深圳京基金融中心底板高強(qiáng)大體積混凝土的配制與裂縫控制實(shí)踐
2023-11-10
深圳京基金融中心底板高強(qiáng)大體積混凝土的配制與裂縫控制實(shí)踐
高芳勝，尤立峰
（深圳市安托山混凝土有限公司，廣東 深圳 518040）
摘要：在不摻膨脹劑、冰屑、不設(shè)冷卻管、不摻纖維、不施加預(yù)應(yīng)力的情況下，通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比，改進(jìn)施工工藝，采取有效的養(yǎng)護(hù)措施，加強(qiáng)溫控監(jiān)測(cè)，能很好地解決深圳京基金融中心工程高強(qiáng)大體積混凝土C50P10的裂縫控制問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：大摻量礦渣粉和粉煤灰；裂縫控制；混合砂
0 前言
近年來(lái)，隨著我國(guó)超高層建筑的不斷開(kāi)工，建筑的高度不斷被刷新，其基礎(chǔ)底板受力狀態(tài)不斷加重，結(jié)構(gòu)越來(lái)越厚，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越來(lái)越高，總膠凝材料用量越來(lái)越多，混凝土水化熱更高，更加不利于大體積混凝土的溫度裂縫控制。而裂縫的產(chǎn)生原因與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配比設(shè)計(jì)、原材料控制、施工管理技術(shù)、環(huán)境狀態(tài)等諸多因素有關(guān)，裂縫控制是一個(gè)高度綜合性的系統(tǒng)工程，必須由多個(gè)專業(yè)的良好配合才能取得裂縫控制的成功[1]。本文主要通過(guò)對(duì)混凝土配比、質(zhì)量控制、施工養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行分析，探討有效控制大體積混凝土裂縫的措施。
1 工程概況
京基金融中心位于深圳市羅湖區(qū)蔡屋圍，占地面積約4.7萬(wàn)平方米，總建筑面積約60萬(wàn)平方米，總投資約50億元人民幣，其中A座主塔樓高439m，地下4層，地上98層，建筑面積為24萬(wàn)平方米，新樓與地王大廈相依相偎，將成為深圳又一標(biāo)志性建筑（圖1），預(yù)計(jì)2011年建成并投入使用。本工程由深圳市京基房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司開(kāi)發(fā)，由深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，由中國(guó)建筑第四工程局有限公司施工總承包，大底板的混凝土由深圳安托山混凝土有限公司供應(yīng)。
主塔樓大底板中間核心筒部位厚度為4500mm、外框筒部位厚度為4000mm、再向外厚度變成2000mm，東西方向長(zhǎng)67.5m，南北方向長(zhǎng)57.3m，面積約3868m2，總混凝土方量超過(guò)1.3萬(wàn)m3，混凝土等級(jí)為C50P10，屬于超長(zhǎng)、超寬的高強(qiáng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)，控制裂縫的技術(shù)難度較高。大底板與四周的支護(hù)樁或裙樓底板之間設(shè)有800mm寬的后澆帶。攪拌站距離該工程14公里，運(yùn)輸時(shí)間約30分鐘，底板施工局部圖如圖2。
2 配合比設(shè)計(jì)的主要指導(dǎo)方針和指標(biāo)要求
根據(jù)以前大體積混凝土開(kāi)裂的經(jīng)驗(yàn)，影響裂縫控制的主要因素可分為材料、結(jié)構(gòu)及施工三方面。從材料方面，引起混凝土裂縫的主要原因是水泥及膠凝材料的水化熱和收縮，必須采取有效措施降低水化熱和收縮作用，盡可能減少水泥的用量和膠凝材料總量，嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量，特別是粗細(xì)骨料的含泥量，對(duì)于水泥及礦物摻合料的成分必須進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，盡可能減少單方用水量，適當(dāng)選擇大體積混凝土的水膠比，保證混凝土不僅有良好的抗壓強(qiáng)度，還應(yīng)當(dāng)有良好的抗折強(qiáng)度（彎拉強(qiáng)度），為此利用混凝土的90d后期強(qiáng)度代替常用的28d強(qiáng)度，嚴(yán)格控制坍落度和硬化時(shí)間，選用高效減水劑，最后使高強(qiáng)大體積混凝土不產(chǎn)生由于自約束及外約束引起的有害裂縫。
經(jīng)項(xiàng)目部與設(shè)計(jì)、監(jiān)理、混凝土公司反復(fù)溝通，決定采用混凝土的90d強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行混凝土的試配、評(píng)定和驗(yàn)收，并確定混凝土的技術(shù)指標(biāo)要求如下：
（1）等級(jí)：C50P10（強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：90d標(biāo)養(yǎng)立方體抗壓強(qiáng)度）。
（2）坍落度：140～180mm。
（3）坍落度經(jīng)時(shí)損失≤30mm/2h。
（4）初凝時(shí)間：20～22h;終凝24～26h。
（5）和易性良好，無(wú)離析泌水現(xiàn)象。
3 原材料
（1）水泥：采用日本進(jìn)口的小野田P.O42.5級(jí)水泥，其有關(guān)性能指標(biāo)如表1所示。該水泥質(zhì)量穩(wěn)定，從生產(chǎn)到使用的降溫期長(zhǎng)，確保連續(xù)生產(chǎn)使用過(guò)程中水泥攪拌機(jī)的入機(jī)溫度小于30℃，有效降低混凝土的出機(jī)溫度。
表1 水泥性能指標(biāo)
比表面積（m2/kg） | 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量（%） | 安定性 | 凝結(jié)時(shí)間 (min) | 抗壓強(qiáng)度 (MPa) | 抗折強(qiáng)度 (MPa) | 水化熱 (kj/kg) | ||||
初凝 | 終凝 | 3d | 28d | 3d | 28d | 3d | 7d | |||
345 | 25.6 | 合格 | 130 | 195 | 35.1 | 61.8 | 6.6 | 9.3 | 242 | 296 |
（2）礦渣粉：采用廣東韶關(guān)鋼鐵廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉，其性能指標(biāo)如表2所示。
表2 S95級(jí)礦粉性能指標(biāo)
比表面積（m2/kg） | 密度 （g/cm3） | 燒失量（%） | 含水量（%） | SO3（%） | 流動(dòng)度（%） | 活性指數(shù) | |
7d | 28d | ||||||
420 | 2.85 | 0.25 | 0.30 | 0.04 | 105 | 78 | 104 |
（3）粉煤灰：采用深圳媽灣電廠生產(chǎn)的F類I級(jí)，其性能指標(biāo)如表3所示。
表3 I級(jí)粉煤灰性能指標(biāo)
細(xì)度（%） | 需水量比（%） | 燒失量（%） | 含水量（%） | SO3（%） | 游離氧化鈣(%) |
8.0 | 94 | 1.90 | 0.6 | 2.2 | 0.27 |
（4）砂子：采用天然中砂與機(jī)制砂按7:3比例混合而成的混合砂，摻用機(jī)制砂有利于提高混凝土的稠度，使混凝土不容易離析、泌水，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，其性能指標(biāo)如表4所示。
表4 混合砂性能指標(biāo)
細(xì)度 模數(shù) | 級(jí)配區(qū) | 表觀密度（m2/kg） | 堆積密度（m2/kg） | 泥塊含量（%） | 石粉含量（%） | 亞甲藍(lán)MB值 |
2.9 | Ⅱ | 2620 | 1470 | 0.3 | 3.2 | 合格 |
（5）石子：采用5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石，針片狀含量4%，含泥量0.4%，無(wú)潛在堿硅反應(yīng)危險(xiǎn)。
（6）外加劑：采用安托山減水劑廠經(jīng)特殊復(fù)配的ATS-SP1萘系緩凝型高效減水劑，其性能指標(biāo)如表5所示。
表5 減水劑性能指標(biāo)
PH值 | 凈漿流動(dòng)度（mm） | 減水率（%） | 含氣量（%） | 28天抗壓強(qiáng)度比（%） |
7.5 | 240 | 22 | 2.0 | 115 |
4 優(yōu)化混凝土配合比的設(shè)計(jì)
根據(jù)配合比設(shè)計(jì)及工程的具體要求，結(jié)合類似大型底板工程實(shí)踐，通過(guò)大摻量礦渣粉和粉煤灰降低水泥用量，降低水化熱，利用混凝土90d齡期強(qiáng)度。更多地節(jié)約水泥和處理電廠廢棄物、可節(jié)能、節(jié)約資源和改善溫室效應(yīng)，降低混凝土成本，提高混凝土抗?jié)B性能、抗cl-滲透等能力。采用機(jī)制砂替代30%天然砂，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，提高了混凝土的力學(xué)性能和耐久性能【2】。通過(guò)配比篩選并確定如下配比進(jìn)行試驗(yàn)（見(jiàn)表６），強(qiáng)度結(jié)果如表7。
表６ 配合比與拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果
組別 | 試驗(yàn)配合比（kg/m3） | 坍落度(mm) | 凝結(jié)時(shí)間(h:min) | ||||||||
水泥 | 礦粉 | 煤灰 | 混合砂 | 石子 | 水 | 減水劑 | 出機(jī) | 2h | 初凝 | 終凝 | |
1 | 240 | 100 | 100 | 707 | 1050 | 163 | 11.4 | 210 | 200 | 20:01 | 24:30 |
2 | 220 | 100 | 100 | 727 | 1050 | 163 | 10.9 | 210 | 190 | 20:35 | 24:45 |
3 | 200 | 100 | 100 | 747 | 1050 | 163 | 10.4 | 200 | 185 | 21:15 | 25:25 |
表7 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
組別 | 抗壓強(qiáng)度((MPa)) | 抗?jié)B等級(jí)28d | ||||
3d | 7d | 28d | 60d | 90d | ||
1 | 40.9 | 51.1 | 65.5 | 73.6 | 77.8 | ＞P18 |
2 | 36.6 | 47.8 | 61.6 | 69.2 | 72.4 | ＞P18 |
3 | 33.5 | 43.4 | 56.8 | 65.0 | 68.3 | ＞P18 |
綜合各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，決定采用第3組配比進(jìn)行生產(chǎn)。
5 生產(chǎn)組織及質(zhì)量控制
根據(jù)工程施工情況，做好混凝土生產(chǎn)的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，確保原材料和混凝土運(yùn)輸車輛的保障供應(yīng)（最多共調(diào)用了53臺(tái)9方車），保證混凝土的連續(xù)性澆筑。采取有效措施控制原材料的質(zhì)量和入機(jī)溫度，進(jìn)而降低混凝土的出機(jī)溫度，提高混凝土的均質(zhì)性，有利于溫度裂縫的控制。
5.1 原材料質(zhì)量控制措施
水泥由日本船運(yùn)進(jìn)口，從生產(chǎn)到使用的降溫期長(zhǎng)，循環(huán)使用水泥罐（2400噸/6個(gè)），水泥進(jìn)場(chǎng)入罐后有一定的降溫時(shí)間，使得連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中水泥的入機(jī)溫度接近空氣溫度。粉煤灰每車必檢，第一次預(yù)檢合格后入罐過(guò)程隨機(jī)抽檢不少于2次，監(jiān)控質(zhì)量穩(wěn)定性。充分利用能堆放5萬(wàn)立方庫(kù)存量的砂子堆場(chǎng)，做到提前半個(gè)月存放砂子，并通過(guò)堆放過(guò)程的不斷推高混合，有利于砂子的均勻性、降低cl-含量、穩(wěn)定含水率。石子直接由碎石生產(chǎn)線生產(chǎn)并分級(jí)后進(jìn)入混凝土骨料倉(cāng)，避免了太陽(yáng)的暴曬。萘系緩凝型高效減水劑經(jīng)調(diào)整緩凝組分，適當(dāng)延長(zhǎng)緩凝時(shí)間，延緩混凝土水化溫峰的出現(xiàn)。
5.2 混凝土質(zhì)量控制措施
嚴(yán)格按要求做好混凝土生產(chǎn)的開(kāi)盤鑒定工作，按每生產(chǎn)300立方抽樣一次，檢測(cè)混凝土的出機(jī)溫度，坍落度等拌合物性能，成型各齡期抗壓強(qiáng)度和28d抗滲試塊。每車混凝土必須經(jīng)試驗(yàn)室質(zhì)檢員目測(cè)，確認(rèn)坍落度滿足要求并簽名后才能出廠。現(xiàn)場(chǎng)派有技術(shù)員或試驗(yàn)員24h跟蹤和反饋混凝土質(zhì)量信息。
6 工程應(yīng)用情況
6.1 質(zhì)量控制情況
共澆注約13231立方混凝土，澆注時(shí)間為2008年12月21～23日，一次性連續(xù)澆注完畢，用時(shí)約53小時(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)混凝土入模坍落度150～180mm，混凝土無(wú)離析泌水現(xiàn)象，和易性良好。試驗(yàn)室共成型48組各齡期強(qiáng)度試塊（見(jiàn)表８）。從標(biāo)準(zhǔn)偏差看，質(zhì)量穩(wěn)定，其中28d平均抗壓強(qiáng)度達(dá)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu,k）的115%，90d抗壓強(qiáng)度平均強(qiáng)度達(dá)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fcu,k）的132%；抗?jié)B試驗(yàn)按照GBJ82-85進(jìn)行，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。強(qiáng)度與齡期關(guān)系圖如圖3
6.2 施工與及振搗
澆筑方法采用“斜向分層，薄層澆筑，循序退澆，一次到底”連續(xù)施工的方法。為了保證每一處的混凝土在初凝前就被上一層新的混凝土覆蓋，采用斜面分層式澆搗方法，混凝土一次自然流淌，坡度約為1：10。分層澆搗使新混凝土沿斜坡一次到底，使混凝土充分散熱，從而減少混凝土的熱量，混凝土振搗后產(chǎn)生的泌水沿斜坡排走，保證了混凝土的質(zhì)量。
表８ 強(qiáng)度檢測(cè)值
齡期 | 抗壓強(qiáng)度((MPa)) | ||||
3d | 7d | 28d | 60d | 90d | |
34.9 | 42.4 | 57.6 | 63.9 | 66.9 | |
標(biāo)準(zhǔn)偏差 | 3.1 | 3.2 | 2.9 | 2.8 | 3.1 |
離散系數(shù) | 5.0 | 4.4 | 4.6 | ||
6.3 早期塑性收縮裂縫的防治
近年來(lái)，我國(guó)大體積混凝土特別是高強(qiáng)大體積混凝土，在澆筑初期，甚至在拆模前后就出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，這是由于水泥及摻合料與水發(fā)生激烈的水化反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生泌水和大量水分散發(fā)，混凝土?xí)a(chǎn)生早期的塑性收縮，收縮量較大，極易引起裂縫。在混凝土接近初凝時(shí)便開(kāi)始噴水養(yǎng)護(hù)，同時(shí)采用磨光機(jī)對(duì)混凝土表面進(jìn)行磨壓，然后再用掃把將表面拉毛，封閉混凝土的早期裂縫，處理混凝土表面出現(xiàn)的早期塑性裂縫。
6.4 養(yǎng)護(hù)
在混凝土澆筑過(guò)程中，已經(jīng)澆筑到設(shè)計(jì)標(biāo)高的地方，抹平后立即用塑料薄膜覆蓋，并在塑料薄膜上加蓋兩層麻袋，最后再鋪設(shè)塑料薄膜。混凝土中心最大溫度與大氣溫度之差大于25℃時(shí)，不得移開(kāi)保溫層。整個(gè)濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)過(guò)程必須保持有完好的覆蓋，方能取得良好養(yǎng)護(hù)效果，無(wú)覆蓋的間斷澆水對(duì)養(yǎng)護(hù)非但無(wú)效，有時(shí)甚至是不利的，因?yàn)榛炷猎诟蓾窠惶孀饔孟聲?huì)產(chǎn)生不利的內(nèi)力狀態(tài)。
6.5 測(cè)溫結(jié)果
采用電子便攜式測(cè)溫儀，溫度記錄誤差不大于±1 ℃?，F(xiàn)場(chǎng)共布置11個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，安排專人進(jìn)行溫度檢測(cè)，測(cè)溫歷時(shí)52天，升溫階段每隔2小時(shí)記錄一次，降溫階段每隔4小時(shí)記錄一次。14天后每天記錄一次。 混凝土澆注過(guò)程中，大氣溫度為13～23℃，環(huán)境濕度為40%～70%，混凝土入模溫度24～29℃。其中10號(hào)測(cè)溫點(diǎn)傳感器布置如圖4，取中心偏下的2.6米處典型的溫度記錄并繪出混凝土水化熱溫升曲線如圖5。
升溫階段第5d后達(dá)到峰值，混凝土中心最高溫度76℃，表層溫度達(dá)到53℃，里表最大溫差32℃，平均22℃。溫度降低緩和，小于2℃/d，在第26天后基本穩(wěn)定。28天后建設(shè)方、施工方、監(jiān)理共同檢查整體情況，未發(fā)現(xiàn)任何有害裂縫。從以上裂縫控制結(jié)果看，控制混凝土的里表溫差固然很重要，但是更重要的是控制降溫速率、控制自約束應(yīng)力和外約束應(yīng)力。
7 結(jié)論
大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因是眾多的，源頭是把好原材料質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格控制混凝土的均質(zhì)性，減少砂石骨料的含泥量，提高粗骨料的含量和粒徑；重點(diǎn)是做好優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)并充分利用混凝土60d、90d齡期的強(qiáng)度，提高混凝土的抗拉和抗折強(qiáng)度，減少水泥用量，加大礦渣粉、粉煤灰的摻量是控制大體積混凝土溫差裂縫和提高耐久性的有效途徑。采用合適的施工養(yǎng)護(hù)方法，優(yōu)化保濕養(yǎng)護(hù)措施，嚴(yán)格控制坍落度，加強(qiáng)溫度監(jiān)控措施，有效控制超厚體積混凝土的內(nèi)外溫差，特別是降溫速率和采取連續(xù)無(wú)變形縫澆筑，是控制大體積混凝土裂縫的有效措施。本工程所采取的一系列措施，確保了工程的質(zhì)量，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)投資。
參考文獻(xiàn)
【1】王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制.北京：中國(guó)建筑出版社.2007.P98.
【2】王建程等.天津薊縣機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用.商品混凝土專刊.2009.6.P51
作者簡(jiǎn)介：
1、 高芳勝（1977—），男，高級(jí)工程師，深圳市安托山混凝土有限公司總工程師，長(zhǎng)期從事商品混凝土的技術(shù)管理工作，廣東省土木建筑學(xué)會(huì)混凝土專業(yè)委員會(huì)副主任委員，深圳市質(zhì)量協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。聯(lián)系電話：0755-83500370，13923709065。單位地址：深圳市福田區(qū)北環(huán)路南側(cè)（518040）。
2、尤立峰（1977—），男，工程師，深圳市安托山混凝土有限公司副總經(jīng)理兼試驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，長(zhǎng)期從事商品混凝土的技術(shù)管理工作。單位地址：深圳市福田區(qū)北環(huán)路南側(cè)（518040）。
