超大型墩臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制

孫建德，姜雪峰

（1.唐山曹妃甸實(shí)業(yè)港務(wù)有限公司，河北 唐山 063200；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

高樁碼頭墩式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工效率快等優(yōu)點(diǎn)，目前在大型開(kāi)敞式水工碼頭結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。曹妃甸礦石二期碼頭、棧橋、引堤工程碼頭墩臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸31 m×26 m×6.4 m，結(jié)構(gòu)之大，國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)。作為結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)之一，大體積混凝土的澆筑，尤其結(jié)構(gòu)裂縫防裂是工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵。因此，需要明確大體積混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的原因，制定出相應(yīng)的施工、技術(shù)措施，最終達(dá)到減少、以致消除結(jié)構(gòu)裂縫的目的。下面將從裂縫的成因、防治及效果三個(gè)方面對(duì)超大型墩臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制展開(kāi)論述。

1 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的因素

1.1 混凝土的收縮

1） 水泥用量越大，用水量越多，即水泥漿量越大、混凝土坍落度越大，混凝土收縮越大。

2） 水灰比（或水膠比） 越大，混凝土凝結(jié)后所剩余的水分越多，對(duì)混凝土的收縮越不利。

3） 礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高；普通水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的混凝土收縮性較低。另外，水泥標(biāo)號(hào)越低、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時(shí)間越長(zhǎng)。

4） 骨料粒徑越粗，收縮越小；骨料粒徑越細(xì)、砂率越高，收縮越大。另外，粗細(xì)骨料中含泥量越大，收縮也越大。

5） 環(huán)境濕度越大，收縮越小；環(huán)境溫度越高，收縮越大。

1.2 水泥水化熱的影響

大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因是水泥水化過(guò)程中釋放了大量熱量，且主要集中在澆筑后的7 d左右。一般水泥可以放出500 J/g左右的熱量，如果以水泥用量350～450 kg/m3來(lái)計(jì)算，混凝土將放出175 000～225 000 kJ/m3的熱量，使混凝土內(nèi)部溫度升高（可達(dá)70℃左右，甚至更高）[1]。對(duì)于大體積混凝土來(lái)講，這種現(xiàn)象非常嚴(yán)重，必須采取措施盡量降低混凝土內(nèi)部溫度，最終減少混凝土的內(nèi)外溫差。

1.3 大氣溫度和濕度變化的影響

1.3.1 內(nèi)部溫度的影響

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。

1.3.2 外界溫度的影響

溫度裂縫區(qū)別于其它裂縫的最主要特征是隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就愈高；如果外界溫度降低則又會(huì)增加大體積混凝土的內(nèi)外溫差，當(dāng)外界溫度下降過(guò)快，會(huì)造成很大的溫度應(yīng)力，極其容易引發(fā)混凝土的開(kāi)裂。

1.3.3 外界濕度的影響

外界的濕度降低會(huì)加速混凝土的干縮，導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

2 大體積混凝土施工技術(shù)措施

2.1 原材料的選用是關(guān)鍵

2.1.1 水泥品種的選擇

應(yīng)選擇低熱或者中熱的水泥進(jìn)行施工。考慮到本工程工期異常緊張，混凝土的早期強(qiáng)度不能過(guò)低，所以采用了唐山冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5R水泥。水泥的檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水泥的檢驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 細(xì)骨料的使用

泵送混凝土宜使用級(jí)配良好、細(xì)度模數(shù)在2.6～3.0間的中粗砂，經(jīng)過(guò)對(duì)幾家供料商提供的不同產(chǎn)地河砂進(jìn)行檢驗(yàn)對(duì)比，最終選擇了質(zhì)地堅(jiān)硬、含泥量低、級(jí)配良好的綏中河砂作為細(xì)骨料。砂的檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 砂的檢驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 粗骨料的使用

碎石采用豐潤(rùn)山區(qū)生產(chǎn)的5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，過(guò)程中對(duì)材料的進(jìn)場(chǎng)嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)級(jí)配、含泥量，石粉含量嚴(yán)格控制，提高混凝土的和易性，減少需水量，減少導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的誘因。碎石的檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

2.1.4 外加劑的選用

配制出物理性能和工藝性能良好的配合比，減水劑的選用至關(guān)重要，因此，選用了經(jīng)多年使用產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、勻質(zhì)性能良好的天津雍陽(yáng)產(chǎn)UNF-5液體高效減水劑，引氣劑采用天津砼久建材有限公司生產(chǎn)的AE型混凝土引氣劑。減水劑和引氣劑的檢驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表4和表5。

表3 碎石的檢驗(yàn)結(jié)果

表4 減水劑的檢驗(yàn)結(jié)果

表5 引氣劑（松香熱巨物）檢驗(yàn)結(jié)果

UNF-5液體高效減水劑和AE引氣劑通過(guò)電子秤計(jì)量，提高了摻量的準(zhǔn)確度，混凝土攪拌均勻、和易性能好，保證了混凝土的水膠比，提高了耐久性。

2.2 降低水化熱，配合比的優(yōu)化是關(guān)鍵

采用添加摻合料的方法來(lái)降低水泥用量，是降低水化熱的最好辦法之一。摻合料能明顯改變水泥硬化漿體的微觀結(jié)構(gòu)，二次水化填充了大量的孔隙，將混凝土變得更加密實(shí)，同時(shí)結(jié)合減水劑的作用，降低了混凝土的水膠比，提高了混凝土的耐久性。

礦石二期工程墩臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35F300，不屬于高性能抗凍混凝土。通過(guò)前期多次與公司檢測(cè)中心聯(lián)系、溝通，得知水膠比小于0.40，且礦粉、粉煤灰摻量≤60%（占膠凝材料總量）時(shí)，可用于北方高抗凍混凝土中，為前期的準(zhǔn)備提供了技術(shù)參考。由于受到現(xiàn)場(chǎng)混凝土拌和船設(shè)備條件的約束，滿(mǎn)足不了同時(shí)摻加兩種摻合料的條件，因此選擇單摻S95磨細(xì)礦渣粉的方法進(jìn)行試配。經(jīng)過(guò)多次的試配、調(diào)整，在保證較低的水膠比和總體膠凝材料不變的情況下，混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)和施工可操作性令人滿(mǎn)意，最終配合比及磨細(xì)礦渣粉的性能指標(biāo)見(jiàn)表6、表7。

表6 混凝土配合比及強(qiáng)度

表7 磨細(xì)礦渣粉(S95)的性能指標(biāo)

此配合比經(jīng)過(guò)多次的試拌，各種參數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合現(xiàn)場(chǎng)施工的要求，在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，磨細(xì)礦渣粉替代水泥用量30%，每m3混凝土減少了將近58 500 kJ熱量的釋放，有效降低了混凝土內(nèi)外溫差。

對(duì)于摻加礦渣粉的混凝土在不同齡期和氣溫條件下的強(qiáng)度與耐久性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 混凝土強(qiáng)度與耐久性檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 混凝土的施工

海上施工，混凝土的澆筑由拌和船來(lái)完成。選用性能良好的拌和船至關(guān)重要，同時(shí)安排好澆筑時(shí)間、控制入模溫度，加強(qiáng)潮濕養(yǎng)護(hù)同樣重要。

2.3.1 拌和船的施工效率

海上施工受水文、風(fēng)浪的影響非常大，每次澆筑應(yīng)確保連續(xù)作業(yè)，避免出現(xiàn)由于人為因素、機(jī)械故障等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)，需要加強(qiáng)施工的協(xié)調(diào)和船舶的保養(yǎng)工作。

2.3.2 拌和船的計(jì)量系統(tǒng)

拌和船的計(jì)量控制系統(tǒng)由電腦控制平臺(tái)來(lái)完成，各種電子秤在使用前要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校正，并有合格率定證書(shū)。受海浪影響，秤的計(jì)量偏差較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)計(jì)量偏差的檢驗(yàn)，及時(shí)糾正偏差，保證輸入數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

2.3.3 澆筑時(shí)間安排

降低混凝土的入模溫度，盡量避開(kāi)高溫條件下澆筑。4—6月份，大氣溫度一般在10～25℃左右是最佳的澆筑時(shí)期，這個(gè)時(shí)期混凝土的內(nèi)外溫差最小，不易產(chǎn)生溫度裂縫。在7—8月份施工過(guò)程中，由于正處三伏天氣，氣溫一般達(dá)到25～35℃左右，應(yīng)盡量避開(kāi)高溫時(shí)段，適時(shí)安排好現(xiàn)場(chǎng)的施工順序，混凝土的施工在夜間進(jìn)行，盡量降低入模溫度。

2.3.4 澆筑溫度控制

避開(kāi)炎熱天氣澆筑，采用溫度較低的地下水?dāng)嚢杌炷?，?duì)存放在拌和船上的骨料進(jìn)行遮陽(yáng)、灑水降溫，采取在夜間施工的方式來(lái)降低混凝土的入模溫度，經(jīng)測(cè)量混凝土的內(nèi)外溫差小于25℃。

2.3.5 潮濕養(yǎng)護(hù)

由于曹妃甸甸頭地區(qū)屬于近海海洋氣候，空氣流通快，混凝土表面水分流失快。針對(duì)海上淡水養(yǎng)護(hù)不便的缺點(diǎn)，項(xiàng)目部加大資金投入，專(zhuān)門(mén)租用養(yǎng)護(hù)船每天不間斷對(duì)混凝土進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，并安排專(zhuān)人進(jìn)行管理，有效地減少和延緩了裂縫的出現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)工程實(shí)際情況，采取一系列措施防治超大型墩臺(tái)混凝土的裂縫。從檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，澆筑28 d后的墩臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)裂縫，可見(jiàn)上述措施取得了一定成效。

[1]林青寶.橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與控制[J].黑龍江交通科技，2007（8）：69-70.