淺析港口與航道工程大體積混凝土裂縫控制

呂小凡

摘 要：近年來水運工程建設規(guī)模不斷擴大，大體積混凝土應用范圍日益廣泛，影響大體積混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和質(zhì)量安全的裂縫控制問題也在業(yè)內(nèi)得到進一步重視?；诖耍疚尼槍Ω酆酱篌w積混凝土裂縫問題進行分析，并對其預防控制進行探究。

關鍵詞：港口航道工程;大體混凝土;裂縫控制

中圖分類號：U617? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）07-0083-03

港口與航道工程中，一般現(xiàn)澆的連續(xù)式結(jié)構(gòu)和長、寬、高尺寸相近的大型實體預制構(gòu)件等容易因溫度、收縮應力引起開裂的混凝土，通稱為港口與航道工程大體積混凝土，多應用于碼頭胸墻、船塢塢墻、船閘底板、泵房結(jié)構(gòu)、大型混凝土方塊中?；炷恋拈_裂會對結(jié)構(gòu)物耐久性和質(zhì)量安全造成較大影響，不同于一般混凝土，多處于淡（海）水和凍融環(huán)境的港航工程混凝凝土在設計和施工中均突出滿足耐久性要求，其裂縫預控對建筑物的安全使用和壽命更具有重要意義。對于結(jié)構(gòu)厚、體積大、膠凝材料水化熱因素影響大、復雜條件下就地澆筑和養(yǎng)護，承擔重要結(jié)構(gòu)功能的港航大體積混凝土，其裂縫控制是設計和施工階段中一項非常重要的工作。

1 港航工程大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

混凝土作為非均質(zhì)脆性材料，開裂原因很多。混凝土從設計、施工到使用過程中，都存在造成混凝土開裂的因素，如設計不當、材料使用不當、基礎不均勻沉降、結(jié)構(gòu)受荷、施工工藝不當、溫度應力、收縮、塑性坍塌、冰凍等都較容易產(chǎn)生裂縫?！昂奢d裂縫”在工程前可以通過理論計算后加以控制，施工期裂縫多為溫差、收縮等因素造成的“非荷載裂縫”，需要采取一些措施來防止和減輕。

1.1港航大體積混凝土開裂機理

港航工程大體積混凝土受溫度應力影響尤為突出，開裂主要是混凝土結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間、結(jié)構(gòu)與基礎之間或結(jié)構(gòu)的不同部位之間的溫度應力超過了混凝土的抗裂能力而產(chǎn)生的，是由約束、干縮和溫差所產(chǎn)生的拉應力作用結(jié)果。

新澆大體積混凝土受基礎約束開裂是大體積混凝土開裂中一種較常見類型，大體積混凝土新澆筑升溫階段體積膨脹、受基礎約束產(chǎn)生受壓的溫度應力，但由于齡期短、彈性模量低，壓應力值很低;混凝土內(nèi)部降溫歷時較長，降溫階段混凝土體積收縮，此時受基礎約束產(chǎn)生拉應力，而彈性模量較高，當混凝土拉應力或變形超過此時材料承受范圍后，大體積混凝土會產(chǎn)生開裂。大體積混凝土在邊界無約束情況下，結(jié)構(gòu)不同部位互相約束產(chǎn)生的溫度應力也會造成開裂：混凝土內(nèi)外部溫差大，膨脹不一致，內(nèi)部快而外部慢，表面產(chǎn)生拉應力，而內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，當拉應力超過混凝土抗裂能力后會產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多為貫穿裂縫。環(huán)境影響下，過早拆模、冬季施工造成的表面溫度不均，容易引起溫度收縮形成較淺的表面龜裂。

1.2造成開裂的其他影響因素

超過養(yǎng)護期后混凝土的干縮對開裂則起到加劇作用?；炷劣不笏菡舭l(fā)、干燥后體積收縮，一般稱干縮，包含：自身收縮、干燥收縮、水化收縮、濕度體積變化等，干縮變形受約束，會形成收縮應力。在高配筋混凝凝土中，即使邊界無約束，鋼筋會對周圍混凝土的約束作用增強而在混凝土收縮時形成混凝凝土內(nèi)部拉應力，容易造成局部裂縫。塑性收縮、塑性沉降也是造成港航大體積混凝土開裂的一些內(nèi)部因素。混凝土表面水份蒸發(fā)或?qū)ν饨缡^快造成的塑性收縮，在砂率和坍落度較大的商混泵送混凝土較多發(fā)，容易形成表面裂縫;坍落大、沉陷高也容易引起由鋼筋、模板阻礙造成的塑性沉降裂縫。

外部因素引起的混凝土裂縫：因堿骨料反應、鋼筋銹蝕等化學影響產(chǎn)生的混凝土裂縫，結(jié)構(gòu)受荷，設計、施工工藝不當，原材料質(zhì)量引起混凝土裂縫等，在港航大體積混凝土中更需要重視和嚴加預控。

2 港航工程大體積混凝土的裂縫控制

結(jié)合港航工程混凝土耐久性要求和環(huán)境特點，需要有針對性地進行混凝土溫度控制、開展大體積混凝土溫控設計，系統(tǒng)的優(yōu)化大體積混凝土結(jié)構(gòu)設計、原材選擇、配合比設計和溫控措施，精心施工，做好溫控檢測并以此對薄弱部位采取加強措施。

2.1設計措施

2.1.1優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)港航大體積混凝土的結(jié)構(gòu)特點、使用環(huán)境和壽命等因素系統(tǒng)的進行溫控設計，根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造措施和混凝土強度等級。結(jié)構(gòu)形式應簡單，避免結(jié)構(gòu)突變，降低應力集中，降低基礎約束，合理設置變形縫。根據(jù)溫度場計算和溫度應力對結(jié)構(gòu)的影響進行分析對結(jié)構(gòu)薄弱部位采取措施，加設鋼筋網(wǎng)片等構(gòu)造鋼筋、增加小直徑、小間距的構(gòu)配鋼筋，提高抗裂性能;設置閉合塊;合適情況下施加預應力;易裂的邊緣部位設置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土極限抗拉性能。大體積混凝土宜分層、分塊澆筑，合理設置施工縫，大體積混凝土構(gòu)件的模板設計應考慮保溫和養(yǎng)護措施的要求，側(cè)模、底模、承重結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)應進行強度和變形驗證。

2.1.2合理進行溫控設計

大體積混凝土施工前應選擇合適的原材料，配合比優(yōu)化應按絕熱溫升低、抗裂性能好的原則進行;在保證混凝土工作性前提下，盡快可能降低混凝土單位用水量：采用低砂率、低坍落度、低水膠比，摻高效減水劑、高性能引氣劑;降低水泥用量，大量摻加粉煤灰等礦物摻合料，降低混凝土水化熱;進行開裂敏感性試驗，控制混凝土早期快速升溫，限制混凝土早期強度的發(fā)展。通過試驗或有限元分析法計算大體積混凝土的出機口溫度、澆筑溫度、內(nèi)部最高溫度和溫度應力，采取諸如埋設測溫元件、應變測試元件、冷卻水管、塊石、摻混凝性減水劑和其他措施，確保施工階段混凝土澆筑溫度不高于30℃不低于5℃、混凝凝土內(nèi)表溫差不大于25℃、混凝土內(nèi)部最高溫度不超過70℃，滿足表層和內(nèi)部溫控抗裂安全系數(shù)不小于1.4。可以通多計算核驗混凝土保溫層材料的厚度，在施工前完善相關保溫措施，確保混凝土塊體降溫速率不大于2℃/d。

2.2施工措施

2.2.1嚴把材料質(zhì)量關和配比關系

對所選用的各種材料進行嚴格的檢查和驗收，不合格材料一律禁止使用。按規(guī)定的各項技術標準做好混凝土配合比設計，并進行試配試驗。施工時選用和中低熱水泥，不宜使用早強水泥，鋁酸三鈣含量、比表面積不應超過限值。為防止膠凝材料過細，不利于混凝土溫升控制和防裂耐久，需要注意：嚴禁摻加Ⅲ級粉煤灰，粒子化高爐礦渣比表面積不應超過限值，不宜單摻硅粉;選用粒徑較大的粗骨料，控制含泥量和堿活性，選用線膨脹系數(shù)應較小的碎石減小溫度應力;選用級配穩(wěn)定的中粗砂、含泥量符合限制;緩凝型減水劑不應為糖類，減水率和收縮率應在對規(guī)定范圍內(nèi)。嚴格混凝土控制水灰比和坍落度，控制住早期強度發(fā)展：12h抗壓強度不宜大于8MPa或24h不宜大于12MPa。

2.2.2混凝土施工溫度控制

港航大體積混凝土可以從以下幾方面進行混凝土施工溫度控制：①大體積混凝土應控制出機口溫度。熱天夜間施工，降低水泥和骨料溫度，采用低溫水、冰水攪拌;冷天采用料場遮蓋、拌合水加熱水;提高混凝土澆筑能力，縮短暴露時間;縮短運距，減少轉(zhuǎn)運次數(shù);對運輸設備遮陽、隔熱、降溫。②控制混凝土內(nèi)部最高溫度。降低澆筑溫度;摻入緩凝劑;延長混凝土凝結(jié)時間;分層施工，控制分層厚度;埋設水管通冷卻水等措施。③無筋或少筋大體積混凝土中埋設塊石。受拉區(qū)不得埋設，塊石應沖洗凈并保持濕潤，總量不超混凝土總體積的25%。④施工過程中監(jiān)測混凝土澆筑溫度、內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度、冷卻水溫度等參數(shù)，監(jiān)控內(nèi)表溫差和降溫速率，及時分析整理數(shù)據(jù)、調(diào)整和優(yōu)化溫控措施，必要時監(jiān)測混凝土應變。

2.2.3混凝土澆筑控制

混凝土攪拌嚴格按規(guī)范進行，攪拌時間充足，攪拌均勻，避免同同一構(gòu)件中混凝土性質(zhì)不同，收縮不均勻開裂。大體積混凝土對于不適合設施工縫的結(jié)構(gòu)，采取跳倉澆筑和設置閉合塊方法減小澆筑長度。施工縫應嚴格按審批合格的方案預留位置，避免隨意設縫。澆筑時根據(jù)振搗、入模條件確定分層攤鋪厚度，不得集中傾倒沖擊模板或鋼筋骨架，混凝土運輸、澆筑、振搗必須在初凝前完成，施工要連續(xù)進行，施工過程中不允許出現(xiàn)冷縫。澆筑前至施工時不斷檢查模板是否變形、松動、跑模、跑漿。加強混凝土澆筑振搗，可以提高密實度，采用二次振搗工藝，初凝前再次振搗，改善混凝土的強度，提高抗裂性，減少表面微裂縫。采用混凝土二次抹面工藝，初凝前在表面二次抹面并及時覆蓋保濕，避免早期出現(xiàn)塑性裂縫，防止混凝土干縮失水?；炷翝仓髴乐惯^早在其上進行施工、堆積物料等活動。

施工接茬處應鑿毛清洗掃水泥漿，必要時設置鋼絲網(wǎng)和其他可行措施防止產(chǎn)生收縮裂縫，對于低流動度的混凝土采用接漿措施可以提高新老混凝土之間的粘結(jié)強度。重視后澆帶施工，采用微膨脹混凝土進行后澆帶施工并及時養(yǎng)護。

2.2.4混凝土養(yǎng)護和測溫

保溫養(yǎng)護是大體積混凝土施工的關鍵環(huán)節(jié)?；炷翝仓戤吅?，應及時按溫控技術措施要求進行保溫養(yǎng)護，降低混凝土塊體的內(nèi)外溫差以降低塊體的自約束應力，控制降溫速度，保持混凝土具有適當?shù)臐穸群涂癸L條件。采用蓄水、灑水、噴霧養(yǎng)護的水溫和混凝土表面溫度不宜大于15℃，養(yǎng)護時間視氣溫、水泥品種、結(jié)構(gòu)物體積確定。混凝土表面與環(huán)境溫度之差大于15℃時應推遲拆模;低溫季節(jié)拆模應選擇氣溫較高時段并立即采取保溫措施，保溫時間根據(jù)溫度應力控制情況確定;當日平均溫度低于5℃，不應灑水養(yǎng)護，氣溫驟降時，齡期低于28d混凝土應采取表面保溫。

3 應用實例

港航大體積混凝土裂縫控制在某船閘工程中得到了實際應用。京杭運河山東段某復線船閘工程中，下游導靠船設施工程的主體為現(xiàn)澆重力式碼頭，全長1000米。碼頭底板厚1.1m，墻身高11.1米，均為港航大體積混凝土結(jié)構(gòu)。碼頭采用圍堰干地施工，主體施工跨越汛期和冬季，對大體積混凝土的裂縫控制成為工程質(zhì)量控制的重點。碼頭設計采用10米段和15米段（設踏步）兩種斷面的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)段，10米段采用組合式定型鋼模一次澆筑到頂，15米段分三次澆筑，段間垂直通縫20mm，C25素混凝土混凝土抗凍等級FF100。

工程施工中，C25素混凝土拌制選用PO42.5水泥，單摻15%的Ⅰ級粉煤灰，Ⅲ區(qū)級配的中粗河砂，嚴格控制骨料的含泥量，選用聚羧酸系高性能引氣減水劑;冬季施工則提前試配調(diào)整配合比，摻入防凍劑，根據(jù)施工環(huán)境和連續(xù)澆筑需要優(yōu)化配合比設計。底板分段、墻身分段、分層澆筑，按審批的方案設置施工縫，驗算模板設計，按試驗數(shù)據(jù)分析混凝土溫度應力。分項正常施工前通過開展首件施工活動，完善施工組織和措施;熱天夜間施工，骨料通風、采用地下水拌合并加冰，提高澆筑能力，及時養(yǎng)護并調(diào)節(jié)水溫;冬季施工提前準備保溫材料和設備，根據(jù)氣溫組織施工、寒潮天氣停止施工并加強齡期混凝土表面保溫;冬季施工時加熱拌合水、改變攪拌投料順序并延長攪拌時間、優(yōu)先進行15米段施工并搭設暖棚保溫，延遲拆模并立即保溫養(yǎng)護;混凝土中埋設塊石、接茬處埋設鋼筋、墻背中部應力集中區(qū)加設小直徑鋼筋提高抗裂性;采用二次振搗、二次抹面工藝。經(jīng)過一年多施工檢驗，大體積混凝土施工質(zhì)量和裂縫控制都取得了良好的效果。

4 結(jié)語

港航工程大體積混凝土多處于淡（海）水環(huán)境中，開裂造成的耐久性降低尤為直接，如若影響到結(jié)構(gòu)安全使用，對涉及的工程建設造成的有形和無形損失更難以彌補。港航工程大體積混凝土裂縫控制應以預防為主，加強施工過程控制，根據(jù)工程實際，及時采取適當?shù)拇胧?。港航大體積混凝土需要在設計和施工階段采取綜合性措施，從溫差、約束、干縮等主要影響大體積混凝土開裂的因素分析入手，結(jié)合材料、工藝、環(huán)境、結(jié)構(gòu)設計等方面，系統(tǒng)地做好防裂和控制工作。

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