海港重力式碼頭胸墻和面層混凝土裂縫控制

熊建波，鄧春林，徐兆全，潘德強(qiáng)

（中交四航工程研究院有限公司，水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

0 引言

提高水運(yùn)工程基礎(chǔ)設(shè)施的使用品質(zhì)和壽命，是我國“十二五”期間水運(yùn)工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)關(guān)注的主題之一。隨著我國水運(yùn)工程基礎(chǔ)設(shè)施不斷向外?；⒋笮突l(fā)展，作為港口碼頭主要形式之一的重力式碼頭被越來越多采用。然而，重力式碼頭的胸墻和面層是暴露面積較大的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土裂縫問題是到目前為止尚未徹底解決而又普遍存在的質(zhì)量通病[1-2]。

近代科學(xué)關(guān)于混凝土的研究及大量混凝土工程實(shí)踐證明，混凝土裂縫是不可避免的，只是如何使有害程度控制在某一有效范圍內(nèi)[1]。海港重力式碼頭的胸墻和面層混凝土的裂縫易導(dǎo)致碼頭使用性降低，加速混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的失效，裂縫寬度超過規(guī)定限值將導(dǎo)致鋼筋銹蝕破壞，因此，控制重力式碼頭胸墻和面層混凝土的有害裂縫是保證結(jié)構(gòu)使用品質(zhì)的重要內(nèi)容之一。

本文以實(shí)際工程為例，綜合分析研究海港重力式碼頭胸墻和面層混凝土裂縫形成的影響因素，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)源頭對(duì)裂縫控制進(jìn)行優(yōu)化，并得到了驗(yàn)證，可為類似工程的裂縫控制提供參考。

1 胸墻和面層混凝土裂縫控制研究現(xiàn)狀

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的目標(biāo)主要是控制其最大寬度，要求其在使用年限內(nèi)不影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性、使用性。

對(duì)碼頭面層裂縫的形成原因，諸多工程人員也多次撰寫相關(guān)論文[3-5]，多方面分析裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素。碼頭面層混凝土裂縫受原材料、混凝土配合比、施工質(zhì)量控制以及結(jié)構(gòu)形式等多種因素的影響，其裂縫控制多采取全過程的質(zhì)量控制，主要從原材料、混凝土配合比、施工質(zhì)量控制以及設(shè)計(jì)4個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，采取綜合防治措施。如原材料方面：采用低熱、收縮性小的水泥材料、纖維混凝土、補(bǔ)償收縮混凝土；施工工藝方面：加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)拉毛，真空吸水等。采用這些措施使得碼頭外觀質(zhì)量得到一定程度的改觀[6]。

碼頭胸墻裂縫控制的報(bào)道并不多見，裂縫原因分析主要集中在混凝土水化熱以及混凝土干燥收縮等，相應(yīng)的控制措施包括分段長度控制、低熱混凝土優(yōu)選、澆筑混凝土?xí)r溫度控制以及摻加塊石、縮短混凝土分層澆筑間隔時(shí)間等[7]。

以上關(guān)于碼頭胸墻和面層混凝土的研究，多數(shù)的分析重點(diǎn)和解決措施仍局限在已設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)本身，沒有全面分析裂縫產(chǎn)生的深層次原因，重后期施工中的控制而輕前期設(shè)計(jì)階段的預(yù)判和預(yù)防，特別是對(duì)于容易引起開裂的碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)要求等方面，未見有作深入的分析[8]。

2 工程實(shí)例的裂縫分析

2.1 工程概況

我國華南地區(qū)某重力式碼頭工程一期兩個(gè)泊位長度共計(jì)為716m。設(shè)計(jì)對(duì)碼頭胸墻及面層混凝土的性能指標(biāo)要求見表1。碼頭胸墻分40段澆筑，每段尺寸為：17.9m×5.3m×3.55m（長×寬×高），屬典型的長墻式大體積混凝土，胸墻采用橫向φ14@200，縱向φ25@200鋼筋。碼頭面層總寬度為5.5 m，澆筑厚度100～150 mm，采用橫向φ14@200，縱向φ25@200鋼筋。

表1 碼頭混凝土的性能指標(biāo)要求Table1 Performance index request of the concrete of quay

胸墻采用分層澆筑，每段胸墻澆筑分4層控制：第1層（底層）為胸墻與沉箱的嵌固及沉箱缺口處的混凝土澆筑；第2層胸墻主體下部1.8m高度；第3層胸墻主體上部1.4m高度；第4層胸墻頂部碼頭面層及護(hù)輪坎等。面層施工在胸墻主體上部澆筑完，碼頭沉降基本完成后分塊進(jìn)行澆筑。

施工中采用中粗河砂，16～31.5 mm及20～40 mm連續(xù)級(jí)配石子，P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，在設(shè)計(jì)文件要求的框架內(nèi)優(yōu)選了低熱低收縮混凝土，其配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶水∶外加劑=0.80∶0.20∶1.62∶2.76∶0.40∶0.0018，膠凝材料用量為415 kg/m3，混凝土的坍落度50～90 mm，混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為50.2 MPa、58.1 MPa。

2.2 裂縫情況

工程建設(shè)初期，碼頭胸墻雖然應(yīng)用了分層分段澆筑工藝，但澆筑的幾段胸墻混凝土在拆模后，混凝土表面出現(xiàn)多條稍有規(guī)則的近豎向裂縫，裂縫長度約為0.5～2m，寬度約為0.1～1mm。在工程建設(shè)后期，為了減少裂縫的發(fā)生，加強(qiáng)了混凝土表面的潮濕養(yǎng)護(hù)，并控制胸墻混凝土的入模溫度不大于30℃，胸墻部位的裂縫數(shù)量有所減少，但改善效果有限。碼頭面層在澆筑完成后的早期出現(xiàn)的均為細(xì)微龜裂紋，約在澆筑完成4個(gè)月后，陸續(xù)出現(xiàn)數(shù)量密集的裂縫，并多垂直或平行于碼頭長度方向，以垂直于碼頭長度方向的裂縫數(shù)量居多，裂縫長度約為0.5～3.5m，寬度約為0.1～2.5mm。

2.3 裂縫分類及特征

通常，混凝土裂縫產(chǎn)生的原因可分為3大類：荷載裂縫、變形裂縫及其它物理或化學(xué)變化產(chǎn)生的裂縫。

對(duì)于新建重力式碼頭胸墻，大都是由變形引起的裂縫，主要由溫度、收縮、膨脹以及不均勻沉降等變形因素引起。變形裂縫產(chǎn)生的主要原因和特征如下：塑性收縮裂縫是在混凝土成型后處于塑性狀態(tài)時(shí)，由于混凝土中水分蒸發(fā)導(dǎo)致體積收縮而出現(xiàn)的裂縫，其多發(fā)生在豎向尺寸較大的混凝土上表面或側(cè)面，在混凝土澆筑后終凝前出現(xiàn)，約在澆筑后4～15 h；通常為不規(guī)則裂縫，無固定方向。溫度裂縫是由于內(nèi)外溫度梯度較大，內(nèi)外熱脹冷縮變形不一致而產(chǎn)生的裂縫，多出現(xiàn)在溫差較大的部位；一般出現(xiàn)降溫階段，混凝土澆筑后2～7 d，裂縫無固定走向。干燥收縮裂縫是由于混凝土停止?jié)菜B(yǎng)護(hù)后，混凝土中的吸附水及毛細(xì)水蒸發(fā)，收縮變形過大而導(dǎo)致的裂縫，干縮通常包括了混凝土自身體積變化引起的收縮，一般產(chǎn)生于存在濕度差的地方，如表面系數(shù)較大的板式或壁式結(jié)構(gòu)表面，且大都為表面裂縫；裂縫出現(xiàn)在從混凝土硬化到齡期數(shù)年的較長時(shí)間內(nèi)；裂縫走向多為長方形混凝土結(jié)構(gòu)的垂直方向，裂縫互相平行，間隔距離比較均勻。

2.4 原因分析

通過考察裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、走向等，結(jié)合裂縫的分類及特征，分析引起碼頭面層和胸墻裂縫出現(xiàn)的原因如下：

1）胸墻屬于長墻式大體積混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫主要為溫度和收縮引起的變形導(dǎo)致。長墻式大體積混凝土結(jié)構(gòu)極易因溫度和收縮作用產(chǎn)生變形，在內(nèi)外約束條件下產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)便引起開裂，裂縫大都是垂直長邊（豎向）。碼頭胸墻混凝土配合比中，通過對(duì)水化熱等的優(yōu)選，采用了最優(yōu)的低熱低收縮的混凝土，但因混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)及水膠比的要求，采用的膠凝材料用量仍高達(dá)415 kg/m3，混凝土的富余強(qiáng)度較大，非常不利于長墻式大體積混凝土的裂縫控制。碼頭胸墻混凝土，同時(shí)處于海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)3個(gè)區(qū)域，通過對(duì)JTJ275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本工程對(duì)胸墻混凝土的技術(shù)要求為按浪濺區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使得胸墻混凝土膠凝材料用量居高不下，直接降低了混凝土材料的抗溫度影響和抗收縮變形的能力。

眾所周知，混凝土結(jié)構(gòu)包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的定義為以混凝土為主制成的結(jié)構(gòu)，素混凝土結(jié)構(gòu)定義為無筋或不配置受力鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)。對(duì)于重力式碼頭的胸墻混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是胸墻上部，其鋼筋的設(shè)置均按構(gòu)造筋來配置，不屬于受力筋。因此，胸墻混凝土應(yīng)按海港工程浪濺區(qū)的素混凝土結(jié)構(gòu)來參照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。這樣可以降低混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)要求，從而降低混凝土的膠凝材料用量，減少胸墻大體積混凝土溫度和收縮變形開裂的風(fēng)險(xiǎn)。此外，參照規(guī)范還可在現(xiàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上減少鋼筋的保護(hù)層厚度，可直接提高混凝土結(jié)構(gòu)抗溫度和收縮變形的能力及對(duì)混凝土表面裂縫開展的約束能力。

2）碼頭現(xiàn)澆面層表面積大而厚度較薄，因此其受環(huán)境溫度和濕度的影響較為明顯。工程現(xiàn)場(chǎng)碼頭面層出現(xiàn)的裂縫數(shù)量密集，并多為垂直于碼頭長度方向，而出現(xiàn)裂縫的時(shí)間大多發(fā)生在驗(yàn)收后，由于碼頭基礎(chǔ)為重力式沉箱，實(shí)體承載力達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中滿足正常使用荷載，所以可以排除受力裂縫和地基沉降裂縫，可以推定裂縫類型屬于干燥收縮變形為主導(dǎo)致的混凝土開裂。

3 解決措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)以上重力式碼頭出現(xiàn)的裂縫，在該港口二期工程的重力式碼頭工程中，通過與設(shè)計(jì)單位及業(yè)主監(jiān)理單位的充分溝通，進(jìn)行了以下改進(jìn)措施。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

1）胸墻分層澆筑的第2層、第3層混凝土不受JTJ 275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)暴露于浪濺區(qū)的鋼筋混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)不小于C40、水膠比最大允許值不大于0.40規(guī)定的約束，且第1層（底層）位于水位變動(dòng)區(qū)，按水位變動(dòng)區(qū)鋼筋混凝土要求進(jìn)行即可。因此，除胸墻面層外，胸墻所有混凝土均按水位變動(dòng)區(qū)要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，即：水膠比≤0.50，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

2）胸墻混凝土的構(gòu)造筋設(shè)置不宜間距過大，保護(hù)層不宜過厚，鋼筋不宜過粗。配置構(gòu)造筋的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土保護(hù)層最小厚度不應(yīng)小于40mm，且不小于2.5倍構(gòu)造筋直徑。在配筋率不變的條件下，選擇直徑較小的鋼筋、小間距布置可以增強(qiáng)鋼筋對(duì)裂縫的約束能力，進(jìn)而減少裂縫的數(shù)量和寬度。因此，為了約束裂縫的開展和減小裂縫的寬度，碼頭胸墻混凝土結(jié)構(gòu)縱向鋼筋由φ25降低到φ20，間距改為150mm；將橫向鋼筋的直徑由φ14改為φ12，間距改為100mm；將鋼筋的保護(hù)層厚度降低為50mm。

3）碼頭面板如與磨耗層同時(shí)施工，為了加強(qiáng)對(duì)表層混凝土約束作用，減少其干縮引起的裂縫，設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)是一種比較有效的措施。在碼頭面層設(shè)計(jì)中，增加了抗裂鋼筋網(wǎng)：橫向φ6@50，縱向 φ6@80。

4）適當(dāng)降低鋼筋的保護(hù)層厚度或增加鋼筋布置的密度，可增加鋼筋對(duì)混凝土的收縮約束，從而有利于控制碼頭面層混凝土的干縮裂縫[9]。因此，碼頭面層配筋采用了減小鋼筋直徑和間距的方法。該碼頭面層混凝土鋼筋為構(gòu)造筋配制，其直徑和間距尚存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，以起到類似抗裂鋼筋網(wǎng)的作用，進(jìn)而用抗裂鋼筋網(wǎng)取代。

5）除胸墻之間的結(jié)構(gòu)縫外，在碼頭面層澆筑期間增設(shè)預(yù)留臨時(shí)性伸縮縫（后澆帶工藝）。

6）針對(duì)碼頭面層分塊長度過長，造成應(yīng)力集中，易開裂，采取的措施有：在碼頭面層中間采用結(jié)構(gòu)分縫，結(jié)構(gòu)縫用橡膠板填塞；碼頭面層表面沿縱向3m左右鋸切槽口，深度為30mm，寬度為3～5mm。

3.2 施工工藝方面

1）胸墻混凝土澆筑分層分段進(jìn)行，并采用跳倉澆筑。在兩層混凝土之間增設(shè)少量豎向鋼筋。在第3層與面層（胸墻第4層）澆筑的時(shí)間間隔盡可能縮短，降低第3層胸墻混凝土對(duì)面層的約束[10]。

2）嚴(yán)格控制混凝土入模溫度外，采取一定保溫措施，特別注意對(duì)胸墻第1、2層混凝土的外層覆蓋土工布、塑料布等。

3）面層混凝土在初凝之前增加抹面次數(shù)達(dá)6次，減少早期的塑性裂縫和沉降裂縫，養(yǎng)護(hù)措施為薄膜+土工布覆蓋，不間斷潮濕養(yǎng)護(hù)至少14 d。

4）碼頭面層鋸縫時(shí)間控制在拆模之后立即進(jìn)行。

3.3 混凝土材料方面

碼頭胸墻采用CCC或ANSYS軟件計(jì)算各層混凝土溫度應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)配合比做相應(yīng)的調(diào)整。隨著強(qiáng)度等級(jí)的調(diào)整，配合比優(yōu)化后的混凝土水膠比為0.45，膠凝材料總量降為360 kg/m3，相比之前的配合比，增強(qiáng)了混凝土的體積穩(wěn)定性的，同時(shí)大大降低了水化熱溫升。

通過以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理優(yōu)化，加強(qiáng)對(duì)施工工藝的落實(shí)、原材料質(zhì)量控制、配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化等措施，在該港口二期工程的重力式碼頭胸墻和面層的裂縫已顯著減少，裂縫控制在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)是設(shè)計(jì)、材料、施工等因素共同影響的結(jié)果，因此，裂縫控制是設(shè)計(jì)和施工單位共同需要考慮的問題。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法、環(huán)境條件等各方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫的預(yù)研與預(yù)判，并提前做好各環(huán)節(jié)相應(yīng)的控制措施優(yōu)化，以最大限度控制有害裂縫的產(chǎn)生。

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