深圳京基金融中心底板高強大體積混凝土的配制與裂縫控制實踐
2023-11-10
深圳京基金融中心底板高強大體積混凝土的配制與裂縫控制實踐
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、不設冷卻管、不摻纖維、不施加預應力的情況下，通過優化混凝土配合比，改進施工工藝，采取有效的養護措施，加強溫控監測，能很好地解決深圳京基金融中心工程高強大體積混凝土C50P10的裂縫控制問題。
關鍵詞：大摻量礦渣粉和粉煤灰；裂縫控制；混合砂
0 前言
近年來，隨著我國超高層建筑的不斷開工，建筑的高度不斷被刷新，其基礎底板受力狀態不斷加重，結構越來越厚，混凝土強度等級越來越高，總膠凝材料用量越來越多，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。而裂縫的產生原因與結構設計、配比設計、原材料控制、施工管理技術、環境狀態等諸多因素有關，裂縫控制是一個高度綜合性的系統工程，必須由多個專業的良好配合才能取得裂縫控制的成功[1]。本文主要通過對混凝土配比、質量控制、施工養護等方面進行分析，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蔡屋圍，占地面積約4.7萬平方米，總建筑面積約60萬平方米，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24萬平方米，新樓與地王大廈相依相偎，將成為深圳又一標志性建筑（圖1），預計2011年建成并投入使用。本工程由深圳市京基房地產開發有限公司開發，由深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司進行施工圖設計，由中國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。
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67.5m，南北方向長57.3m，面積約3868m2，總混凝土方量超過1.3萬m3，混凝土等級為C50P10，屬于超長、超寬的高強大體積混凝土結構，控制裂縫的技術難度較高。大底板與四周的支護樁或裙樓底板之間設有800mm寬的后澆帶。攪拌站距離該工程14公里，運輸時間約30分鐘，底板施工局部圖如圖2。
2 配合比設計的主要指導方針和指標要求
根據以前大體積混凝土開裂的經驗，影響裂縫控制的主要因素可分為材料、結構及施工三方面。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，嚴格控制原材料的質量，特別是粗細骨料的含泥量，對于水泥及礦物摻合料的成分必須進行嚴格檢驗，盡可能減少單方用水量，適當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度，還應當有良好的抗折強度（彎拉強度），為此利用混凝土的90d后期強度代替常用的28d強度，嚴格控制坍落度和硬化時間，選用高效減水劑，最后使高強大體積混凝土不產生由于自約束及外約束引起的有害裂縫。
經項目部與設計、監理、混凝土公司反復溝通，決定采用混凝土的90d強度來進行混凝土的試配、評定和驗收，并確定混凝土的技術指標要求如下：
（1）等級：C50P10（強度評定標準：90d標養立方體抗壓強度）。
（2）坍落度：140～180mm。
（3）坍落度經時損失≤30mm/2h。
（4）初凝時間：20～22h;終凝24～26h。
（5）和易性良好，無離析泌水現象。
3 原材料
（1）水泥：采用日本進口的小野田P.O42.5級水泥，其有關性能指標如表1所示。該水泥質量穩定，從生產到使用的降溫期長，確保連續生產使用過程中水泥攪拌機的入機溫度小于30℃，有效降低混凝土的出機溫度。
表1 水泥性能指標
比表面積（m2/kg） | 標準稠度用水量（%） | 安定性 | 凝結時間 (min) | 抗壓強度 (MPa) | 抗折強度 (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：采用廣東韶關鋼鐵廠生產的S95級礦渣粉，其性能指標如表2所示。
表2 S95級礦粉性能指標
比表面積（m2/kg） | 密度 （g/cm3） | 燒失量（%） | 含水量（%） | SO3（%） | 流動度（%） | 活性指數 | |
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的F類I級，其性能指標如表3所示。
表3 I級粉煤灰性能指標
細度（%） | 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：采用天然中砂與機制砂按7:3比例混合而成的混合砂，摻用機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度，其性能指標如表4所示。
表4 混合砂性能指標
細度 模數 | 級配區 | 表觀密度（m2/kg） | 堆積密度（m2/kg） | 泥塊含量（%） | 石粉含量（%） | 亞甲藍MB值 |
2.9 | Ⅱ | 2620 | 1470 | 0.3 | 3.2 | 合格 |
（5）石子：采用5～25mm連續級配碎石，針片狀含量4%，含泥量0.4%，無潛在堿硅反應危險。
（6）外加劑：采用安托山減水劑廠經特殊復配的ATS-SP1萘系緩凝型高效減水劑，其性能指標如表5所示。
表5 減水劑性能指標
PH值 | 凈漿流動度（mm） | 減水率（%） | 含氣量（%） | 28天抗壓強度比（%） |
7.5 | 240 | 22 | 2.0 | 115 |
4 優化混凝土配合比的設計
根據配合比設計及工程的具體要求，結合類似大型底板工程實踐，通過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齡期強度。更多地節約水泥和處理電廠廢棄物、可節能、節約資源和改善溫室效應，降低混凝土成本，提高混凝土抗滲性能、抗cl-滲透等能力。采用機制砂替代30%天然砂，改善混凝土的孔結構，增強混凝土的密實度，提高了混凝土的力學性能和耐久性能【2】。通過配比篩選并確定如下配比進行試驗（見表６），強度結果如表7。
表６ 配合比與拌和物性能試驗結果
組別 | 試驗配合比（kg/m3） | 坍落度(mm) | 凝結時間(h:min) | ||||||||
水泥 | 礦粉 | 煤灰 | 混合砂 | 石子 | 水 | 減水劑 | 出機 | 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 強度試驗結果
組別 | 抗壓強度((MPa)) | 抗滲等級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 |
綜合各項試驗結果，決定采用第3組配比進行生產。
5 生產組織及質量控制
根據工程施工情況，做好混凝土生產的各項準備工作，確保原材料和混凝土運輸車輛的保障供應（最多共調用了53臺9方車），保證混凝土的連續性澆筑。采取有效措施控制原材料的質量和入機溫度，進而降低混凝土的出機溫度，提高混凝土的均質性，有利于溫度裂縫的控制。
5.1 原材料質量控制措施
水泥由日本船運進口，從生產到使用的降溫期長，循環使用水泥罐（2400噸/6個），水泥進場入罐后有一定的降溫時間，使得連續生產過程中水泥的入機溫度接近空氣溫度。粉煤灰每車必檢，第一次預檢合格后入罐過程隨機抽檢不少于2次，監控質量穩定性。充分利用能堆放5萬立方庫存量的砂子堆場，做到提前半個月存放砂子，并通過堆放過程的不斷推高混合，有利于砂子的均勻性、降低cl-含量、穩定含水率。石子直接由碎石生產線生產并分級后進入混凝土骨料倉，避免了太陽的暴曬。萘系緩凝型高效減水劑經調整緩凝組分，適當延長緩凝時間，延緩混凝土水化溫峰的出現。
5.2 混凝土質量控制措施
嚴格按要求做好混凝土生產的開盤鑒定工作，按每生產300立方抽樣一次，檢測混凝土的出機溫度，坍落度等拌合物性能，成型各齡期抗壓強度和28d抗滲試塊。每車混凝土必須經試驗室質檢員目測，確認坍落度滿足要求并簽名后才能出廠?，F場派有技術員或試驗員24h跟蹤和反饋混凝土質量信息。
6 工程應用情況
6.1 質量控制情況
共澆注約13231立方混凝土，澆注時間為2008年12月21～23日，一次性連續澆注完畢，用時約53小時。現場混凝土入模坍落度150～180mm，混凝土無離析泌水現象，和易性良好。試驗室共成型48組各齡期強度試塊（見表８）。從標準偏差看，質量穩定，其中28d平均抗壓強度達強度標準值（fcu,k）的115%，90d抗壓強度平均強度達強度標準值（fcu,k）的132%；抗滲試驗按照GBJ82-85進行，均達到設計要求。強度與齡期關系圖如圖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，混凝土振搗后產生的泌水沿斜坡排走，保證了混凝土的質量。
表８ 強度檢測值
齡期 | 抗壓強度((MPa)) | ||||
3d | 7d | 28d | 60d | 90d | |
34.9 | 42.4 | 57.6 | 63.9 | 66.9 | |
標準偏差 | 3.1 | 3.2 | 2.9 | 2.8 | 3.1 |
離散系數 | 5.0 | 4.4 | 4.6 | ||
6.3 早期塑性收縮裂縫的防治
近年來，我國大體積混凝土特別是高強大體積混凝土，在澆筑初期，甚至在拆模前后就出現開裂現象，這是由于水泥及摻合料與水發生激烈的水化反應，同時產生泌水和大量水分散發，混凝土會產生早期的塑性收縮，收縮量較大，極易引起裂縫。在混凝土接近初凝時便開始噴水養護，同時采用磨光機對混凝土表面進行磨壓，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的早期塑性裂縫。
6.4 養護
在混凝土澆筑過程中，已經澆筑到設計標高的地方，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，最后再鋪設塑料薄膜。混凝土中心最大溫度與大氣溫度之差大于25℃時，不得移開保溫層。整個濕潤養護過程必須保持有完好的覆蓋，方能取得良好養護效果，無覆蓋的間斷澆水對養護非但無效，有時甚至是不利的，因為混凝土在干濕交替作用下會產生不利的內力狀態。
6.5 測溫結果
采用電子便攜式測溫儀，溫度記錄誤差不大于±1 ℃?，F場共布置11個測溫點，安排專人進行溫度檢測，測溫歷時52天，升溫階段每隔2小時記錄一次，降溫階段每隔4小時記錄一次。14天后每天記錄一次。 混凝土澆注過程中，大氣溫度為13～23℃，環境濕度為40%～70%，混凝土入模溫度24～29℃。其中10號測溫點傳感器布置如圖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后達到峰值，混凝土中心最高溫度76℃，表層溫度達到53℃，里表最大溫差32℃，平均22℃。溫度降低緩和，小于2℃/d，在第26天后基本穩定。28天后建設方、施工方、監理共同檢查整體情況，未發現任何有害裂縫。從以上裂縫控制結果看，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、控制自約束應力和外約束應力。
7 結論
大體積混凝土產生裂縫的原因是眾多的，源頭是把好原材料質量關，嚴格控制混凝土的均質性，減少砂石骨料的含泥量，提高粗骨料的含量和粒徑；重點是做好優化配合比設計并充分利用混凝土60d、90d齡期的強度，提高混凝土的抗拉和抗折強度，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。采用合適的施工養護方法，優化保濕養護措施，嚴格控制坍落度，加強溫度監控措施，有效控制超厚體積混凝土的內外溫差，特別是降溫速率和采取連續無變形縫澆筑，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，確保了工程的質量，節約了經濟投資。
參考文獻
【1】王鐵夢.工程結構裂縫控制.北京：中國建筑出版社.2007.P98.
【2】王建程等.天津薊縣機制砂在混凝土中的應用.商品混凝土專刊.2009.6.P51
作者簡介：
1、 高芳勝（1977—），男，高級工程師，深圳市安托山混凝土有限公司總工程師，長期從事商品混凝土的技術管理工作，廣東省土木建筑學會混凝土專業委員會副主任委員，深圳市質量協會副會長。聯系電話：0755-83500370，13923709065。單位地址：深圳市福田區北環路南側（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理兼試驗室負責人，長期從事商品混凝土的技術管理工作。單位地址：深圳市福田區北環路南側（518040）。
