淺談大體積混凝土擋土墻溫度控制方法

石振洲

安徽省交控建設管理有限公司（230093）

1 工程概況

蕪湖至黃山高速公路路基09 標位于皖南山區，毗鄰黃山風景保護區，標段內地形復雜，山高、坡陡、地面高差大。沿線設置大體量混凝土擋土墻，以減少紅線用地，最大限度的保護自然及生態環境。標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 混凝土裂縫一般規律

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

圖1 深層裂縫開裂示意圖

混凝土結構的力學響應受不均勻溫度場、結構形式、約束邊界、材料特性共同影響，就大體積混凝土而言，早期開裂的機理及主要類型如下:

2.1 由約束面發展的深層裂縫

水化效應影響下，升溫期結構膨脹，降溫期結構收縮，在變形受到約束的情況下，在約束面分別產生壓應力和拉應力。由于早期彈性模量低，后期彈性模量高，降溫期產生的拉應力要高于升溫期產生的壓應力，結構約束面上必然產生受拉效應，當拉應力超過混凝土相應齡期的抗拉強度時，將產生沿約束面延伸的深層裂縫，該受拉效應受整體溫升量值以及約束形式影響。

2.2 由外表面向內發展的淺層裂縫

在不利環境作用下或表面失養的條件下，外表面散熱較快產生較大收縮變形，從而在表面產生較大的拉應力，在早期混凝土強度水平較低的時候，極易產生表面密集龜裂現象（如圖2 所示）。

圖2 表面裂縫開裂示意圖

2.3 內表連通的貫穿開裂

在內部與表面溫度失控的情況下，內部裂縫與表面裂縫持續發展，可能連通，產生貫穿性開裂，嚴重破壞混凝土結構的整體性。

在以上開裂類型中，深層開裂一般切斷結構斷面，破壞結構整體性，對于后期受力具有較大的危害性，在不延伸至表面時往往難以察覺，而淺層裂縫則形成腐蝕通道，影響結構的耐久性和美觀性。

綜上所述，大體積混凝土工程施工過程中，在內部因素（溫度收縮、水化收縮、彈性模量增長、抗拉強度增長）、外部環境條件（氣溫變化、風速、濕度）、基礎約束條件及施工工藝的共同影響下，可能產生三類裂縫:表面裂縫、深層裂縫及貫穿裂縫。為確保大體積混凝土結構施工質量，必須根據工程的實際情況，準確進行溫度預測，詳盡地進行溫度應力分析，合理地制訂溫控方案，才能避免及防止裂縫的產生。

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，在約束面產生開裂，在溫控設計中也應予以適當考慮。

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關于大體積混凝土的規定，或因內部溫升及表面溫差有害裂縫。

根據第2 節所述，擋土墻也可能產生表面裂縫、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壓力的能力，應予以避免。

2）對于表面裂縫，根據JTG F80/1—2017 附錄P，隱蔽結構非受力裂縫寬度限值為0.3 mm，現場應進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量，提高混凝土的品質。

4 擋土墻溫控標準與控制措施

4.1 溫控標準

4.1.1 指標組成

就開裂的力學機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是溫度控制與應力控制，詳述為:控制大體積混凝土結構的溫度拉應力不超過混凝土相應齡期的抗拉強度。

對于擋土墻內部布置水管進行主動控制，成本高、功效低，不建議采用，應采取有效措施降低水化溫升熱量，避免貫穿裂縫，并對表面加強保溫，減少表面開裂。通過分析其控制指標為:入模溫度；最高溫度和最高溫升；里表溫差與表環溫差以及基礎溫差與層間溫差等。

4.1.2 指標限值

根據理論分析計算，結合規范相關要求，制定本次溫控指標如下:

1）入模溫度。入模溫度應以規范標準進行控制，取5～28 ℃。

2）最高溫度和最高溫升。為控制內部應力，本次最高溫升控制為不得大于35 ℃；由于平均環境溫度為25 ℃左右，因此最高溫以60 ℃進行控制。

3）里表溫差與表環溫差。結合規范標準，里表溫差控制指標為25 ℃，表環溫差控制指標為15 ℃。

4）基礎溫差與層間溫差。結合規范標準與理論計算，入模時基礎溫差取15 ℃，分層澆筑期間，層間溫差控制在25 ℃以內。

4.2 控制措施

4.2.1 配合比優化

為使大體積混凝土具有良好的抗裂性能、體積穩定性和抗滲性，混凝土配制按如下原則配制:

1）選用優質聚羧酸類緩凝高性能減水劑。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，降低水灰比以達到減少水化熱的目的。

2）選用級配良好、低熱膨脹系數、低吸水率的粗集料。優質骨料體積穩定性好、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0.5%，細集料含泥量不得超過2%。

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

4.2.2 降低入模溫度

1）控制混凝土的澆筑溫度對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，可通過測量水泥、粉煤灰、砂、石、水的溫度，考慮環境溫度來估算澆筑溫度。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境溫度，因此選擇合適的時間進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，則應采取相應措施通過熱工計算和降低各原材料溫度來降低澆筑溫度，使其滿足控制標準。

4.2.3 表面養護與保溫

大體積混凝土表面防裂控制主要是控制表面的散熱速率，一般根據所處環境不同有以下三種做法，以下方法可以根據現場實際情況進行選用，或進行適當組合選用:

1）覆蓋保溫。采用土工布進行表面覆蓋，避免外部冷激的情況產生，覆蓋時邊角地方應加厚，避免邊角降溫過快產生橫向開裂。

2）保濕養護。表面及時灑水保濕，提高表面的抗拉強度，避免混凝土的干縮。

3）及時回填。利用土體的導熱率低的特點，在上層澆筑的時候，及時回填下層土體，起到保溫的作用。

4）合理控制保溫時間。對表面溫度進行監測，待表面溫度與環境最低氣溫差值在15 ℃以內時，可停止監測并拆除保溫措施。

5 施工方案

5.1 施工工藝

衡重式擋土墻工藝流程：施工準備→測量放樣→基槽開挖(處理）→地基承載力檢測→立模加固→安裝泄水孔→分層澆筑混凝土→拆除模板→養護→墻背回填（反濾層設置）→錐坡砌筑。

擋土墻的澆筑標準長度為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格較多，由于規律較為接近，選取典型的小尺寸、大尺寸結構分別計算（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 配合比設計

根據溫度控制措施，采用優化后C20 混凝土，配合比設計見表1。

表1 優化后C20 混凝土配合比

5.3 溫度監測

在擋土墻內部布置溫度測點予以監測，收集數據，為后續擋墻的施工提供支持。

5.4 測點布置

測點布置以捕捉最高溫、最不利溫度場為目的，布置如圖3 所示。在每個斷面上布置5 個，內部布置1 個，底面、頂面及兩側面各布置1 個，同時對環境溫度進行同步測試。

圖3 測點布置示意圖

通過測試對內部溫度進行校驗，對表面保溫措施的有效性進行檢驗，對各溫控指標進行檢驗。測點埋設應注意加強保護，避免振搗破壞測點。

5.5 監測方法

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

2）大氣溫度測量:與混凝土溫度同步觀測。

3）特殊情況下，如晝夜溫差較大期間，適當加密測量次數。

5.6 監測結果

1）5 m 擋土墻。最高溫變化如圖4 所示，可見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55 ℃。

2）9 m 擋土墻。最高溫變化如圖4 所示，可見各層最高溫基本較為接近，總體上不超過55 ℃，9 m擋墻與5 m 監測結果整體接近。

圖4 擋土墻最高溫度變化

6 總結分析

通過監測數據分析，得出5 m 擋土墻與9 m 擋土墻的分析結果基本一致，主要結論如下:

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

2）在合適的配合比情況下進行澆筑，內部最高溫度不超過55 ℃，相對于入模溫度25 ℃，溫升30℃，小于規范的45 ℃。

3）在表面采取適當的保溫措施情況下，根據現場實測裂縫寬度為0.07～0.08 mm，小于規范限值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，可滿足規范關于溫度及裂縫的控制要求。