海港碼頭胸墻混凝土裂縫研究

余銳

摘 要：在碼頭的使用過程中，各種問題也隨之而來，胸墻混凝土裂縫的影響便是其中之一，它降低了胸墻的使用功能與耐久性，嚴(yán)重還會引起碼頭結(jié)構(gòu)的破壞。碼頭結(jié)構(gòu)的受力部分主要是由胸墻混凝土來傳遞給基礎(chǔ)的。因此，本文結(jié)合我省的地質(zhì)環(huán)境和氣候條件詳細(xì)分析我省水運(yùn)碼頭胸墻結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的具體原因，并且針對原因找出防控裂縫的措施，對于我省的水運(yùn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)耐久性、安全性的提高和項(xiàng)目造價(jià)成本的節(jié)約以及項(xiàng)目的質(zhì)量和安全監(jiān)督保障工作的促進(jìn)都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：胸墻 混凝土 裂縫

1.海港碼頭裂縫研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外眾多學(xué)者對海港混凝土裂縫產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，綜合分析可以歸結(jié)為材料化學(xué)物理機(jī)理、溫度形變機(jī)理、設(shè)計(jì)施工不當(dāng)機(jī)理、鋼筋繡脹機(jī)理、沉降形變機(jī)理、受荷形變機(jī)理。

海港混凝土裂縫，其本質(zhì)是混凝土所受拉應(yīng)力超過其極限拉應(yīng)力強(qiáng)度而產(chǎn)生開裂，或者超過極限壓應(yīng)力而破碎，或者超過剪應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。由于混凝土是沙石料、水泥膠體和其他外加劑組成，每一成分的性質(zhì)、變形模量不一致，空間分布也呈離散隨機(jī)狀態(tài)，所以可以說混凝土存在裂縫是必然。但是超過限制的裂縫對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的正常使用影響顯著，降低構(gòu)件耐久性最終導(dǎo)致承載力不滿足承載力要求。因此需要對海港混凝土裂縫機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)而進(jìn)行綜合評價(jià)，提出相應(yīng)的處治措施。

基于以上分析，本文針對海南氣候和環(huán)境特點(diǎn)，基于海港碼頭胸墻混凝土裂縫產(chǎn)生機(jī)理分析，重點(diǎn)研究施工期海港碼頭胸墻混凝土裂縫防治措施。

2.海港碼頭混凝土胸墻裂縫調(diào)查研究

海南省海港碼頭混凝土裂縫產(chǎn)生與發(fā)展與海南省特有的氣候條件密切相關(guān)，海南氣候具有氣溫高，濕度大，降雨多，風(fēng)速大，蒸發(fā)量較大，海水鹽度高，風(fēng)浪大的特點(diǎn)，這些均對海港工程混凝土施工和裂縫控制帶來很大的不利影響，有必要針對海南省以上水文氣象特點(diǎn)具有針對性研究海港工程混凝土裂縫控制技術(shù)。

2.1海南省水文氣象調(diào)查分析

海南島沿岸的東部和南部潮差較小，西北部最大，海域海浪以風(fēng)浪為主，涌浪少于風(fēng)浪，但是海南島四周環(huán)海均會出現(xiàn)臺風(fēng)暴潮，沿海區(qū)域的表層海水鹽度超過3.0%，一般是東部和南部沿岸的鹽度較高，西部的鹽度隨季節(jié)變化明顯，且瓊州海峽受沿岸水的影響，鹽度偏低，鹽度由沿岸港灣向外遞增。

2.2海南省港口碼頭裂縫現(xiàn)場調(diào)研分析

本文對海南國投洋浦港三期工等9個海港碼頭工程裂縫進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查研究?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)：至今在用的海南的碼頭投入使用年限不久，均出現(xiàn)了不同程度的裂縫，大多是淺層裂縫，其形成機(jī)理較復(fù)雜，包括溫度，銹脹、碰撞等多方面的原因，現(xiàn)場裂縫調(diào)查表明目前海港碼頭裂縫主要屬于溫度裂縫，對其正常使用和對耐久性是一個嚴(yán)重的威脅，需要進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

3.海港碼頭混凝土胸墻裂縫產(chǎn)生機(jī)理研究

海港碼頭混凝土胸墻裂縫有多種產(chǎn)生機(jī)理，本文在裂縫現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，選取典型具有代表型和工程中常發(fā)生的溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入研究，為其防治技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)。

3.1胸墻絕熱溫升溫度場模型

采用一維非穩(wěn)定傳熱方程組來描述海工混凝土大體積混凝土因絕熱溫升引起的溫度變化規(guī)律，建立了海工大體積混凝土胸墻絕熱溫升溫度場模型，采用差分計(jì)算得到胸墻混凝土內(nèi)部溫度變化規(guī)律，用Matlab編制了計(jì)算大積混凝土絕熱溫升的通用程序。

因海工混凝土胸墻的長度與寬度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其厚度的8～10倍，故采用一維非穩(wěn)定耦合熱傳導(dǎo)方程組來描述混凝土的傳熱問題，充分考慮大體積混凝土溫度場和胸墻后填土、大氣溫度場的相互影響。數(shù)學(xué)模型描述如圖1。

3.2絕熱溫升對溫度場影響

絕熱溫升所釋放的熱量，對胸墻混凝土溫度場影響明顯。隨著絕熱溫升熱量增加，胸墻中心和表面溫差增大（圖2 ），中心溫度高于表面溫度，中心溫度增加，混凝土膨脹，而表面溫度變化不大，膨脹較小，對中心膨脹起著阻礙作用。同時中心膨脹明顯，而表面膨脹較小，將可能導(dǎo)致混凝土表面開裂，絕熱溫升熱量越多，越可能導(dǎo)致混凝土表面開裂，因此實(shí)際工程中應(yīng)注意采用低水化熱的水泥品種。

4.海港碼頭混凝土胸墻裂縫控制措施研究

本文以海南?？诟垴R村港區(qū)擴(kuò)建工程混凝土胸墻施工為工程背景，采用有限元模擬施工絕熱溫升溫度場變化過程，研究絕熱溫升、混凝土養(yǎng)護(hù)、大氣溫度對溫度場，施工分層對溫度的影響，從而為混凝土胸墻施工溫度場控制提供理論依據(jù)。

數(shù)值模型圖見圖3，數(shù)值模型長5.1m，高2.85m，分3層施工，邊界條件為與大氣、底部沉箱產(chǎn)生熱交換，為第三類邊界條件。

三維數(shù)值模擬表明最大溫度區(qū)域位于胸墻管溝兩側(cè)邊墻中部，因此應(yīng)施工中應(yīng)該重點(diǎn)做好胸墻施工段中部的表面防護(hù)措施，將熱交換系數(shù)控制合理范圍內(nèi)，防止混凝土內(nèi)部溫度過高和控制內(nèi)外溫差，預(yù)防混凝土開裂。大氣溫度發(fā)生改變，熱交換條件一定的情況，對混凝土胸墻內(nèi)部溫度場影響不大，但是，工程實(shí)踐中大氣溫度發(fā)生改變后，養(yǎng)護(hù)層的隔熱保溫作用功能將發(fā)生改變，工程實(shí)踐中，大氣溫度的改變對混凝土胸墻溫度場的影響比較大。要采取相應(yīng)的措施，保證養(yǎng)護(hù)層的隔熱保溫持續(xù)發(fā)揮作用，以利于混凝土胸墻溫度場的控制。

數(shù)值模擬分施工層模擬表明，不同施工層的混凝土溫度場是變化，不同時刻溫度場的最大值可能出現(xiàn)在施工中的某個階段或時刻，而不是施工后的一段時間內(nèi)。因此，對于大體積混凝土施工應(yīng)當(dāng)做好溫度施工監(jiān)測，采取相應(yīng)的預(yù)防措施和預(yù)案。加強(qiáng)混凝土施工過程中溫度監(jiān)測，減少分層高度和施工段長度，可考慮1.0m左右進(jìn)行分層，施工段長度控制在10m左右。

數(shù)值模擬表明混凝土入模溫度對混凝土溫度影響較大，建議混凝土入模溫度控制低于25度。同時加強(qiáng)混凝土面層抗裂性能，可在碼頭混凝土面層增加面層鋼筋和鋼筋網(wǎng)，以及摻適當(dāng)摻入鋼纖維。面層鋼筋按照少而密原則進(jìn)行布置。建議面層鋼筋網(wǎng)采用6mm鋼筋，網(wǎng)格間距8-100mm，面層鋼筋混凝土保護(hù)層厚度控制為10-20mm。

5.結(jié)論

理論和數(shù)值模擬研究表明：混凝土構(gòu)件表面養(yǎng)護(hù)、絕熱溫升、胸墻高度、大氣溫度和入模溫度均對混凝土溫度場有較大影響，絕熱溫升溫度場最大值出現(xiàn)時域?yàn)槭┕て陂g，溫度場溫度最大區(qū)域?yàn)樾貕χ胁?，考慮海南省氣候特點(diǎn)，提出海南省海港碼頭胸墻混凝土施工裂縫控制，包括：

1.設(shè)置并且保護(hù)土工布養(yǎng)護(hù)層，及時灑水并保持濕潤，特別注意混凝土胸墻中部養(yǎng)護(hù)層的保護(hù)。

2.合理調(diào)整混凝土施工時間，選擇溫度較低時段進(jìn)行施工，建議在夏季選擇清晨或傍晚進(jìn)行混凝土澆筑。

3.減少分層高度和施工段長度，可考慮1.0m左右進(jìn)行分層，施工段長度控制在10m左右。

4.加強(qiáng)混凝土施工過程中溫度監(jiān)測，及時調(diào)整混凝土澆筑進(jìn)程。

5.加強(qiáng)碼頭混凝土面層抗裂性能，碼頭混凝土面層增加面層鋼筋和鋼筋網(wǎng)，以及摻適當(dāng)摻入鋼纖維?？稍诿鎸愉摻畎凑丈俣茉瓌t進(jìn)行布置。

6.?？刂苹炷翝仓肽囟?，建議混凝土入模溫度控制低于25度。

參考文獻(xiàn)：

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