3.2万立方的混凝土是怎样控制裂缝的？

3.2万立方的混凝土是怎样控制裂缝的？
 

深圳平安金融中心工程主体结构屋顶总高度600m，建成后将成为深圳市的标志性建筑。平安金融中心主塔楼底板总面积约6800方，底板厚4.5m，为正八边形，单边跨度约85m，混凝土强度等级C40/P12（采用60d强度作为验收依据），坍落度要求为180±20mm，总浇筑方量约3.2万方。本项目属于超高层建筑，基础底板是典型的大体积混凝土结构，底板的施工质量对于整个建筑结构的安全性和耐久性有着至关重要的作用。主楼底板平面图如图1所示。

图1 主楼底板平面图
 

高性能混凝土配置

1、正交试验结果

对不同龄期的不同因素的影响程度排序结果如表1所示。

表1 各因素影响程度排序表

 

粉煤灰掺量和水胶比对强度的影响比较大，水泥的品种和胶凝材料的用量的影响较小。粉煤灰的早期活性很低，在复合胶凝材料水化的早期，粉煤灰的反应程度很低，此时粉煤灰主要起微集料填充的作用，因而随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的早期强度降低。

但是，粉煤灰的火山灰活性随着水化龄期的增长逐渐发挥，粉煤灰混凝土后期的强度增长的幅度大于纯水泥混凝土。

因此，如表1所示，粉煤灰掺量在3d、7 d和28d时，对强度的影响程度是最大的，而到60d时，粉煤灰掺量对强度的影响程度到了第二位。早期强度对于大体积没有特别的要求，但有非常苛刻的早期的温升要求。大掺量粉煤灰会使早期强度有所降低，但后期强度并不变化，为了可以明显降低混凝土的早期温升，所以使用大掺量粉煤灰。

水胶比对混凝土强度的影响程度在60d龄期时，是最大的。混凝土中的孔随着水胶比增大而增多，强度降低。因此，在配合比设计中，在满足混凝土的工作性的前提下，应尽可能降低混凝土的水胶比。

2、配合比总体设计思路

采用大掺量粉煤灰混凝土，不掺加膨胀剂。

用正交试验分析水胶比、粉煤灰掺量、胶凝材料用量、水泥品种的影响规律。以强度为指标。

设计若干组满足设计强度要求的混凝土配合比，以正交试验得出的规律为基础。

对设计的若干组混凝土进行重要性能的测试，将结果对比分析，得出最佳的配合比。实际配合比如表2所示。

表2 实际配合比

 

足尺模型试验与计算

1、足尺模型试验

现场模拟大体积混凝土的施工过程，采用足尺模型。选取与工程实际地基地质条件相似的位置，浇筑与底板厚度相同的立方体模型试块，把温度和应变传感器埋在模型内部和表面，测定模型内部和表面关键部位的温度和应变随时间的变化；同时测定模型周围的环境温度，进行有限元模拟计算，将结果与实测结果对比分析，对底板混凝土的抗裂性进行科学的评价，对混凝土结构的连续无缝施工工艺提供理论支持。

2、足尺模型模拟计算

根据模拟的结果，温度梯度越大，混凝土内各点由于温度变形不一致而引起的内约束力就越大，开裂的可能性就相对较大，因此有必要对大体积混凝土内的温度梯度予以重视。温度的绝对值对大体积混凝土的开裂影响并不大，特别是在远离边界约束的位置，混凝土开裂与否主要与内部的温度梯度有关。见图2～图5，温度梯度分布，分别是混凝土足尺模型内部在3d、15d、30d和60d时的。从计算结果来看，足尺模型内部的温度梯度无论是在温峰时刻还是在降温过程中都比较小，混凝土开裂的风险很低。

图2 3d的温度梯度分布

图3 15d的温度梯度分布

图4 30d的温度梯度分布

图5 60d底面的应力分布

图6 30d底面的应力分布

图7 60d底面的应力分布

 

图6和图7分别是足尺模型上表面30d和60d的应力分布图，其中右下角点是中心点。从应力分布图中可以看出，下表面的顶点和边缘处的应力较大。

根据有限元计算结果，最大应力出现在足尺模型的上表面。

由结果可知，混凝土开裂的风险很小，可以不采取其他抗裂措施。各点的拉应力均小于混凝土的抗拉强度。

3、足尺模型试验与计算总结

对大体积混凝土试块60 d内的温度变化进行了监测表明，如果正式底板施工时混凝土入模温度为25℃，那么温升后混凝土内的最高温度不会超过85℃，且任意两点的最大温差也不会超过30℃。混凝土内的最高温度为64.5℃，绝对温升为41.25℃，混凝土内各点的最大温差低于30℃。因此，满足设计中对于混凝土温度的要求。

根据混凝土的绝热温升和试块的边界条件，进行了混凝土试块的温度场模拟，并与实测结果进行对比，模拟计算结果与实测值符合得较好。

因此，在实际底板施工前，可以用同样的方法对底板的温度场进行数值模拟，以更好的了解底板中温度的变化情况。

本试验根据混凝土内的温度场，对大体积混凝土试块60d内的应变变化进行了监测，对于应力应变进行了数值模拟。

考虑到计算偏于保守，且实际底板中有大量配筋，因此可以认定在现有的配合比、施工和养护条件下，混凝土开裂的可能较小，可以不采取其他的抗裂措施。

根据计算结果进行开裂风险分析，发现拉应力最大值出现在混凝土冷却过程中的下表面，且最大拉应力小于抗拉强度。

板的连续无缝快速施工

本工程创新性地采用溜槽施工工艺和斜面分层浇筑法对底板进行一次性连续无缝浇筑。浇筑速度大于500m3/h，大大提高了混凝土的浇筑速度，保证在下层混凝土未初凝之前施工完上层混凝土，使先后浇筑的混凝土之间能很好地结合，避免出现浇筑过程中的冷缝（见图8）。

大体积底板混凝土一次性浇筑方量大，在现场组织，浇筑质量等方面给施工组织提出很高的要求，大部分工程需要在底板中设置施工缝和后浇带，或者采用分层浇筑，且浇筑方式为泵送施工。

图8 浇筑现场全景

图9 测温点平面布置图

 

底板混凝土养护与测温

1、混凝土养护现场照片

保温养护的持续时间不得少于14d。当混凝土内外温差较大时，应适当增加保温措施，内外温差较小时，可适当减少保温措施。

底板混凝土浇筑完毕后，立刻铺设保温层（如：铺设塑料布、麻袋、草帘被或进行蓄水养护），并安排专人洒水养护，并根据预先埋设的测温线，对混凝土进行测温监控。待混凝土中心温度开始下降，混凝土表面温度与环境最大温差小于20℃时，方可拆除保温层。

2、底板测温

底板测温点的平面布置图如图11所示。其中，测温点2、3、4热电偶感应头位置分别设在底板表面向下50～100mm，底板底面向上50～100mm和底板中心位置，其余点每间隔1100mm布置1个，共5点，测温点1、5热电偶感应头位置设在底板上下表面向内50～100mm和底板中心，共3点。

测温结果显示，从浇筑到底板冷却的任意时刻，底板内各点之间的温度差符合规范要求。

钻芯取样结果

在底板浇筑60d后，从底板的侧面向内部钻芯取样，试样进行相关的微观结构和宏观性能分析（见图10）。

图10 转芯取样
 

从采用扫描电子显微镜对混凝土进行微观结果分析后，可以看出，浆体结构致密，粉煤灰颗粒紧密填充在硬化浆体中，起到了很好的填充效果，并且大量粉煤灰的表面已经与水泥水化生成的氢氧化钙晶体发生了反应，既增加了体系的凝胶量，又改善了混凝土的界面过渡区。粉煤灰既起到很好的物理填充作用，又起到了很好的化学作用。

结语

大体积混凝土底板连续无缝施工技术通过北京国贸三期、天津津塔、深圳平安金融中心的应用成功，使得该技术已经在大体积底板中广泛应用。深圳平安金融中心通过对于混凝土配合比的足尺模型的正交试验及温度模拟计算，得出了适合本工程使用的配合比，并在施工过程中用溜槽施工工艺和斜面分层浇筑法对4.5m厚底板进行一次性连续无缝浇筑，避免了浇筑过程中冷缝的出现。浇筑完成之后，养护措施的完善以及后期测温的严格执行，保证了工程整体质量良好。