石振洲

安徽省交控建設(shè)管理有限公司（230093）

1 工程概況

蕪湖至黃山高速公路路基09 標(biāo)位于皖南山區(qū)，毗鄰黃山風(fēng)景保護(hù)區(qū)，標(biāo)段內(nèi)地形復(fù)雜，山高、坡陡、地面高差大。沿線設(shè)置大體量混凝土擋土墻，以減少紅線用地，最大限度的保護(hù)自然及生態(tài)環(huán)境。標(biāo)段擋土墻主要為衡重式路堤墻，采用C20 素混凝土。擋土墻高度以5 m、9 m 為主，屬于大體積混凝土。

2 混凝土裂縫一般規(guī)律

混凝土澆筑后水化產(chǎn)生大量熱量，在環(huán)境散熱或溫控措施散熱的條件下，將經(jīng)歷溫升、溫降兩個(gè)主要階段，混凝土內(nèi)部與表面的溫度分布在空間和時(shí)間上表現(xiàn)出不均勻的情況（如圖1 所示）。

圖1 深層裂縫開(kāi)裂示意圖

混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)受不均勻溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)形式、約束邊界、材料特性共同影響，就大體積混凝土而言，早期開(kāi)裂的機(jī)理及主要類(lèi)型如下:

2.1 由約束面發(fā)展的深層裂縫

水化效應(yīng)影響下，升溫期結(jié)構(gòu)膨脹，降溫期結(jié)構(gòu)收縮，在變形受到約束的情況下，在約束面分別產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。由于早期彈性模量低，后期彈性模量高，降溫期產(chǎn)生的拉應(yīng)力要高于升溫期產(chǎn)生的壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)約束面上必然產(chǎn)生受拉效應(yīng)，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生沿約束面延伸的深層裂縫，該受拉效應(yīng)受整體溫升量值以及約束形式影響。

2.2 由外表面向內(nèi)發(fā)展的淺層裂縫

在不利環(huán)境作用下或表面失養(yǎng)的條件下，外表面散熱較快產(chǎn)生較大收縮變形，從而在表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，在早期混凝土強(qiáng)度水平較低的時(shí)候，極易產(chǎn)生表面密集龜裂現(xiàn)象（如圖2 所示）。

圖2 表面裂縫開(kāi)裂示意圖

2.3 內(nèi)表連通的貫穿開(kāi)裂

在內(nèi)部與表面溫度失控的情況下，內(nèi)部裂縫與表面裂縫持續(xù)發(fā)展，可能連通，產(chǎn)生貫穿性開(kāi)裂，嚴(yán)重破壞混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。

在以上開(kāi)裂類(lèi)型中，深層開(kāi)裂一般切斷結(jié)構(gòu)斷面，破壞結(jié)構(gòu)整體性，對(duì)于后期受力具有較大的危害性，在不延伸至表面時(shí)往往難以察覺(jué)，而淺層裂縫則形成腐蝕通道，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀性。

綜上所述，大體積混凝土工程施工過(guò)程中，在內(nèi)部因素（溫度收縮、水化收縮、彈性模量增長(zhǎng)、抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)）、外部環(huán)境條件（氣溫變化、風(fēng)速、濕度）、基礎(chǔ)約束條件及施工工藝的共同影響下，可能產(chǎn)生三類(lèi)裂縫:表面裂縫、深層裂縫及貫穿裂縫。為確保大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，必須根據(jù)工程的實(shí)際情況，準(zhǔn)確進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)，詳盡地進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，合理地制訂溫控方案，才能避免及防止裂縫的產(chǎn)生。

除溫度作用之外，大體積混凝土還受澆筑初期（終凝前）的凝縮變形、硬化混凝土的干燥收縮變形、自生收縮變形以及碳化引起的碳化收縮變形影響，在約束面產(chǎn)生開(kāi)裂，在溫控設(shè)計(jì)中也應(yīng)予以適當(dāng)考慮。

3 擋土墻溫度控制需求分析

擋土墻具有顯著的尺寸，符合GB 50496—2018關(guān)于大體積混凝土的規(guī)定，或因內(nèi)部溫升及表面溫差有害裂縫。

根據(jù)第2 節(jié)所述，擋土墻也可能產(chǎn)生表面裂縫、深層裂縫及貫穿裂縫:

1） 深層裂縫及貫穿裂縫將破壞擋土墻的完整性，降低擋土墻抵抗土壤側(cè)壓力的能力，應(yīng)予以避免。

2）對(duì)于表面裂縫，根據(jù)JTG F80/1—2017 附錄P，隱蔽結(jié)構(gòu)非受力裂縫寬度限值為0.3 mm，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)進(jìn)行一定程度的保溫措施，以避免裂縫寬度超限，并盡量減少裂縫的數(shù)量，提高混凝土的品質(zhì)。

4 擋土墻溫控標(biāo)準(zhǔn)與控制措施

4.1 溫控標(biāo)準(zhǔn)

4.1.1 指標(biāo)組成

就開(kāi)裂的力學(xué)機(jī)理和大體積混凝土施工溫度控制的目的而言，大體積混凝土施工溫度控制的本質(zhì)是溫度控制與應(yīng)力控制，詳述為:控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度拉應(yīng)力不超過(guò)混凝土相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度。

對(duì)于擋土墻內(nèi)部布置水管進(jìn)行主動(dòng)控制，成本高、功效低，不建議采用，應(yīng)采取有效措施降低水化溫升熱量，避免貫穿裂縫，并對(duì)表面加強(qiáng)保溫，減少表面開(kāi)裂。通過(guò)分析其控制指標(biāo)為:入模溫度；最高溫度和最高溫升；里表溫差與表環(huán)溫差以及基礎(chǔ)溫差與層間溫差等。

4.1.2 指標(biāo)限值

根據(jù)理論分析計(jì)算，結(jié)合規(guī)范相關(guān)要求，制定本次溫控指標(biāo)如下:

1）入模溫度。入模溫度應(yīng)以規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，取5～28 ℃。

2）最高溫度和最高溫升。為控制內(nèi)部應(yīng)力，本次最高溫升控制為不得大于35 ℃；由于平均環(huán)境溫度為25 ℃左右，因此最高溫以60 ℃進(jìn)行控制。

3）里表溫差與表環(huán)溫差。結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，里表溫差控制指標(biāo)為25 ℃，表環(huán)溫差控制指標(biāo)為15 ℃。

4）基礎(chǔ)溫差與層間溫差。結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與理論計(jì)算，入模時(shí)基礎(chǔ)溫差取15 ℃，分層澆筑期間，層間溫差控制在25 ℃以?xún)?nèi)。

4.2 控制措施

4.2.1 配合比優(yōu)化

為使大體積混凝土具有良好的抗裂性能、體積穩(wěn)定性和抗?jié)B性，混凝土配制按如下原則配制:

1）選用優(yōu)質(zhì)聚羧酸類(lèi)緩凝高性能減水劑。緩凝高性能聚羧酸減水劑，兼顧減水、引氣和緩凝效果，可以延緩水化熱的峰值并改善混凝土的和易性，降低水灰比以達(dá)到減少水化熱的目的。

2）選用級(jí)配良好、低熱膨脹系數(shù)、低吸水率的粗集料。優(yōu)質(zhì)骨料體積穩(wěn)定性好、用水量小，可減小混凝土的收縮變形。粗集料含泥量不得超過(guò)0.5%，細(xì)集料含泥量不得超過(guò)2%。

3）使用低流動(dòng)性混凝土。在滿足施工的前提下，盡可能使用坍落度相對(duì)較低的混凝土，有利于減少混凝土用水量，降低溫升、減少干縮，提高抗開(kāi)裂性能。

4.2.2 降低入模溫度

1）控制混凝土的澆筑溫度對(duì)控制混凝土裂縫非常重要。相同混凝土，入模溫度高的溫升值要比入模溫度低許多。本橋施工對(duì)大體積混凝土澆筑溫度的要求為控制在20 ℃以下。

2）澆筑溫度主要受原材料溫度、氣溫等影響。在混凝土澆筑之前，可通過(guò)測(cè)量水泥、粉煤灰、砂、石、水的溫度，考慮環(huán)境溫度來(lái)估算澆筑溫度。因砂、石、水的溫度均受氣溫影響，在膠材溫度一定的情況下混凝土澆筑溫度主要取決于環(huán)境溫度，因此選擇合適的時(shí)間進(jìn)行混凝土澆筑比較重要。若澆筑溫度超出最高溫度控制要求，則應(yīng)采取相應(yīng)措施通過(guò)熱工計(jì)算和降低各原材料溫度來(lái)降低澆筑溫度，使其滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.3 表面養(yǎng)護(hù)與保溫

大體積混凝土表面防裂控制主要是控制表面的散熱速率，一般根據(jù)所處環(huán)境不同有以下三種做法，以下方法可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行選用，或進(jìn)行適當(dāng)組合選用:

1）覆蓋保溫。采用土工布進(jìn)行表面覆蓋，避免外部冷激的情況產(chǎn)生，覆蓋時(shí)邊角地方應(yīng)加厚，避免邊角降溫過(guò)快產(chǎn)生橫向開(kāi)裂。

2）保濕養(yǎng)護(hù)。表面及時(shí)灑水保濕，提高表面的抗拉強(qiáng)度，避免混凝土的干縮。

3）及時(shí)回填。利用土體的導(dǎo)熱率低的特點(diǎn)，在上層澆筑的時(shí)候，及時(shí)回填下層土體，起到保溫的作用。

4）合理控制保溫時(shí)間。對(duì)表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待表面溫度與環(huán)境最低氣溫差值在15 ℃以?xún)?nèi)時(shí)，可停止監(jiān)測(cè)并拆除保溫措施。

5 施工方案

5.1 施工工藝

衡重式擋土墻工藝流程：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→基槽開(kāi)挖(處理）→地基承載力檢測(cè)→立模加固→安裝泄水孔→分層澆筑混凝土→拆除模板→養(yǎng)護(hù)→墻背回填（反濾層設(shè)置）→錐坡砌筑。

擋土墻的澆筑標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為10 m，澆筑分層高度約為1.5～2 m，澆筑間歇期2.5 d。

衡重式擋土墻的尺寸規(guī)格較多，由于規(guī)律較為接近，選取典型的小尺寸、大尺寸結(jié)構(gòu)分別計(jì)算（如圖3 所示）。小尺寸擋土墻選用5 m 高擋土墻，分三層澆筑；大尺寸擋土墻選用9 m 高擋土墻，分六層澆筑。

5.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)溫度控制措施，采用優(yōu)化后C20 混凝土，配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化后C20 混凝土配合比

5.3 溫度監(jiān)測(cè)

在擋土墻內(nèi)部布置溫度測(cè)點(diǎn)予以監(jiān)測(cè)，收集數(shù)據(jù)，為后續(xù)擋墻的施工提供支持。

5.4 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置以捕捉最高溫、最不利溫度場(chǎng)為目的，布置如圖3 所示。在每個(gè)斷面上布置5 個(gè)，內(nèi)部布置1 個(gè)，底面、頂面及兩側(cè)面各布置1 個(gè)，同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行同步測(cè)試。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

通過(guò)測(cè)試對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)表面保溫措施的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)各溫控指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)注意加強(qiáng)保護(hù)，避免振搗破壞測(cè)點(diǎn)。

5.5 監(jiān)測(cè)方法

1）擋土墻溫度測(cè)量:擋土墻混凝土澆筑至水化熱升溫至最高溫階段，數(shù)據(jù)采集頻率為1 h 一次；降溫0～7 d，每4 h 測(cè)量一次；降溫后7～14 d，每天測(cè)量4 次。

2）大氣溫度測(cè)量:與混凝土溫度同步觀測(cè)。

3）特殊情況下，如晝夜溫差較大期間，適當(dāng)加密測(cè)量次數(shù)。

5.6 監(jiān)測(cè)結(jié)果

1）5 m 擋土墻。最高溫變化如圖4 所示，可見(jiàn)各層最高溫基本較為接近，第三層尺寸減小，溫升有所降低，第二層受第一層加熱影響，溫度略高，但總體上不超過(guò)55 ℃。

2）9 m 擋土墻。最高溫變化如圖4 所示，可見(jiàn)各層最高溫基本較為接近，總體上不超過(guò)55 ℃，9 m擋墻與5 m 監(jiān)測(cè)結(jié)果整體接近。

圖4 擋土墻最高溫度變化

6 總結(jié)分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出5 m 擋土墻與9 m 擋土墻的分析結(jié)果基本一致，主要結(jié)論如下:

1）擋土墻屬于典型大體積混凝土，內(nèi)部積蓄溫度高，降溫緩慢，表面與內(nèi)部容易產(chǎn)生較大溫差。

2）在合適的配合比情況下進(jìn)行澆筑，內(nèi)部最高溫度不超過(guò)55 ℃，相對(duì)于入模溫度25 ℃，溫升30℃，小于規(guī)范的45 ℃。

3）在表面采取適當(dāng)?shù)谋卮胧┣闆r下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)裂縫寬度為0.07～0.08 mm，小于規(guī)范限值0.3 mm。

綜上所述，在合適的配合比、入模溫度以及表面保溫情況下，可滿足規(guī)范關(guān)于溫度及裂縫的控制要求。