基础筏板大体积混凝土温度场分析及施工控制*

王洋洋

(中铁建设集团有限公司西北分公司,陕西 西安 710014)

0 引言

随着建筑结构复杂程度的不断提高,混凝土一次浇筑工程量越来越大,大体积混凝土的概念应运而生[1-3]。长期以来,我国混凝土领域的专家学者对大体积混凝土温控裂缝等内容进行了大量研究。林永秋等[4]根据温度裂缝控制的要求,对大体积混凝土内部温度、由温度引起的温度应力及最大伸缩缝间距进行了理论分析,提出了控制裂缝的主要措施,为高层建筑基础大体积混凝土施工提供重要的指导作用。王新刚等[5]基于ANSYS有限元软件进行大体积混凝土温度及应力场的分析,并将其应用在实际案例中。樊士广等[6]应用有限元软件MIDAS进行大体积混凝土施工仿真分析计算,并根据计算结果制定了相应的技术措施,以达到提高结构承载力和耐久性的目的。李保华[7]、杨栋等[8]分别针对水利工程、建筑工程的大体积混凝土结构,从混凝土配合比的设计方法、大体积混凝土结构的开裂防治关键技术进行了阐述。丁华营等[9]采用掺膨胀剂等技术进行医院直加机房防辐射大体积混凝土温度控制研究。

总结上述研究,大体积混凝土浇筑温度控制措施可从施工组织管理、浇筑施工工艺、混凝土养护措施3方面展开实施。然而,由于大体积混凝土结构本身和施工过程的复杂性及研究和实践的局限性等,仍需对大体积混凝土施工技术进行系统研究。

基于此,本文以大明宫雁塔购物广场地下车库工程为依托,对大体积混凝土筏板基础进行施工期的温度分析,总结大体积混凝土基础筏板无缝整浇施工工艺,以期为今后类似大体积筏板基础施工提供借鉴。

1 工程概况

大明宫雁塔购物广场地下车库工程位于陕西省西安市雁塔区。工程设计为3层地下车库,总建筑面积34 710.17m2,建筑长度178.3m、宽65.4m,层高5.1m(地下1层局部7.1m)。基础形式为筏式基础,埋深18m,框架抗震等级三级,筏板分区如图1所示。

图1 筏板分区示意Fig.1 Raft partition

2 基于数值模拟的大体积混凝土温度场分析

2.1 模型建立

基于数值模拟软件MIDAS进行混凝土水化热建模和分析,模型建立的基本步骤如下。

1)输入材料特性等基础计算参数。

2)划分单元,确定边界条件。

3)设计环境温度函数、对流系数函数。

4)定义单元对流边界。

5)输入固定温度。

6)输入热源函数之后分配给相应单元。

7)进行热传导分析。

2.2 模型参数

筏板模型计算参数如表1所示。

表1 计算参数Table 1 Calculation parameters

2.3 数值模拟结果

选择散热条件最差的节点作为水化热分析节点,每个横断面各取1个节点,提取4个断面筏板进行浇筑过程温度变化分析,筏板1～4浇筑温度变化曲线如图2所示,图中数据从混凝土浇筑工作完成后的14h开始,共历时1 800h。筏板1,2浇筑7d温度云图如图3所示。

图2 筏板1～4浇筑温度变化曲线Fig.2 Pouring temperature curve of raft 1～4

图3 筏板1,2浇筑7 d温度云图(单位:℃)Fig.3 Temperature cloud diagram of raft 1, 2 poured for 7days(unit:℃)

2.4 结果分析

通过分析4个筏板温度变化曲线,总结各筏板峰值温度情况如表2所示。

表2 各筏板温度峰值情况Table 2 Temperature peaks of each raft

1)由于混凝土水化热反应,浇筑后的筏板1温度随时间快速上升,约于80h到达峰值,温度约为52.3℃;达到峰值后,混凝土内部温度快速下降,直至浇筑300h后的温度趋于平稳,约为27℃。

2)浇筑后的筏板2温度随时间快速上升,约于200h到达峰值,温度约为59.6℃;达到峰值后,混凝土内部温度快速下降,直至浇筑300h后的温度趋于平稳,约为26℃。

3)浇筑后的筏板3温度随时间快速上升,约于80h到达峰值,温度约为52.3℃;达到峰值后,混凝土内部温度快速下降,直至浇筑300h后的温度趋于平稳,约为27℃。

4)浇筑后的筏板4温度随时间快速上升,约于200h 到达峰值,温度约为60.4℃;达到峰值后,混凝土内部温度快速下降,直至浇筑300h后的温度趋于平稳,约为27℃。

3 大体积混凝土施工优化控制措施

基于数值模拟分析发现,大体积混凝土最主要的特点是水泥水化热大,然而混凝土的导热性能较差,使混凝土块内部温度急剧升高,形成内外温差,造成混凝土开裂,因此需制定适宜的大体积混凝土施工优化控制措施。

3.1 原材料选择及配合比优选

1)商品混凝土坍落度入泵时最高不超过18cm,最低不低于14cm。

2)混凝土采用双掺法,即掺粉煤灰和减水剂。水泥选用表面积小的普通硅酸盐水泥,强度等级为42.5,同时掺加适量的粉煤灰,减少水泥用量,降低水泥水化热导致的温度差。

3)混凝土粗骨料选用粒径5～25mm的碎石花岗岩,砂选用水洗中砂。

最终确定的配合比为:水∶水泥∶砂∶石子∶粉煤灰∶水胶比=0.59∶1∶2.76∶4.32∶0.59∶0.49。

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为验证采用双掺法优化后的混凝土温控效果,本文选取3个测点,进行优化前、后的混凝土温度监测试验,如表3所示。结果发现双掺后确定的配合比能明显降低混凝土水化热温度。

表3 2种方案下的混凝土水化热温度Table 3 The hydration heat temperature of concrete under two schemes

3.2 施工工艺控制措施

1)混凝土浇筑准备 为保证混凝土连续浇筑,根据混凝土浇筑需用量、天泵实际输送能力、混凝土搅拌站距离、混凝土搅拌运输车的平均车速等参数进行计算,对混凝土运输车数量提出要求。

2)控制入模温度 为降低混凝土浇筑后总温升值,减小大体积混凝土的内外温差,从而减小拉应力峰值,应选择合理的运输路线,尽量缩短从出厂到混凝土浇筑的时间,同时应尽量选择在夜间浇筑。

3)确定浇筑顺序 大体积基础筏板混凝土常采用跳仓法进行浇筑。同时由于大体积混凝土浇筑量大、持续时间长、浇筑面积大,常选用分层连续浇筑。

4)浇筑中做好温控措施 夏季上午10:00—下午5:00为高温时段,混凝土浇筑时段安排下午18:00后开仓,并加大混凝土入仓强度,控制在次日上午10:00前收仓。同时,为保证混凝土在较低温度下施工,浇筑过程中,应根据仓号大小配置喷雾机,对作业面进行湿喷,使混凝土仓面气温保持在26℃以下。

3.3 大体积混凝土的动态养护技术

3.3.1技术特点介绍

GB 50496—2018《大体积混凝土施工规范》等相关规范对大体积混凝土浇筑有以下规定:①混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃;②混凝土浇筑体里表温差(不含混凝土收缩的当量温差)不宜大于25℃;③混凝土浇筑体的降温速率不宜大于2℃/d;④混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃。

因此,在大体积混凝土的养护过程中,基于数值模拟及监测的大体积混凝土动态养护技术是非常必要的,首先需建立相关数值模型,预测浇筑后的大体积混凝土温度及应力;其次需采用一定的动态监测仪器及手段对浇筑后的大体积混凝土温度及应力进行监测,监测自混凝土浇筑完成开始,直至混凝土块体温度趋于稳定并接近周围环境温度时停止。

3.3.2现有技术问题

传统的混凝土结构应力应变及温度的测量主要采用埋入式传感器。然而,现有的埋入式传感器难以在素混凝土结构内绑扎安装,使用范围大大受限;同时,受结构内部钢筋布置的影响,应变计的安装方向也只能与钢筋方向保持一致,无法测量空间其他方向的应变,从而严重影响了后期对结构内部应变的测量。

3.3.3装置优化措施

基于此,本文创新优化了一种混凝土应变监测装置,由上、下安装杆,球形安装支座,应变及温度监测单元4部分组成,如图4所示。

图4 优化装置Fig.4 Optimization device

由于优化后的装置在球形安装座表面均设置若干安装螺口,当需要在混凝土内部测定应变及温度时,可将应变及温度监测单元安装在球形支座不同位置的安装螺口处进行测量,同时也可实现在同一测点处多个方向的应变及温度测量。

与此同时,各部件的连接均通过螺纹连接,连接牢固,混凝土浇筑时的施工荷载对该应变计固定架的影响也较小,可显著提高其测量精度。

3.3.4混凝土养护优化措施

混凝土养护应做到保温和保湿均满足要求。在混凝土终凝前覆塑料薄膜和混凝土终凝后浇水,保持表面混凝土处于潮湿状态14d;同时,在混凝土浇筑完成24h后,通过覆盖棉毡进行保温,使大体积混凝土中心温度和表层温度之差小于25℃。

覆盖浇水养护应在混凝土浇筑完毕后的10～12h内进行,若气温较高可缩短至2～3h,时间不得少于7d。

4 结语

1)各筏板的混凝土浇筑温度到达峰值的时间主要为筏板混凝土浇筑后的60～200h,峰值温度最高达60.4℃,各筏板温度达到峰值后,混凝土内部温度均快速下降,4个筏板均为浇筑300h后温度趋于平稳,约为27℃。

2)为合理控制混凝土温度,可采用双掺法进行混凝土配比,即掺粉煤灰和减水剂。水泥选用表面积小的普通硅酸盐水泥,强度等级为42.5MPa,同时掺加适量的粉煤灰,减少水泥用量,降低水泥水化热导致的温度差。

3)首先需建立相关数值模型,预测浇筑后的大体积混凝土温度及应力;其次需采用一定的动态监测仪器及手段对浇筑后的大体积混凝土温度及应力进行监测,监测自混凝土浇筑完成开始,直至混凝土块体温度趋于稳定并接近周围环境温度时停止。