超高层建筑底板具有结构超厚、体量巨大等特点, 大体积混凝土施工技术尤为关键。大体积混凝土水化凝固时释放出大量热量, 由于结构体积大, 大体积混凝土内外散热速率不同, 从而产生很大的温差, 导致混凝土产生拉应力, 极易产生裂缝。底板开裂将影响结构的受力性能并造成地下水渗漏, 探究大体积混凝土温度裂缝的控制技术非常重要。目前有文献对国内部分超高层建筑大体积混凝土施工技术进行了报道^{[1,2,3,4,5,6]}, 有学者^[7,8,9,10]以瞬态热传导方程和有限元模型为基础, 对大体积混凝土水化热温度场进行了数值计算和分析。结果表明采取有效措施能够保证大体积混凝土施工质量, 采用有限元软件能够对大体积混凝土的浇筑温度场进行仿真分析。本文以南宁华润中心东写字楼超高层项目为例, 结合本项目工程实际, 介绍了其超厚底板大体积混凝土温度裂缝控制措施。

南宁华润中心东写字楼项目塔楼地下3层, 地上86层, 建筑高度约403m, 塔楼底板面积约4 810m², 底板厚度变化多, 分别为5, 4, 3, 2~4m等, 电梯井深度为6.8m, 电梯井侧壁厚度为11.8m, 混凝土强度等级为C40, 抗渗等级为P10, 混凝土浇筑总量达2.3万m³, 一次性浇筑完成。

1) 水泥应选用中低水化热的品种, 尽量减少单位体积混凝土的水泥用量, 本工程选用华润水泥“红水河”牌P·O 42.5。

2) 掺入适量的粉煤灰, 不仅能减少混凝土用水量, 而且可代替部分水泥, 减少水化热, 本工程选用钦州蓝岛环保材料Ⅱ级粉煤灰。

3) 加入适量的矿粉能提高混凝土致密性、抗渗性和耐久性, 本工程选用广西防城源盛-S95 (矿粉) 。

4) 骨料应选用粒径大且拌合后致密的骨料, 能减少用水量, 在水灰比不变的情况下, 减少水泥用量。本工程粗骨料选用5~31.5mm连续级配碎石, 碎石强度比卵石高, 可减少水泥用量;细骨料选用细度模数为2.8~3.0的中粗砂。

5) 外加剂采用缓凝高效减水剂, 以减少水及水泥用量, 减缓水化热释放速率, 推迟水化热峰值的出现, 本工程选用南宁某公司生产的YZ-1缓凝高效减水剂。

6) 水应尽量降低温度, 从而控制混凝土的出机温度, 本工程用水为南宁市自来水。

考虑混凝土配合比对混凝土强度、和易性和绝热温升的影响, 开展正交试验, 在实践中检验设计配合比的合理性, 确定最终配合比, 水胶比0.29, 砂率42%, 如表1所示。根据预拌混凝土配合比报告, 混凝土28, 60d抗压强度分别为37.2MPa和45.7MPa, 坍落度为190mm, 抗渗等级达到P10。混凝土绝热温升采用广西大学实验室的IMHR-A绝热温升测定仪测定, 初始温度约为26℃, 温升峰值为75.2℃, 绝热温升为49.2℃。

为全面了解本工程超厚底板大体积混凝土内部温度分布及变化规律, 评估混凝土配合比设计的合理性, 课题组采用有限元软件ANSYS对底板浇筑后的温度场进行模拟预测分析。

选取底板及其下部适量土体建立足尺模型, 底板模型考虑了结构厚度变化和6.8m深电梯井。有限元模型选用Solid70三维热单元, 采用自由网格划分的方法, 混凝土模型各单元长、宽和厚度方向均为1m, 如图1所示。

混凝土比热容、导热系数和密度可由混凝土各组成成分的质量百分比按加权平均方法计算得出, 地基土的热力学参数由工程勘察报告得到。本工程材料的主要热力学参数如表2所示。

模型的初始条件为计算开始时底板混凝土和地基土内部温度分布, 混凝土的初始温度为浇筑温度, 地基土的温度场为稳态温度场计算结果, 该稳态温度场以地表温度和深层稳定温度为计算基础。本工程浇筑温度取为26℃, 地表温度为26℃, 深层土的稳定温度为24℃。

混凝土顶面和侧面与空气接触, 两者在边界上存在热对流, 可输入对流系数和环境温度, 将对流边界条件作为面荷载施加于模型表面, 对流系数可按式 (1) 计算, 环境温度取平均气温26℃;混凝土与地基土接触界面存在热传导, 可为每个接触域定义热接触传导 (TCC) , 模拟固体界面间热传导。

式中:δ_i为模板及各种保温材料的厚度;λ_i为模板及各种保温材料的导热系数, 底板顶面覆盖塑料薄膜, 侧面为砖胎模;β_q为固体在空气中的放热系数, 可取2 016k J/ (m²·d·℃) 。

混凝土水化过程中的热源为水泥水化热, 本文采用指数式水泥水化放热经验公式进行仿真模拟, 如式 (2) 所示:

式中:Q (t) 为1kg水泥累计水化热;t为龄期;Q₀为每kg水泥散热量;m为水化热系数。

在ANSYS中, 不能把计算出的水化热放热率直接施加在模型上, 计算中的热源需要通过混凝土生热率HGEN来施加。

式中:Q_h (t) 为混凝土中产生的热量;θ (t) 为混凝土龄期为t时的绝热温升;C为混凝土的比热容;ρ为混凝土的重力密度;W为每m³混凝土胶凝材料用量;F为单位体积混凝土混合材料用量;k为折减系数, 对于粉煤灰取为0.25。

联立式 (2) , (3) 和 (5) , 可得:

根据绝热温升试验结果, 由式 (4) 可求得Q₀=358.3k J/kg, 根据式 (6) 可得:

热源随着时间在不断变化, 利用ANSYS提供的函数功能和表格施加荷载技术可以很方便地设定混凝土的热生成率, 将热源作为体荷载施加于结构模型中。

以d作为计算单位, 确定加载时间为30d。荷载子步长取为0.1d。

图2为模拟计算得到的混凝土内部温度等值线。由图2可见, 随着混凝土龄期的增加, 混凝土内部各点的温度表现为先上升后下降。第1天温度上升速率最快, 温升达到34℃, 约为总温升的71%;第3天温升达到44℃, 约为总温升的92%;第6天温升达到峰值74.5℃, 总温升为48.5℃, 满足GB50496—2012《大体积混凝土工程施工规范》宜≤50℃要求;温度达到峰值后开始逐渐下降, 降温速率<2℃/d。

图3为部分测点混凝土竖向温度曲线。由图3可见, 4号和6号测点竖向温度曲线在顶部和底部呈向左弯曲状, 原因是顶部和底部混凝土与外界环境接触, 散热比中部混凝土快。3号测点竖向温度曲线在顶部、中部和底部均出现向左弯曲状, 原因是3号测点靠近电梯井, 电梯井深度为6.8m, 井底混凝土表面与空气接触, 该深度位置混凝土散热快。底板混凝土的里表温差<25℃, 满足规范要求。第1天时, 曲线中部较平直, 混凝土散热较小, 底板中部温度梯度很小;第3天时, 曲线呈抛物线状, 混凝土通过边界面散热, 温度梯度逐渐增大, 且边界处温度梯度最大;第7, 14天和28天时, 曲线仍旧呈抛物线状, 但是顶部温度梯度比底部更大, 究其原因是底板底部土体温度上升, 导致底部混凝土与土体的热交换速率降低。

本次大体积混凝土浇筑采用溜管配合地泵及汽车泵的方式进行, 浇筑峰值强度可达到400m³/h, 搅拌站供应能力为550m³/h, 能够保证混凝土进行高强度不间断浇筑。

混凝土浇筑是裂缝控制的关键环节, 提高大体积混凝土浇筑质量对于温度裂缝控制具有根本意义。混凝土浇筑前, 现场随机抽样进行坍落度及扩展度试验, 以避免堵管情况发生。混凝土浇筑顺序遵循先低位后高位的原则, 采用斜面分层法浇筑, 坡顶、坡中和坡底分别布置1台振捣棒, 振捣时以快插慢拔为原则, 每个振捣点振动20~30s, 间距为1.5R (R为作用半径) , 上层混凝土振捣时需插入下层50mm, 防止冷缝的产生。

1) 混凝土养护本工程底板大体积混凝土浇筑时间为11-14—11-16, 该时段南宁平均气温为20℃, 温度尚高。混凝土二次抹压完毕后采用塑料薄膜加以覆盖、保湿, 养护时间≥14d。

2) 混凝土测温现场根据GB50496—2012《大体积混凝土工程施工规范》布置了8个测温点, 共计32个温度探头。利用CW-A智能测温仪配套转换箱实时监测混凝土中心温度、表层温度和表层上方大气温度, 以温升值≤50℃、里表温差≤25℃、表面与大气温差≤20℃和降温速率≤2℃/d 4个指标进行温度控制。测温点平面布置如图4所示。

6号测点温度仿真预测结果与实测数据对比如图5所示。由图5可见, 仿真预测结果与实测数据吻合较好, 表明本文利用ANSYS有限元软件计算底板大体积混凝土温度场的方法是可行的, 根据仿真计算结果预测底板温度场分布情况是可行的。

1) 利用ANSYS有限元软件对底板大体积混凝土温度场预测分析是可行的。

2) 实践证明该套施工技术能够有效控制温度裂缝的产生, 保证超厚底板大体积混凝土施工质量。