海洋環(huán)境下大體積混凝土裂縫控制施工技術(shù)

余以明 ，王慮 ，吳柯 ，高凡

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

工程地處熱帶濕熱區(qū)，常年受高溫、高濕、高鹽、高紫外線的影響，腐蝕環(huán)境為CM-5級[1]?；炷寥舫霈F(xiàn)開裂，因海岸大氣中相對濕度很大，海水飛沫中的鹽粒子形成的腐蝕性水膜及海浪沖刷殘留的海水引起的腐蝕及高溫環(huán)境加劇腐蝕速率等[1]，均會造成混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性下降。因此，本工程所用大體積混凝土在滿足強度、耐久性的情況下不能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而在炎熱海洋氣候條件下，不采用冷卻水、不布置冷卻水管、不加碎冰等溫控措施來控制大體積混凝土開裂是本工程混凝土質(zhì)量控制的難點。本工程擬采取摻加氧化鎂抗裂劑、使用海工水泥、分層澆筑幾種不同的施工控制技術(shù)來控制大體積混凝土的開裂。

試驗段大體積混凝土長×寬×高的尺寸為10 m×5 m×6 m，其施工流程為：土方開挖→墊層施工→模板安裝→布設(shè)溫度、應(yīng)力監(jiān)控元件→混凝土澆筑→養(yǎng)護→溫度、應(yīng)力監(jiān)測→裂縫觀測。

2 原材料、配合比及測試儀器

1）試驗段所用原材料為：華潤水泥P.O 42.5水泥（7 d水化熱285.232 kJ/kg）；浙江三獅海工水泥（3 d抗壓強度28.1 MPa、抗?jié)B等級S12、7 d水化熱216.796 kJ/kg）；0~4.75 mm北海砂場中砂；5~31.5 mm廣東惠東碎石；欽州永佳F類Ⅱ級粉煤灰；四川路加聚羧酸系高性能減水劑（減水率20%，固含量11%）；武漢三源氧化鎂抗裂劑（氧化鎂含量89%、活性為127 s、7 d膠砂限制膨脹率0.031%、7 d水化熱291.463 kJ/kg）；拌合水為淡水。

2）為降低混凝土的最高溫度及水化熱，減少溫度裂縫的產(chǎn)生，采用了分層澆筑、低水化熱海工水泥[3]全部取代普通硅酸鹽水泥的施工措施；為減少收縮裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，選用了氧化鎂抗裂劑[4]。正式施工前進行試驗段的澆筑，設(shè)計坍落度140 mm±20 mm，試驗段混凝土配合比及施工措施見表1。

表1 試驗段混凝土配合比及施工措施Table 1 Mix proportion of test section concrete and construction measures kg/m3

3） 現(xiàn)場溫度監(jiān)控采用TR-SD系列現(xiàn)場定時自動測溫記錄儀，溫度傳感器為熱敏電子傳感器，通過監(jiān)測內(nèi)部溫峰、表面溫度及大氣溫度來評定溫差應(yīng)力對混凝土開裂的影響；現(xiàn)場應(yīng)變監(jiān)測[5]采用VW-102型振弦讀數(shù)儀，通過監(jiān)測應(yīng)變大小來評估混凝土內(nèi)部應(yīng)力的大小及混凝土開裂的可能性。

3 結(jié)果與對比

3.1 澆筑性能及養(yǎng)護方式對比

按表1的配合比澆筑4段試驗段，其澆筑性能及拆模后的養(yǎng)護方式見表2。

表2 試驗段的澆筑及養(yǎng)護方式Table 2 Casting and curing method of test section

由表2可知，采用海工水泥混凝土的施工性能略差于采用普通水泥及氧化鎂抗裂劑的混凝土，7~28 d后觀測試驗段1~4采用不同養(yǎng)護方式后表面裂縫發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)采用灑水養(yǎng)護的混凝土裂縫大部分出現(xiàn)在表面上。其中，試驗段2因澆筑期間遇大風(fēng)天氣，表面失水、降溫過快，出現(xiàn)塑性收縮裂縫。

3.2 溫度、應(yīng)變及力學(xué)性能對比

澆筑混凝土后，現(xiàn)場實時測試其最高溫度，最大內(nèi)表溫差、28 d最大應(yīng)變及強度，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 試驗段的溫度、應(yīng)變及力學(xué)性能測試結(jié)果Table 3 Test results of temperature,strain and mechanical properties of the test section

由表3可知，除試驗段四28 d強度略低外，其他試驗段28 d強度相差不大且均滿足C30混凝土的設(shè)計要求；試驗段1、3、4的最高溫度及內(nèi)表溫差均未超過JTS 202-1—2010《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》的要求，但試驗段2因外摻約10%的抗裂劑，且氧化鎂抗裂劑的水化熱略大于水泥的水化熱，抗裂劑摻量及總膠凝材料用量過多導(dǎo)致其最高溫度超過70℃，內(nèi)表溫差超過25℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)，不滿足大體積混凝土的施工要求；28 d后試驗段2、4因摻入了氧化鎂抗裂劑除補償混凝土的收縮外，還有2%左右的微膨脹，氧化鎂抗裂劑的膨脹機理[4]在于方鎂石水化生成氫氧化鎂晶體并在局部區(qū)域內(nèi)生長發(fā)育，使硬化漿體產(chǎn)生膨脹，應(yīng)用特制輕燒氧化鎂材料配制混凝土，以其延時性膨脹性能補償混凝土收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，達到使大體積混凝土體積穩(wěn)定[6-7]，有利于后期混凝土的抗裂。

3.3 裂縫情況對比

混凝土澆筑28 d后，觀測試驗段1~4的裂縫情況，所得裂縫寬度、深度及位置見下表4。

表4 試驗段裂縫觀測結(jié)果Table 4 Crack observations results of test section

試驗段1因混凝土后期干燥收縮出現(xiàn)了較多的裂縫，表明分層澆筑對大體積混凝土后期抵抗干縮裂縫出現(xiàn)的作用不明顯。

試驗段2一方面因澆筑期間遇大風(fēng)天氣，表面失水、降溫過快，出現(xiàn)塑性收縮裂縫；另一方面因混凝土內(nèi)部溫差過大出現(xiàn)了溫差裂縫。結(jié)果使得四個試驗段中試驗段2的裂縫最寬、最深，故應(yīng)改變氧化鎂抗裂劑的摻量及摻入方式，且做好保溫保濕養(yǎng)護。

試驗段3在迎海面出現(xiàn)了有害性的縱向長裂縫，表明海工水泥雖然能降低混凝土的水化熱，減少溫差裂縫的產(chǎn)生，但對混凝土后期抵抗干縮開裂作用不大，故不推薦使用海工水泥。

試驗段4僅表面出現(xiàn)1條微小裂紋，表明氧化鎂抗裂劑對混凝土的收縮有一定的抑制作用，且內(nèi)摻氧化鎂抗裂劑的微膨脹作用對混凝土后期收縮的補償作用較大。

綜上所述，采用內(nèi)摻氧化鎂抗裂劑取代水泥，且用薄膜+土工布+油布3層保溫保濕養(yǎng)護的方式取得了較好的效果，在試驗段4配合比的基礎(chǔ)上，保持膠材用量不變，降低水泥用量至60%、氧化鎂抗裂劑用量至7%、粉煤灰用量增加至33%，且增大減水劑的減水率及保坍性能后正式澆筑該大體積混凝土，3個月后觀測該大體積混凝土，未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫。

4 結(jié)語

1）為避免大體積混凝土出現(xiàn)各種表面裂縫及防止海洋環(huán)境下裂縫造成的腐蝕加劇現(xiàn)象，養(yǎng)護期間應(yīng)注意保溫保濕養(yǎng)護，建議用薄膜覆蓋混凝土后，再覆蓋1層土工布，最后用油布覆蓋的養(yǎng)護方式。

2）對比分析分層澆筑、采用海工水泥、外摻氧化鎂抗裂劑、內(nèi)摻氧化鎂抗裂劑4種施工技術(shù)措施的效果，摻入7%~8%左右的氧化鎂抗裂劑能補償大體積混凝土的后期收縮，減少干縮裂縫的產(chǎn)生，有利于大體積混凝土的控裂。

3）通過膠凝材料體系優(yōu)化及減水劑性能優(yōu)化后，該大體積混凝土澆筑3個月后未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，保證了海洋環(huán)境下大體積混凝土的耐久性，并且簡化了施工操作及溫控措施，節(jié)約了工期。

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