超高层建筑大体积混凝土底板施工质量控制技术探析
时间：2023-03-01 18:35:08 来源：千叶帆 本文已影响人
殷 伟
（南京市江北新区建设和交通工程质量安全监督站，江苏 南京 210000）
超高层建筑中混凝土底板属于大体积混凝土结构，施工时交叉运用了土力学、材料学、结构设计及建筑力学等，工程复杂［1］。本文通过广阳家园商业楼、南京德基广场及深圳湾壹号广场 T7 塔楼等多个超高层建筑实际工程，研究分析大体积混凝土底板的施工难点，从混凝土材料及配合比、混凝土浇筑措施及混凝土裂缝控制等方面出发，探究质量控制技术，以期降低工程开裂风险、提高工程建设质量。
1.1 底板混凝土水化热高
GB 50496-2018《大体积混凝土施工标准》规定，大体积混凝土的设计强度等级宜为 C25～C50。实际工程中，超高层建筑底板多采用 C40 及以上混凝土，如南京德基广场工程及天津和黄地铁广场工程中底板分别采用了 C40、C45 混凝土。较大的混凝土用量与强度等级使得超高层建筑底板混凝土水化热与内外温差远高于一般大体积混凝土，且底板混凝土受桩柱约束无法自由收缩，导致裂缝成为超高层建筑底板施工中最严重的质量问题。如苏州广播电视总台现代传媒广场底板通过“双掺”技术降低水泥用量，但其浇筑 3 d 时，混凝土距表面 -1 700 mm 部位温度仍高达 84 ℃，距表面-50 mm 部位混凝土温度为 65 ℃，混凝土表面温度为 48 ℃。为控制底板施工质量，当前研究对大体积混凝土底板温度场变化进行了大量分析。如文献［2］等基于实际工程，通过 ANSYS 软件模拟了浇筑过程中大体积混凝土的温度场；
马建军［3］和王振宇［4］等采用 MIDAS 软件分别对混凝土温度应力进行数值模拟计算及不同保温措施及入模温度下混凝土的温度场分布情况。
实际工程中同一个超高层建筑因功能分区不同，底板厚度多有不同，导致其与单一厚度底板温度场存在区别。侯景鹏等［5］通过 APDL 分析了不同厚度混凝土底板温度应力变化，结果表明板厚越大，中心点温度越高且温度下降越缓慢。施工过程中如何消除不同厚度混凝土基础底板的温度应力场的相互影响，需要进一步探究。
1.2 入模温度控制、振捣及养护
为保证底板混凝土较好的抗裂性，在施工过程前期应对混凝土入模温度加以控制，但实际工程中，受施工设备影响，容易使得混凝土坍落度损失大，入模温度难以控制，如广阳家园商业一期 5 号楼工程与海控国际广场工程中均因泵管较长，混凝土在泵送过程中粗骨料颗粒可能相互嵌锁，增加与泵管壁的接触面积，降低砂浆携运粗骨料的能力，导致混凝土坍落度损失大［6］。此外，由于超高层建筑体积大的结构特点，其钢筋直径与用量大，分布时密集并存在较大的高差，导致振捣难度高。如广阳家园商业一期 5 号楼工程与海控国际广场工程中底板均采用双层双向钢筋，基础钢筋用量分别约为 135 kg/m3、140 kg/m3。
在施工后期需对混凝土采取综合温控措施，但实际工程中底板尺寸大、厚度不均匀、结构多样导致养护困难，如深圳湾壹号广场 T7 塔楼工程中底板平面呈直角梯形，东西方向 77～94 m，南北方向 80.4 m。
1.3 场地受限 布料点少
超高层建筑底板通常面积广、厚度大且结构多变，使得混凝土浇筑量高于一般建筑结构如天津和黄地铁广场工程与北京昆仑酒店式公寓工程中底板混凝土总量分别约 34 000 m3、7 110 m3；
为此混凝土在浇筑前，通常需要划定浇筑区域和确定分层，但实际工程中混凝土单次浇筑量依然较大，如南宁华润中心东写字楼项目中混凝土一次浇筑量大，达 23 000 m3。为保证大体积混凝土的整体性，原则上需要多个泵车并设置多个布料点，但实际工程中受场地局限性，常常无法满足，如广阳家园商业一期 5 号楼工程中现场采用 1 台汽车泵、2 台地泵，受限于场地、基坑特点、支撑形式等工况，难以增加覆盖面。
2.1 混凝土水化热控制
根据我国大体积混凝上结构施工经验，为控制大体积混凝土结构因水泥水化热而产生的温升，可以采用补偿收缩混凝土与大掺量矿物掺合料混凝土进行施工。
2.1.1 补偿收缩混凝土
补偿收缩混凝土是利用膨胀剂在混凝土硬化时产生的体积膨胀补偿温度收缩与化学收缩，从而避免混凝土结构开裂。如广州新白云国际机场南航站楼工程配合比中掺 10 % UEA 膨胀剂［7］，混凝土 12 d 自由膨胀率e1为 4.603×10-4，通过建立补偿收缩值与补偿温度、剩余温差的关系（见表 1），确定了混凝土热膨胀系数e2为 1×10-6。
表1 UEA 补偿收缩与补偿温度、剩余温差的关系
按照 JGJ/T178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》的规定，使用补偿收缩混凝土浇筑超长结构时，应使用普通补偿收缩混凝土结合膨胀加强带的结构形式。普通补偿收缩混凝土含有胶凝材料总量 8 %～12 % 的膨胀剂，其在水中养护 14 d 后的限制膨胀率≥0.015 %；
水中养护 14 d 转入空气中养护 28 d 后的限制膨胀率≥-0.030 %。膨胀加强带混凝土含有胶凝材料总量 13 %～14 % 的膨胀剂，其在水中养护 14 d 后的限制膨胀率≥0.025 %；
水中养护 14 d 转入空气中养护 28 d 后的限制膨胀率≥-0.020 %。在板厚＜1.5 m，板长不超过 60～120 m 时，混凝土可连续浇筑，每隔 30～60 m 设置 1 道 2 m 宽的膨胀加强带。板厚 ＞1.5 m 或板长＞120 m 时，膨胀加强带仍需后浇。
2.1.2 大掺量矿物掺合料混凝土
大掺量矿物掺合料混凝土是指所用胶凝材料中的矿物掺合料的比例在 40 % 以上的混凝土［8］。大掺量矿物掺合料混凝土早期强度发展慢，但干缩较小，水化温升值和温升速率较低。如绿地中心蜀峰 468 项目［9］对三种配合比（见表 2）混凝土进行了性能测试（见表 3、表 4）。
表2 绿地中心混凝土配合比 kg·m-3
表3 不同配合比混凝土性能
表4 基准配合比抗裂试验结果
由表 2 至表 4 可见，J-3 组混凝土水泥含量高，60 d 强度发展可以保障，高达 60.3 MPa，其水化反应及水化温升峰也相应高于 J-1 与 J-2 组混凝土，但 J-3 组混凝土 28 d 干燥收缩最大，收缩率为 3.20×10-4，平均开裂面积为 47 mm2/根，单位面积裂缝数目 8 根/m2，总开裂面积 376 mm2/m-2；
水泥含量低，矿物掺合料掺量大的 J-1 组及 J-2 组混凝土 60 d 的抗压强度分别为 53.5 MPa、55.4 MPa；
水化温升峰值时间分别为 1 000 min、1 200 min；
水化温升峰值分别为 42.5 ℃、41.7 ℃；
收缩率分别为 2.36×10-4、2.28×10-4，均明显低于 J-3 组混凝土，这是由于水泥用量的降低以及矿物掺合料的提升，延迟了混凝土水化，降低了混凝土干缩值。
工程中大掺量矿物掺合料混凝早期发展强度慢导致其使用受到限制［10］，但大体积混凝土底板龄期一般采用 60 d 强度验收，有些工程采用 90 d 强度，使用大量的缓凝矿物掺合料可以延缓结构内部的升温速度降低混凝土的温度收缩，后期强度稳定发展，更有利于超高层建筑大体积混凝土底板质量控制。
2.2 混凝土入模温度、振捣及养护控制
2.2.1 入模温度
施工过程中，较低入模温度的混凝土对水泥的水化速率和水化程度有着重要的影响。入模温度最常见的控制措施在于优选原材料与浇筑方案，如海控国际广场工程中混凝土罐车连续向罐体顶部纵向配置的降温清洁棉布条供应冷水，保证混凝土在运输过程中的温度。在各个地泵处均设防晒棚，泵管全长套有麻袋，用地下水每 30 min 喷洒一次透湿降温。北京昆仑酒店式公寓工程中要求搅拌站在供应底板混凝土前一直使用料堆底层的砂石料，降低骨料表面的温度。搅拌用水采用地下深井内的水，通过以上措施确保出机温度控制在 25 ℃ 左右。
2.2.2 混凝土振捣
混凝土浇筑时通常会有斜坡产生，通常在各浇筑带的前后混凝土卸料处及坡脚处，以解决混凝土捣实问题并保证混凝土下部的密实度。采用泵送大流性混凝土完成分层浇筑时，在结构四周的侧模底部应设置排水孔，避免振捣后产生浮浆及泌水流向坑底。随着混凝土浇筑，泌水出现来不及排出的情况并汇集在顶端，通过顶端模板下部的预留孔排出去，或用软轴泵将其排出。
此外，坍落度损失也是入模温度难控制的重点，因而施工前应对底板大体积混凝土拌合物凝结时间、坍落度损失及可泵性进行试验。如湖南某综合楼工程根据理论配合比做了混凝土拌合物的凝结时间、坍落度损失及压力泌水试验，试验结果该混凝土初凝时间完全可以保证施工作业面的覆盖；
2 h 的坍落度损失率不到 10 %，泌水值在 80～100 ml，给泵送施工提供了极大的方便。另一方面由浇筑设备造成的坍落度损失也不容小觑，北京市 CBD 东扩区西塔楼工程中采用溜槽浇筑，混凝土坍落度控制在 180～200 mm 时，平均流速约为 1 m/s，坍落度损失约 30 mm。为此，在混凝土浇筑过程中应加强设备管理和维护，减少泵送设备的故障。在泵送之前，要对管道，特别是下行管道进行充分润滑和填充。当泵送上下距离过长时，应设置一定的水平缓冲管，以降低管道内的压力，减少混凝土浆体的损失，以免造成泵送混凝土坍落度损失过大或出现干涩现象，甚至堵泵。
2.2.3 混凝土综合养护
大体积混凝土浇筑后除常规养护外，还应根据温控技术措施的要求及时进行保温养护。如广州世纪云顶雅苑工程中混凝土初凝至终凝间立即覆盖塑料膜和麻袋并喷水进行保湿、保温养护，养护期 14 d，养护期内混凝土表面始终保持温热潮湿状态。根据测温结果调整麻袋覆盖层数和拆模时间减少表面与中心的温差防止表面裂缝产生及由内外温差导致内部出现裂缝。
2.3 混凝土浇筑措施
在大体积混凝土底板施工中，合理的施工工艺、严谨的工艺设计及高水平的施工水平是保证大体积混凝土结构施工质量的重要因素，如混凝土运输组织中存在漏洞、施工工艺适用性及规范性，均会导致大体积混凝土结构的施工质量下降，影响结构整体性。
2.3.1 混凝土运输组织
混凝土组织运输对浇筑连续性与裂缝控制十分重要，较短的运输距离可以降低混凝土入模温度，不间断的运输可以保证混凝土浇筑时不产生离析与冷缝，但大量的实际工程受到地理位置影响，混凝土运输组织困难。为此，可从现场条件及供应强度、场外交通规划、现场交通组织三个方面进行混凝土运输组织。
2.3.2 混凝土浇筑
混凝土浇筑直接影响结构整体性，施工时根据结构尺寸、钢筋强度和混凝土供应情况，选择一次浇筑或分层浇筑［11］，并根据实际场地分布选择浇筑方案（见表 5）。
表5 浇筑方案［12］
超高层建筑大体积底板施工过程具有复杂性、随机性，施工质量除了应满足强度、整体性、耐久性和抗渗性等要求外，还必须控制好因变形而产生开裂的技术难题，尤其是异厚度底板处。针对具体工程项目的特点，协调好施工过程，保证施工连续性，进一步提升施工技术是工程建设的必然要求。
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