的節(jié)點作為水化熱分析節(jié)點,每個橫斷面各取1個節(jié)點,提取4個斷面筏板進行澆筑過程溫度變化分析,筏板1～4澆筑溫度變化曲線如圖2所示,圖中數(shù)據(jù)從混凝土澆筑工作完成后的14h開始,共歷時1 800h。筏板1,2澆筑7d溫度云圖如圖3所示。

圖2 筏板1～4澆筑溫度變化曲線Fig.2 Pouring temperature curve of raft 1～4

圖3 筏板1,2澆筑7 d溫度云圖(單位:℃)Fig.3 Temperature cloud diagram of raft 1, 2 poured for 7days(unit:℃)

2.4 結(jié)果分析

通過分析4個筏板溫度變化曲線,總結(jié)各筏板峰值溫度情況如表2所示。

表2 各筏板溫度峰值情況Table 2 Temperature peaks of each raft

1)由于混凝土水化熱反應(yīng),澆筑后的筏板1溫度隨時間快速上升,約于80h到達峰值,溫度約為52.3℃;達到峰值后,混凝土內(nèi)部溫度快速下降,直至澆筑300h后的溫度趨于平穩(wěn),約為27℃。

2)澆筑后的筏板2溫度隨時間快速上升,約于200h到達峰值,溫度約為59.6℃;達到峰值后,混凝土內(nèi)部溫度快速下降,直至澆筑300h后的溫度趨于平穩(wěn),約為26℃。

3)澆筑后的筏板3溫度隨時間快速上升,約于80h到達峰值,溫度約為52.3℃;達到峰值后,混凝土內(nèi)部溫度快速下降,直至澆筑300h后的溫度趨于平穩(wěn),約為27℃。

4)澆筑后的筏板4溫度隨時間快速上升,約于200h 到達峰值,溫度約為60.4℃;達到峰值后,混凝土內(nèi)部溫度快速下降,直至澆筑300h后的溫度趨于平穩(wěn),約為27℃。

3 大體積混凝土施工優(yōu)化控制措施

基于數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),大體積混凝土最主要的特點是水泥水化熱大,然而混凝土的導(dǎo)熱性能較差,使混凝土塊內(nèi)部溫度急劇升高,形成內(nèi)外溫差,造成混凝土開裂,因此需制定適宜的大體積混凝土施工優(yōu)化控制措施。

3.1 原材料選擇及配合比優(yōu)選

1)商品混凝土坍落度入泵時最高不超過18cm,最低不低于14cm。

2)混凝土采用雙摻法,即摻粉煤灰和減水劑。水泥選用表面積小的普通硅酸鹽水泥,強度等級為42.5,同時摻加適量的粉煤灰,減少水泥用量,降低水泥水化熱導(dǎo)致的溫度差。

3)混凝土粗骨料選用粒徑5～25mm的碎石花崗巖,砂選用水洗中砂。

最終確定的配合比為:水∶水泥∶砂∶石子∶粉煤灰∶水膠比=0.59∶1∶2.76∶4.32∶0.59∶0.49。

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為驗證采用雙摻法優(yōu)化后的混凝土溫控效果,本文選取3個測點,進行優(yōu)化前、后的混凝土溫度監(jiān)測試驗,如表3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙摻后確定的配合比能明顯降低混凝土水化熱溫度。

表3 2種方案下的混凝土水化熱溫度Table 3 The hydration heat temperature of concrete under two schemes

3.2 施工工藝控制措施

1)混凝土澆筑準備 為保證混凝土連續(xù)澆筑,根據(jù)混凝土澆筑需用量、天泵實際輸送能力、混凝土攪拌站距離、混凝土攪拌運輸車的平均車速等參數(shù)進行計算,對混凝土運輸車數(shù)量提出要求。

2)控制入模溫度 為降低混凝土澆筑后總溫升值,減小大體積混凝土的內(nèi)外溫差,從而減小拉應(yīng)力峰值,應(yīng)選擇合理的運輸路線,盡量縮短從出廠到混凝土澆筑的時間,同時應(yīng)盡量選擇在夜間澆筑。

3)確定澆筑順序 大體積基礎(chǔ)筏板混凝土常采用跳倉法進行澆筑。同時由于大體積混凝土澆筑量大、持續(xù)時間長、澆筑面積大,常選用分層連續(xù)澆筑。

4)澆筑中做好溫控措施 夏季上午10:00—下午5:00為高溫時段,混凝土澆筑時段安排下午18:00后開倉,并加大混凝土入倉強度,控制在次日上午10:00前收倉。同時,為保證混凝土在較低溫度下施工,澆筑過程中,應(yīng)根據(jù)倉號大小配置噴霧機,對作業(yè)面進行濕噴,使混凝土倉面氣溫保持在26℃以下。

3.3 大體積混凝土的動態(tài)養(yǎng)護技術(shù)

3.3.1技術(shù)特點介紹

GB 50496—2018《大體積混凝土施工規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范對大體積混凝土澆筑有以下規(guī)定:①混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50℃;②混凝土澆筑體里表溫差(不含混凝土收縮的當量溫差)不宜大于25℃;③混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2℃/d;④混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃。

因此,在大體積混凝土的養(yǎng)護過程中,基于數(shù)值模擬及監(jiān)測的大體積混凝土動態(tài)養(yǎng)護技術(shù)是非常必要的,首先需建立相關(guān)數(shù)值模型,預(yù)測澆筑后的大體積混凝土溫度及應(yīng)力;其次需采用一定的動態(tài)監(jiān)測儀器及手段對澆筑后的大體積混凝土溫度及應(yīng)力進行監(jiān)測,監(jiān)測自混凝土澆筑完成開始,直至混凝土塊體溫度趨于穩(wěn)定并接近周圍環(huán)境溫度時停止。

3.3.2現(xiàn)有技術(shù)問題

傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變及溫度的測量主要采用埋入式傳感器。然而,現(xiàn)有的埋入式傳感器難以在素混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)綁扎安裝,使用范圍大大受限;同時,受結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋布置的影響,應(yīng)變計的安裝方向也只能與鋼筋方向保持一致,無法測量空間其他方向的應(yīng)變,從而嚴重影響了后期對結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變的測量。

3.3.3裝置優(yōu)化措施

基于此,本文創(chuàng)新優(yōu)化了一種混凝土應(yīng)變監(jiān)測裝置,由上、下安裝桿,球形安裝支座,應(yīng)變及溫度監(jiān)測單元4部分組成,如圖4所示。

圖4 優(yōu)化裝置Fig.4 Optimization device

由于優(yōu)化后的裝置在球形安裝座表面均設(shè)置若干安裝螺口,當需要在混凝土內(nèi)部測定應(yīng)變及溫度時,可將應(yīng)變及溫度監(jiān)測單元安裝在球形支座不同位置的安裝螺口處進行測量,同時也可實現(xiàn)在同一測點處多個方向的應(yīng)變及溫度測量。

與此同時,各部件的連接均通過螺紋連接,連接牢固,混凝土澆筑時的施工荷載對該應(yīng)變計固定架的影響也較小,可顯著提高其測量精度。

3.3.4混凝土養(yǎng)護優(yōu)化措施

混凝土養(yǎng)護應(yīng)做到保溫和保濕均滿足要求。在混凝土終凝前覆塑料薄膜和混凝土終凝后澆水,保持表面混凝土處于潮濕狀態(tài)14d;同時,在混凝土澆筑完成24h后,通過覆蓋棉氈進行保溫,使大體積混凝土中心溫度和表層溫度之差小于25℃。

覆蓋澆水養(yǎng)護應(yīng)在混凝土澆筑完畢后的10～12h內(nèi)進行,若氣溫較高可縮短至2～3h,時間不得少于7d。

4 結(jié)語

1)各筏板的混凝土澆筑溫度到達峰值的時間主要為筏板混凝土澆筑后的60～200h,峰值溫度最高達60.4℃,各筏板溫度達到峰值后,混凝土內(nèi)部溫度均快速下降,4個筏板均為澆筑300h后溫度趨于平穩(wěn),約為27℃。

2)為合理控制混凝土溫度,可采用雙摻法進行混凝土配比,即摻粉煤灰和減水劑。水泥選用表面積小的普通硅酸鹽水泥,強度等級為42.5MPa,同時摻加適量的粉煤灰,減少水泥用量,降低水泥水化熱導(dǎo)致的溫度差。

3)首先需建立相關(guān)數(shù)值模型,預(yù)測澆筑后的大體積混凝土溫度及應(yīng)力;其次需采用一定的動態(tài)監(jiān)測儀器及手段對澆筑后的大體積混凝土溫度及應(yīng)力進行監(jiān)測,監(jiān)測自混凝土澆筑完成開始,直至混凝土塊體溫度趨于穩(wěn)定并接近周圍環(huán)境溫度時停止。