超高層超厚筏形基礎混凝土施工關鍵措施分析

張振宇，景朋濤，詹正書，劉曉輝，高 騰

（陜西建工第一建設集團有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

隨著社會的發展，城市用地愈發緊張，超高層建筑已經成為城市的主要建筑［1］。超高層建筑的質量關鍵部分為建筑基礎，超高層筏形基礎是典型的大體積混凝土結構。

大體積混凝土施工的關鍵在于控制混凝土內部溫度場，使得混凝土溫度梯度分布合理。采用的措施包括：明確混凝土厚度進行熱工計算、優化配合比降低混凝土絕熱溫升、有限元模擬或理論計算預測混凝土內溫度場分布、控制合適的澆筑速度保證混凝土質量的同時使混凝土有效散熱、根據溫度監測實時反應混凝土內部溫度場情況，采取合理的養護措施調控混凝土內部溫度場［2，3］。

本文根據筏板的實際散熱條件，采取合適的計算方式確定超厚筏板散熱厚度，避免養護措施不到位造成溫度裂縫或散熱不到位。并根據筏板尺寸提出了混凝土最佳澆筑速度的計算方式，最后闡明了混凝土添加劑中高性能膨脹劑、抗裂纖維的適用條件，同時分析了目前混凝土測溫與養護的最優方式。

1 大體積混凝土現存施工問題

1.1 大體積混凝土散熱厚度的計算

混凝土厚度指的是混凝土最窄邊的尺寸，它是判定大體積混凝土的重要依據，同時也是大體積混凝土溫度峰值、溫差等理論計算的重要依據，因此，在大體積混凝土施工前需要判定大體積混凝土的計算厚度。然而在超高層基礎中往往存在著大量的集水坑、電梯井坑，此類坑壁往往是良好的散熱界面，筏板散熱時如果忽略該部分的散熱，就會導致散熱厚度計算過大，實際的溫度梯度大于計算的溫度梯度，從而未采取必要的養護措施，導致坑壁出現大量的溫度裂縫，危害結構安全。因此超高層筏形基礎混凝土厚度計算時應考慮不同區域的散熱情況，不能簡單地以基礎厚度作為大體積混凝土計算厚度。

1.2 大體積混凝土澆筑速度的選擇

大體積混凝土澆筑時應根據現場情況提前規劃澆筑順序、澆筑方向和澆筑速度，其中澆筑速度對混凝土后期質量有著較大的影響。若澆筑速度過慢，混凝土在澆筑過程中將發生初凝，導致水平或斜向施工縫的產生，危害結構安全；若澆筑速度過快，將大大減少混凝土在澆筑過程中的散熱量，導致大體積混凝土在澆筑完成后核心溫度過高，導致大體積混凝土表面和內部溫差過大，從而產生溫度裂縫。

1.3 大體積混凝土溫度測量

目前大體積混凝土主流的測溫方式是一種先在混凝土內埋置內徑為 15～20 mm 的金屬保溫管隨后將電子測溫計放置于管內進行測溫。

該方法雖然可以使測溫計重復使用，在一定程度上節約了成本，但是該方法所測得的溫度是金屬管內空氣的溫度。管內空氣溫度是由混凝土傳遞給金屬管，再由金屬管傳至空氣，在此傳遞過程中，存在著一定的能量損耗。而且管內的空氣由于溫度分布不均勻且存在著較大的溫差（10～20 ℃），冷熱空氣會發生對流，對流的產生會進一步縮小混凝土核心和內部的溫差，最終導致測量的數據沒有參考價值。而且預埋保溫管將會成為基礎滲水的潛在風險點。由于底層測點需測量距離混凝土底部 50 mm 溫度，因此預埋管需至少伸至距離混凝土底部 50 mm 處，且預埋管道貫通設置，成為潛在的滲漏風險點。

1.4 大體積混凝土配合比

大體積混凝土配合比需要考慮混凝土體量、澆筑時間、澆筑地點等因素，以降低混凝土的最大溫升值進而縮小混凝土表里溫差，避免溫度裂縫產生。目前，在大體積混凝土配合比設計中，為了增加混凝土抗裂性能往往摻加一定比例的高性能膨脹劑和抗裂纖維［4］。

高性能膨脹劑主要組分包含氧化鈣和硫鋁酸鈣，具有補償收縮的作用［5］。但是高性能膨脹劑必須要與足量的水反應才能發揮出原有的功能，但是對于大體積混凝土而言，混凝土整體處于缺水狀態，混凝土養護的一個主要作用即為保濕。此外，大體積混凝土厚度較大，內部的含水量不易隨外界環境及養護措施的變化而變化。在上述情況下，由于沒有足量的水膨脹劑性能不能有效發揮，另一方面膨脹劑消耗一定量水后影響混凝土內部其他水化反應。而且膨脹劑成分中氧化鈣等組分在發揮補償膨脹作用的同時會散發一定量的熱量，不僅對大體積混凝土溫度控制不利，也會對膨脹劑的限制膨脹率具有很大影響［6］。

抗裂纖維可以大大提高梁、板混凝土早期抗裂性能。然而目前并沒有證據表明抗裂纖維對于超厚混凝土整體可以有效起抗裂作用。同時，抗裂纖維會影響混凝土坍落度、流動性、可泵性，且摻加量越大混凝土坍落度越小、流動性越差、泵送性越差。大體積混凝土對混凝土坍落度具有嚴格要求，此外大體積混凝土澆筑往往需要進行長距離、長時間泵送，抗裂纖維素將對混凝土泵送產生很大的不利影響。

2 大體積混凝土施工問題的解決方法

2.1 大體積混凝土散熱厚度的計算方法

對于大體積筏形基礎，內部存在多個大面積電梯坑、集水坑等散熱邊界，不能再用傳統方法計算混凝土厚度。本文以西安市曲江·云松間項目 9# 樓為例，筏板特征如下：核心筒區域筏板厚度為 9.9 m，外框柱部分筏板厚度為 4 m。在核心筒部分由于存在大量電梯井、集水井，混凝土形狀較為復雜。以其中一個電梯井為例，此處二維圖及三維圖如圖1 所示。在電梯井基礎處尋找最大立方體，得到此立方體邊長為 5.737 m。因此，進行熱工計算時筏板計算厚度為 5.737 m。

圖1 筏板厚度示意（單位：mm）

因此，在進行混凝土厚度計算時既不能把基礎大面厚度作為混凝土厚度，也不能以混凝土頂標高減底標高作為混凝土厚度，應當以筏板內最大立方體邊長作為混凝土厚度。

2.2 大體積混凝土的最優澆筑速度

控制混凝土的澆筑速度可有效地散發混凝土的水化熱，混凝土澆筑速度越慢，混凝土散熱時間越多，散熱量越大，這對于混凝土內部溫度的峰值起著關鍵作用。但是澆筑時間過慢，混凝土又會發生初凝，因此需要找出混凝土的最佳澆筑速度，這對于筏形基礎的質量有著十分重要的意義。

混凝土澆筑示意如圖2 所示，在下層混凝土臨近初凝時澆筑上層混凝土，采用此種方法可以將混凝土熱量有效散發。

圖2 筏板澆筑過程示意

澆筑速度為澆筑方量除以澆筑時間，則澆筑速度如公式（1）所示。

式中：v為混凝土澆筑速度；Q為混凝土澆筑方量；T為混凝土澆筑時間。

對于澆筑時間，GB 50496－2018《大體積混凝土施工標準》要求大體積混凝土澆筑需要在下層混凝土初凝前完成上層混凝土澆筑［7］。因此，單層混凝土最大澆筑時間如公式（2）所示。

式中：t混凝土初凝時間；t1混凝土從開始攪拌到開始澆筑時間。

對于澆筑方量，GB 50496－2018《大體積混凝土施工標準》要求采用斜面分層澆筑時單層澆筑厚度為 300～500 mm。而混凝土斜面坡度可根據混凝土坍落度和坍落擴展度確定，結合圖3 可知混凝土整體斜面坡度如公式（3）所示。

圖3 水平測溫點布置（單位：mm）

式中：α混凝土斜面角度；s為混凝土坍落度；D為混凝土擴展度。

同時，按上式計算混凝土斜坡坡度基本維持在1∶7～1∶8，與實際情況相符［8］。綜上單層澆筑的混凝土方量如公式（4）所示。

式中：y表示混凝土短邊邊長；z為混凝土平均高度；h為混凝土單層澆筑厚度。

聯立式（1）、（2）、（4）可得混凝土最佳澆筑速度如公式（5）所示。

式中：vop為混凝土最佳澆筑速度。

2.3 大體積混凝土測溫改進

結合曲江·云松間項目新方法的嘗試和鴻瑞天成（北區）綜合體項目的實踐，對于超高層超厚筏形基礎混凝土溫度的測量可通過直接埋設測溫計進行量測。

將電子測溫計埋置于混凝土內時需要提前將測溫傳感器及導線與鋼筋用軋帶綁扎固定并預埋至指定位置［9］。利用此方法可使測溫計直接與混凝土接觸，測溫計可直接測量混凝土溫度，且測量數據更加準確，同時也規避了潛在滲水點的風險。

2.4 大體積混凝土配合比改良

大體積混凝土一般采用高性能膨脹劑和抗裂纖維作為添加劑改善混凝土澆筑后的性能，但是基于曲江·云松間項目和鴻瑞天成（北區）綜合體項目的超高層建設經驗，上述兩種添加劑并不能明顯地提升混凝土的抗裂性能，并且上述兩種添加劑價格昂貴，大大增加了施工成本。因此，在曲江·云松間 1# 樓施工結束后，后續超高層筏形基礎的施工中并未再使用上述添加劑。

3 大體積混凝土施工的討論與分析

為保證超高層筏形基礎的質量，本文針對上述大體積混凝土施工問題提出了一系列的解決方案，并通過工程實踐證實上述方案的可行性，為今后超高層筏形基礎施工提供了十分重要的參考依據。

3.1 大體積混凝土溫度分析

電子測溫計埋置決定了后續混凝土溫度是否能成功采集，電子測溫計的破壞大都發生于混凝土澆筑時。因此在澆筑混凝土時應保證澆筑點與測溫點的安全距離，避免電子測溫計破壞。在曲江·云松間項目和鴻瑞天成（北區）綜合體項目中采用該方法進行筏板基礎測溫，并未發生測溫點失效的情況。

混凝土里表溫差是混凝土溫度控制的重要指標之一。在 GB 50496－2018《大體積混凝土施工標準》中規定混凝土里表溫差不超過 25 ℃。在 GB 50496－2018《大體積混凝土溫度測控技術規范》中規定混凝土表里溫差與混凝土厚度相關，＜1.5 m 時不超過 20 ℃，介于 1.5 m 與 2.5 m 之間時不超過 25 ℃，＞2.5 m 時不超過 28 ℃［10］。對于大體積混凝土而言，溫度控制的要點在于單位高度內的溫度的變化，因此里表溫差等溫控指標與混凝土厚度有直接關系［11，12］。

利用新的筏板厚度計算方法之后，超高層筏板厚度往往會大幅度變薄，如圖1 筏板基礎核心筒區域厚度為 9.9 m，采用新的筏板計算方法之后，筏板厚度為 5.737 m，減少了 42 %。此時仍采用筏板的真實厚度控制混凝土里表溫差顯然會使溫差過大導致混凝土產生溫度裂縫。除此之外，在筏板基礎真實厚度與計算厚度不一致時，還應增加水平測溫點，如圖3 所示，控制水平向的溫度差，避免電梯坑等四周出現垂直溫度裂縫。

混凝土內部溫度由混凝土放熱及散熱量決定。以曲江·云松間項目為例，該項目筏形基礎混凝土澆筑時澆筑速度采用理論最優澆筑速度，并將理論及實測混凝土溫度變化進行對比，筏板溫度理論及實測變化趨勢如圖4 所示?；炷翝仓瓿蓵r混凝土內部溫度最大值及混凝土溫度峰值之間的比值，理論計算值為 65.5 %、實測值為 94.9 %，上述比值表明在混凝土澆筑期間混凝土已經散發了絕大部分的熱量。

圖4 筏板溫度變化

因此，控制好混凝土的澆筑速度關乎到其是否在澆筑期間及時、有效地散失一部分熱量，這對于混凝土內部溫度的峰值起著關鍵作用。

3.2 大體積混凝土質量分析

大體積混凝土質量主要在于養護完成之后是否有裂縫產生，曲江·云松間項目和鴻瑞天成（北區）綜合體項目基于上述新理論與新方法，對大體積混凝土采用相應的養護方法，在筏形基礎養護結束之后并未發現裂縫等質量缺陷，并與曲江·云松間 1# 樓筏形基礎進行對比，結果表明未添加混凝土添加劑的筏形基礎質量與摻有添加劑的混凝土幾乎相同。

4 結論

本文從大體積混凝土計算厚度、配合比、澆筑速度、測溫等方面進行了分析，為后續大體積混凝土施工提供幫助。主要研究結果如下。

1）筏板厚度是大體積混凝土相關分析的重要依據，筏板厚度等于筏板內最大立方體的邊長，需特別注意超高層基礎中電梯井處的厚度計算。

2）在大體積混凝土中加入高性能膨脹劑時需要進行論證分析，不推薦在大體積混凝土中加入抗裂纖維。

3）大體積混凝土澆筑速度可以從一定程度上影響混凝土溫度峰值，應當將混凝土澆筑速度控制在合理的范圍，因此提出了一種混凝土澆筑速度計算的估算方法。

4）為確保數據準確，應當采用將電子測溫計埋置于混凝土內的方式進行溫度測量。同時溫控指標與筏板厚度相關，應當進行深入研究。

5）綜合采用本文方法對筏形基礎進行質量控制，可大幅度提升超高層筏形基礎的施工質量。Q