碼頭護(hù)岸工程大體積素混凝土開(kāi)裂的影響因素分析

張浩棟，程有彬，蘇俊劍

（1.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136；2.上海航源港口工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200120）

碼頭護(hù)岸工程大體積素混凝土開(kāi)裂的影響因素分析

張浩棟1，程有彬1，蘇俊劍2

（1.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136；
2.上海航源港口工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200120）

基于江蘇省呂四漁港內(nèi)港池碼頭護(hù)岸混凝土工程，探討了碼頭護(hù)岸大體積素混凝土工程的溫度測(cè)試點(diǎn)位置及混凝土入模溫度、混凝土內(nèi)部溫度、溫度梯度及降溫速率等因素與其早期開(kāi)裂之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土入模溫度在15～30℃時(shí)，該大體積素混凝土的開(kāi)裂與否和入模溫度并無(wú)直接關(guān)聯(lián)性；混凝土的中部溫度梯度及其降溫速率越大，而其內(nèi)部溫度梯度越小，則混凝土易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。因此可通過(guò)控制混凝土在峰值溫度后具有較低的中部溫度梯度及降溫速率而有較高的內(nèi)部溫度梯度，來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制和預(yù)防該類(lèi)混凝土的開(kāi)裂現(xiàn)象。

呂四碼頭護(hù)岸工程；大體積素混凝土；早期開(kāi)裂；入模溫度；溫度梯度

1 工程背景

江蘇省呂四漁港內(nèi)港池碼頭及護(hù)岸工程，位于江蘇省啟東市呂四鎮(zhèn)，地處長(zhǎng)江入?？冢こ讨饕ù蟾鄢匕毒€(xiàn)、三個(gè)小島岸線(xiàn)、連接小島引橋等。該碼頭護(hù)岸工程從下往上依次由拋石基床、現(xiàn)澆摻石混凝土基礎(chǔ)、現(xiàn)澆摻石混凝土墻身、鋼筋混凝土卸荷板和現(xiàn)澆素混凝土胸墻等組成，其中現(xiàn)澆素混凝土胸墻為大體積素混凝土結(jié)構(gòu)。現(xiàn)澆胸墻為C35混凝土，每12m設(shè)置1道伸縮縫；混凝土采用一次澆注振搗成型，未分層澆注。夏天施工時(shí)，一般在24 h左右拆模，而冬天在36 h左右拆模。此外，在施工養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，混凝土表面覆蓋無(wú)紡布，夏天施工時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)7 d，每天澆水3次；冬天采用土工布覆蓋保溫15 d。在碼頭護(hù)岸工程胸墻澆筑完工4～5 d后，觀(guān)察已完成的現(xiàn)澆摻石混凝土基礎(chǔ)、墻身和鋼筋混凝土卸荷板均無(wú)明顯裂縫，但胸墻（底寬1.7 m、頂寬1.0 m、高2.7 m）出現(xiàn)大量肉眼可見(jiàn)裂縫，且裂縫均在變截面附近的1 m范圍內(nèi)，對(duì)碼頭及護(hù)岸工程的外觀(guān)質(zhì)量產(chǎn)生了不良影響。根據(jù)江蘇省水利建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站對(duì)裂縫進(jìn)行的超聲波檢測(cè)和鉆芯取樣結(jié)果顯示，裂縫最大長(zhǎng)度2.2 m，深度最大的達(dá)1.1 m，縫寬0.2～0.8 mm。另外施工監(jiān)測(cè)表明均無(wú)異常的沉降位移現(xiàn)象。

水泥混凝土澆筑后，因水泥水化放熱作用，混凝土內(nèi)部溫度會(huì)較快升高，加上混凝土自身導(dǎo)熱性能差，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)外產(chǎn)生明顯的溫差。由于材料具有熱脹冷縮特性，混凝土的內(nèi)外溫差會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部受壓而外部受拉的現(xiàn)象，當(dāng)混凝土自身抗拉強(qiáng)度小于溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)裂縫[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]及一些工程實(shí)踐也表明，混凝土早齡期內(nèi)部最高溫度及溫度梯度是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵因素。因此，了解并掌握混凝土內(nèi)部溫度變化規(guī)律，及時(shí)采取防護(hù)措施，對(duì)于防止混凝土結(jié)構(gòu)施工而產(chǎn)生裂縫顯得至關(guān)重要。

為了分析該碼頭護(hù)岸工程胸墻大體積素混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，本文系統(tǒng)測(cè)試和表征了胸墻上8個(gè)不同部位（16個(gè)測(cè)試點(diǎn)）的相關(guān)溫度隨時(shí)間變化情況，分析胸墻混凝土開(kāi)裂情況與混凝土入模溫度、混凝土內(nèi)外部位溫度變化及溫度梯度之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上探討了防止此類(lèi)大體積混凝土工程產(chǎn)生裂縫的技術(shù)措施，以期為類(lèi)似工程提供一定的參考。

2 測(cè)點(diǎn)布置

在胸墻混凝土8個(gè)不同部位每個(gè)選取2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，如圖1所示。所有測(cè)試點(diǎn)均布置在同一均勻受力面上，即受力及受約束情況一致。在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)內(nèi)部距離混凝土外側(cè)表面深度為0.05 m和1.10 m以及距離混凝土內(nèi)側(cè)表面0.05 m的3處埋入溫度探測(cè)裝置，測(cè)試混凝土內(nèi)部不同深度的溫度變化，如圖2所示?；炷吝@3個(gè)深度從外側(cè)到內(nèi)側(cè)依次命名為外部（A）、中部（B）和內(nèi)部（C）。混凝土澆筑后，在不同時(shí)段測(cè)試混凝土溫度情況。并對(duì)混凝土同一測(cè)試點(diǎn)不同深度的溫度梯度作如下定義：外部梯度=外部溫度-環(huán)境大氣溫度；中部梯度=中部溫度-外部溫度；內(nèi)部梯度=內(nèi)部溫度-中部溫度。

圖1 N號(hào)部位所選2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的位置示意

圖2 混凝土內(nèi)部不同深度的溫度探測(cè)裝置位置示意

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試點(diǎn)位置與開(kāi)裂的關(guān)系

圖3是混凝土胸墻8個(gè)部位的16個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)位置示意。

圖3 混凝土胸墻8個(gè)部位16個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)位置示意

由圖3可以看出，混凝土胸墻8個(gè)部位的16個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)在胸墻縱向長(zhǎng)度和上下高度方向上的位置并不相同。以1號(hào)和2號(hào)部位為例，2個(gè)部位的4個(gè)測(cè)試點(diǎn)距左側(cè)及右側(cè)伸縮縫的距離完全不同，測(cè)試點(diǎn)1-1和1-2距離左右伸縮縫分別為4 m和6 m，而2-1和2-2測(cè)試點(diǎn)分別為8.5 m和1.0 m。表1為這16個(gè)測(cè)試點(diǎn)開(kāi)裂情況。

表1 混凝土溫度測(cè)試點(diǎn)開(kāi)裂情況

由表1可見(jiàn)，2號(hào)、6號(hào)和7號(hào)這3個(gè)部位的6個(gè)測(cè)試點(diǎn)都沒(méi)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，而其余測(cè)試點(diǎn)均發(fā)生開(kāi)裂。由此可推斷，就該混凝土胸墻而言，其不同部位開(kāi)裂與否與所在位置（與左右伸縮縫的距離及高度方向的位置）無(wú)必然關(guān)系。

3.2 混凝土入模溫度與開(kāi)裂的關(guān)系（見(jiàn)表2）

表2 不同測(cè)試部位混凝土入模溫度與開(kāi)裂的關(guān)系

由表2可見(jiàn)，不同測(cè)試點(diǎn)的混凝土入模溫度在15.3～31.2℃。當(dāng)入模溫度達(dá)29.0℃和31.2℃時(shí)（1號(hào)和4號(hào)部位），混凝土發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫最大寬度為1 mm左右；當(dāng)入模溫度低至15.3℃時(shí)（5號(hào)部位），混凝土也發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫最大寬度為1 mm左右。當(dāng)入模溫度在16.6～21.5℃時(shí)，只有3號(hào)部位發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象；而2號(hào)、6號(hào)和7號(hào)部位均沒(méi)有開(kāi)裂。由此可見(jiàn)，混凝土入模溫度在15.3～31.2℃時(shí)，不同部位開(kāi)裂與否與混凝土入模溫度具有一定的關(guān)聯(lián)性?；炷寥肽囟容^高或較低時(shí)，該胸墻混凝土發(fā)生開(kāi)裂的幾率大，而在16～22℃時(shí)，發(fā)生開(kāi)裂的幾率較小，因此碼頭及護(hù)岸工程胸墻混凝土入模溫度宜控制在相對(duì)合適范圍內(nèi)。

3.3 混凝土內(nèi)部溫度及溫度梯度與開(kāi)裂的關(guān)系

鑒于1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)部位在測(cè)試齡期內(nèi)均發(fā)生開(kāi)裂，裂縫長(zhǎng)度為1.5～2.2 m（胸墻高2.2 m），普遍為上下貫穿裂縫[見(jiàn)圖4（a）]，裂縫深度貫穿整個(gè)胸墻厚度，裂縫寬度為0.1～0.9 mm[見(jiàn)圖4（b）]；而2號(hào)、6號(hào)、7號(hào)測(cè)試部位均未開(kāi)裂。以下分析選取1號(hào)和3號(hào)測(cè)試部位為代表，分析混凝土胸墻開(kāi)裂時(shí)混凝土的溫度變化及溫度梯度；并選取2號(hào)和6號(hào)測(cè)試部位為代表，分析混凝土胸墻未開(kāi)裂情況下混凝土的溫度變化及溫度梯度。并借此探討混凝土內(nèi)部溫度及溫度梯度變化與混凝土開(kāi)裂與否之間的關(guān)系。

圖4 混凝土胸墻開(kāi)裂后的裂縫情況

3.3.1 素混凝土胸墻開(kāi)裂情況下

圖5為測(cè)試點(diǎn)1-1和1-2的混凝土溫度變化趨勢(shì)。

圖5 1號(hào)測(cè)試部位混凝土不同深度的溫度隨時(shí)間的變化

由圖5可見(jiàn)，混凝土內(nèi)部不同深度位置的溫度均高于氣溫，且隨著時(shí)間延長(zhǎng)均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，并在混凝土入模約5.5 d時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)中部和內(nèi)部最高溫度均接近60℃，外部溫度近50℃?；炷羶?nèi)部不同深度的溫度由高至低順序?yàn)椋褐胁?內(nèi)部>外部，可見(jiàn)混凝土內(nèi)部溫度并沒(méi)有隨深度增加而成比例升高。根據(jù)觀(guān)察記錄，此處的混凝土裂縫是在混凝土澆筑后8 d出現(xiàn)，明顯滯后于其最高溫度出現(xiàn)時(shí)間，滯后約60 h。此外，對(duì)比圖5（a）和（b）易見(jiàn)，這2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的混凝土溫度變化規(guī)律一致，由此可推斷，就該胸墻混凝土而言，其溫度變化規(guī)律與測(cè)試點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)。

在混凝土施工及凝結(jié)硬化過(guò)程中，混凝土內(nèi)部由最高溫度逐漸降低到相對(duì)穩(wěn)定的溫度，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度拉應(yīng)力，從而易導(dǎo)致溫度裂縫的產(chǎn)生[4-6]。因此有必要進(jìn)一步分析各測(cè)試點(diǎn)內(nèi)部溫度梯度隨時(shí)間的變化規(guī)律。圖6為1號(hào)部位測(cè)試點(diǎn)1-1和1-2的混凝土內(nèi)部溫度梯度與時(shí)間的關(guān)系。

圖6 1號(hào)測(cè)試部位混凝土溫度梯度隨時(shí)間的變化

由圖6可見(jiàn)，混凝土外部梯度和中部梯度也均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在5.5 d時(shí)達(dá)到最大，但前4.0 d內(nèi)變化均不大，而在4.0～5.5 d時(shí)間段內(nèi)迅速變大；而內(nèi)部梯度始終維持在0℃左右。由此可知，此1號(hào)部位的混凝土內(nèi)部溫度和中部溫度基本同步同幅變化，該部位的保溫性能較差。

表3為所有發(fā)生開(kāi)裂的測(cè)試部位混凝土的內(nèi)部特征溫度情況。

表3 開(kāi)裂部位混凝土的內(nèi)部特征溫度情況

由表3可見(jiàn)：（1）雖然入模溫度和測(cè)試點(diǎn)位置不同，但混凝土內(nèi)部峰值溫度始終出現(xiàn)在中部或內(nèi)部，且在49～61℃之間。入模溫度為31.2℃（4號(hào)測(cè)試部位）時(shí)，混凝土內(nèi)部最高溫度分別為50℃和49℃；而入模溫度低至15.3℃時(shí)，不同部位（5號(hào)及8號(hào)測(cè)試部位）混凝土的最高溫度反而均在52℃以上。這說(shuō)明，混凝土內(nèi)部溫度變化情況并沒(méi)有受到入模溫度的影響。（2）混凝土發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，一般是在其中部或內(nèi)部溫度達(dá)到峰值后的2.0～3.5 d；且混凝土開(kāi)裂時(shí)，測(cè)試點(diǎn)的混凝土中部或內(nèi)部溫度較其峰值溫度已降低了16～26℃，中部溫度梯度的降溫速率在6.4～13.0℃/d。

綜上，產(chǎn)生裂縫的測(cè)試部位溫度變化及溫度梯度情況具有以下特征：（1）混凝土的內(nèi)部溫度和中部溫度變化基本同步，表明測(cè)試部位的保溫性能相對(duì)較差；（2）測(cè)試部位的開(kāi)裂一般發(fā)生在中部溫度或內(nèi)部溫度達(dá)到峰值后的2.0～3.5 d，且中部溫度梯度的降溫速率范圍在6.4～13.0℃/d。

3.3.2 素混凝土胸墻未開(kāi)裂情況下

圖7為2號(hào)部位測(cè)試點(diǎn)2-1和2-2的混凝土不同深度的溫度與時(shí)間關(guān)系。

由圖7可見(jiàn)，2-1及2-2測(cè)試點(diǎn)混凝土不同深度的溫度均高于氣溫且呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，這與3.3.1節(jié)中發(fā)生開(kāi)裂的各測(cè)試部位混凝土溫度變化規(guī)律基本一致。2號(hào)測(cè)試部位的2個(gè)測(cè)試點(diǎn)混凝土內(nèi)部不同深度的溫度均在混凝土澆筑后2.5 d達(dá)到最大，此時(shí)其中部溫度接近60℃；混凝土不同深度的溫度由高至低順序如下：中部＞內(nèi)部＞外部，但混凝土并未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象?？梢?jiàn)，該胸墻混凝土的最高溫度及其范圍并非是其發(fā)生開(kāi)裂與否的關(guān)鍵影響因素。進(jìn)一步探討了該部位混凝土內(nèi)部溫度梯度的變化情況，如圖8所示。

圖7 2號(hào)測(cè)試部位混凝土不同深度的溫度與時(shí)間關(guān)系

圖8 2號(hào)測(cè)試部位混凝土內(nèi)部溫度梯度隨時(shí)間的變化

由圖8可見(jiàn)，2號(hào)測(cè)試部位2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的外部梯度和中部梯度不斷波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在2.5 d時(shí)達(dá)到最大，且混凝土內(nèi)部溫度和中部溫度變化基本同步。此外，1 d后的中部梯度始終保持在10℃以上，表明2號(hào)測(cè)試部位的保溫性能較好；而中部梯度溫度降速則小于5℃/d。

此外，不同于發(fā)生開(kāi)裂的測(cè)試部位混凝土，2號(hào)測(cè)試部位的混凝土溫度梯度反而呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，且在3 d時(shí)達(dá)到最小值（-16℃）。因?yàn)閮?nèi)部梯度是混凝土內(nèi)部溫度與中部溫度的差值，可見(jiàn)2號(hào)測(cè)試部位測(cè)試點(diǎn)內(nèi)部溫度的變化不再與中部溫度同步，這進(jìn)一步表明2號(hào)測(cè)試部位的保溫性能較好。由此可知混凝土內(nèi)部保溫性好，可有效抑制裂縫的產(chǎn)生。

結(jié)合以上分析表明，混凝土胸墻未開(kāi)裂部位的混凝土內(nèi)部溫度及溫度梯度與開(kāi)裂部位的差異在于：未開(kāi)裂部位混凝土澆筑1 d后，中部梯度始終在10℃以上，中部梯度降溫速率小于6℃/d，且內(nèi)部溫度遠(yuǎn)低于中部溫度（差值5℃以上），即內(nèi)部溫度梯度大于5℃。

由此可見(jiàn)，混凝土澆筑后，內(nèi)部溫度升高速率、降低速率、溫度梯度及其降溫速率變化情況是影響該胸墻混凝土開(kāi)裂與否的關(guān)鍵因素。通過(guò)控制混凝土溫度降低速率以及不同深度的溫度梯度，可有效避免混凝土發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

基于上述分析可知，可通過(guò)降低混凝土中水化反應(yīng)的水化放熱速率和水化放熱量，確?；炷翝仓肽囟炔灰诉^(guò)高或過(guò)低，減小混凝土的內(nèi)外溫差及溫差變化速率等技術(shù)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)避免該胸墻混凝土的早期開(kāi)裂問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）裂縫產(chǎn)生的主要原因可能是該碼頭護(hù)岸工程胸墻澆筑時(shí)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力受制于側(cè)部墩身制約和底部卸荷板拉應(yīng)力的雙重作用，產(chǎn)生了溫度應(yīng)力裂縫。

（2）胸墻其混凝土不同深度的溫度和溫度梯度隨時(shí)間的變化規(guī)律與測(cè)試點(diǎn)位置選擇沒(méi)有必然聯(lián)系?；炷寥肽囟仍?5～30℃時(shí)，并不直接決定混凝土開(kāi)裂與否，但仍應(yīng)盡量避免入模溫度過(guò)高或過(guò)低。

（3）胸墻混凝土澆筑后，混凝土內(nèi)部不同深度的溫度都高于氣溫，且均隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；一般在澆筑后2～6 d達(dá)到峰值。

（4）混凝土內(nèi)部的峰值溫度常發(fā)生在中部位置或內(nèi)部位置；若發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，一般是在達(dá)到峰值溫度后的2～4 d內(nèi)，且開(kāi)裂部位的混凝土的保溫性能相對(duì)較差，溫度梯度以及降溫速率均較大。

（5）混凝土澆筑后，其內(nèi)部溫度升高和降低速率以及溫度梯度變化趨勢(shì)是影響混凝土胸墻開(kāi)裂與否的關(guān)鍵因素。通過(guò)控制混凝土溫度降低速率以及不同深度的溫度梯度，可有效預(yù)防混凝土胸墻以及類(lèi)似工程的混凝土發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

[1] 李潘武，曾憲哲，李博淵，等.澆筑溫度對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（5）：68-71.

[2] 侯景鵬，熊杰，袁勇.大體積混凝土溫度控制與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[J].混凝土，2004（5）：56-58.

[3] 楊碧華，李惠強(qiáng).早齡期大體積混凝土溫度應(yīng)力與裂縫的關(guān)系[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：城市科學(xué)版，2002（4）：76-77.

[4] 張冬秀.論析大體積混凝土的施工溫度與裂縫控制[J].價(jià)值工程，2012（23）：112-113.

[5] 王國(guó)忠.混凝土溫度裂縫的成因及防治[J].工業(yè)建筑，2007（1）：1197-1199.

[6]馬躍峰，朱岳明.表面保溫對(duì)施工期閘墩混凝土溫度和應(yīng)力的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（3）：276-279.

Cracking factors analysis on the mass plain concrete of port pier and revetment project

ZHANG Haodong1，CHENG Youbin1，SU Junjian2
（1.Shanghai Communications Construction Contracting Co.Ltd.，Shanghai 200136，China；
2.Shanghai Hangyuan Quality Inspection for Harbor Projects Co.Ltd.，Shanghai 200120，China）

Based on Lvsi fishing port pier and revetment project，the relationships between the test position，concrete internal temperature,temperature gradients and the temperature reducing rate and the early age cracking of concrete were analyzed on mass plain concrete.The results show that when concrete casting temperature ranges from 15℃ to 30℃，there is no direct correlation between casting temperature and cracking development of concrete.The higher the middle temperature and its temperature reducing rate，and the smaller the internal temperature gradient,the more probably the concrete cracking happens.Therefore，it's feasible to decline and precaution the phenomenon of the cracking concrete by controlling high concrete internal temperature，and low middle temperature gradients and the temperature reducing rate after the peak temperature.

Lvsi fishing port pier and revetment project，mass plain concrete，early cracking，casting temperature，temperature gradient

TU528

A

1001-702X（2015）04-0037-05

2014-11-04

張浩棟，男，1977年生，江蘇靖江人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事港口、航道工程施工。