中山港碼頭面板磨耗層裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)研究

黃子其，章嘯，林典新，金宏程

（1. 保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620； 2. 武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

0 引言

中山碼頭磨耗層施工范圍為碼頭主體及上下游棧橋，總面積約為 5800m2。磨耗層設(shè)計標高為 +4.55m，設(shè)計厚度為梁處 450mm、板處 50mm，混凝土強度等級為 C35。

研究表明，碼頭磨耗層裂縫的成因可大體簡單的劃分為混凝土內(nèi)部和外部影響因素兩個方面。內(nèi)部因素主要是裂縫，外部因素有載荷、波浪對碼頭面板的沖擊 等[1-3]。磨耗層現(xiàn)澆混凝土厚度較薄、面積較大，習慣上也歸到大體積混凝土范疇。大體積混凝土所出現(xiàn)的裂縫主要是溫度裂縫和干縮裂縫。此外，混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的 1/10 左右，而且磨耗層板塊比較薄、面積較大，極其容易在受到外荷載或外部作用下產(chǎn)生裂縫?？偟脕碚f，碼頭磨耗層開裂現(xiàn)象較為普遍，其開裂的主要原因歸納如下：混凝土配合比設(shè)計不合理，導(dǎo)致混凝土收縮大；混凝土施工質(zhì)量控制不良和養(yǎng)護不到位，導(dǎo)致混凝土頂面浮漿厚、收縮大；當磨耗層混凝土產(chǎn)生收縮（干縮和自收縮等）受到已澆筑碼頭面層的約束，混凝土極易因溫差較大產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和干縮引起的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度而開裂，從而對混凝土結(jié)構(gòu)的使用功能、外觀質(zhì)量和耐久性造成不良影響。目前磨耗層的防裂措施有：優(yōu)化配合比及優(yōu)選原材料、處理施工基面、混凝體中摻加纖維、控制混凝土的坍落度、合理布置收縮縫等[4-7]。

針對國內(nèi)外碼頭磨耗層開裂較為普遍的技術(shù)難題，并結(jié)合本工程特點，優(yōu)化混凝土施工配合比，擬采用高性能混凝土并摻入混合纖維的技術(shù)措施，以解決磨耗層混凝土易開裂的技術(shù)難題，并形成碼頭面板混凝土裂縫控制成套技術(shù)，為類似工程碼頭面板的施工提供參考和借鑒。

1 試驗

1.1 原材料

選用江門海螺牌 P·O42.5 水泥，Ⅱ級粉煤灰，西江中砂，5～10mm 和 10～25mm 兩級配花崗巖碎石，JN-ESA 緩凝高效減水劑，JS-BDC 聚乙烯醇纖維和 JSFXW 仿鋼纖維。

1.2 配合比設(shè)計要求與原則

磨耗層混凝土的設(shè)計要求如下：強度等級為 C35，坍落度控制在 120～160mm，1h 坍損≤20mm，初凝時間≥5h，終凝時間≤8h，無裂紋，無泌水。

為解決磨耗層混凝土的開裂通病，滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求，配合比設(shè)計以抗裂性為核心，工作性和力學性能并重，其他各項性能均衡發(fā)展為原則，應(yīng)著重考慮：

（1）優(yōu)選混凝土原材料：選用水化慢、延性較好的水泥以減小開裂；磨耗層混凝土采用級配良好的瓜米石；面層混凝土選用 5～10mm 和 10～25mm 兩級配花崗巖碎石；采用緩凝型高性能減水劑。

（2）混凝土要有良好的工作性，即流動性、粘聚性、穩(wěn)定性和可塑性。

（3）磨耗層混凝土具有良好的耐磨性能，磨耗層混凝土不宜摻入影響混凝土耐磨性能的粉煤灰。

（4）面層混凝土應(yīng)摻入適量優(yōu)質(zhì)粉煤灰，可有效降低單方水泥用量、砂率、單方用水量，防止混凝土早期強度過快增長，降低混凝土絕熱溫升。

（5）為提高混凝土耐磨性能，磨耗層混凝土宜采用純水泥，選取適合的膠凝材料用量，解決混凝土的溫度變形和化學收縮對早期混凝土開裂的影響。

（6）摻入 PVA 纖維和仿鋼纖維解決混凝土施工中、混凝土塑性收縮裂紋的產(chǎn)生。

2 試驗結(jié)果

考慮到現(xiàn)場面層和磨耗層一次性澆筑和分兩次澆筑的工況，分別設(shè)計 C35 混凝土配合比如表1。

表1 設(shè)計配合比 kg/m3

2.1 工作性能研究

表2 為 1#～6# 的工作性能表，從表2 中可以看出，1# 的初始坍落度為 150mm，符合設(shè)計要求的 120～160mm，1h 坍落度為 145mm，符合設(shè)計要求的 1h 坍落度損失小于 20mm，初凝時間和終凝時間均符合設(shè)計要求。2# 的 1h 坍落度低于 120mm，不符合設(shè)計要求，初凝時間和終凝時間符合要求。3# 的 1h 坍落度損失大于 20mm，不符合要求。4# 的初始坍落度為 145mm，符合設(shè)計要求的 120～160mm，1h 坍落度為 140mm，符合設(shè)計要求的 1h 坍落度損失小于 20mm，初凝時間和終凝時間均符合設(shè)計要求。5# 的初凝時間小于 5h，6# 的終凝時間大于 8h，均不符合要求。根據(jù)工作性能推薦配合比為 1# 和 4#。

表2 工作性能一覽表

2.2 力學性能研究

表3 為 1#、4# 抗壓強度和劈裂抗拉強度結(jié)果。

表3 抗壓、劈裂抗拉強度結(jié)果

從表3 中可以看出 1 # 的 7 d 抗壓強度已達 38.4MPa，超過設(shè)計強度 35MPa，符合設(shè)計要求；從劈裂抗拉強度來看， 其 7 d 劈裂抗拉強度已達 3.23MPa，28d 達到了 4.51MPa。4# 的 7d 抗壓強度已達 39.7MPa，超過設(shè)計強度 35MPa，符合設(shè)計要求；從劈裂抗拉強度來看，其 7d 劈裂抗拉強度已達 3.00MPa，28d 達到了 4.11MPa。從這兩項指標來看，1# 和 4# 均滿足設(shè)計要求。

2.3 混凝土收縮性能研究

收縮試驗按照 GB∕T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中的試驗方法進行。測量混凝土在無外力的作用下，在溫度 (20±2)℃，相對濕度 (60±5)% 的環(huán)境中的收縮值。試驗試件尺寸為 (100×100×515)mm3。試驗齡期分別為 1d、3d、7d、14d 和 28d。試驗結(jié)果見表4。

表4 干縮試驗結(jié)果

從表4 可以看出 4# 的干縮值大于 1#，這是因為加入纖維后，混凝土的塑性收縮受到一定的抑制，總收縮率降低，所以其干縮較小。

2.4 混凝土抗裂性能研究

面板磨耗層混凝土的早期抗裂性能將根據(jù) GB∕T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，采用平板法進行測試。試件尺寸為 (800×600×100)mm3，試驗?zāi)＞咭妶D1。

圖1 混凝土早期抗裂試驗?zāi)＞?/p>

在環(huán)境溫度為 (20±1)℃、相對濕度為 (60±5)%條件下，進行混凝土的澆筑、振實、抹平過程，成型 30min 后，用風扇保持 (5±0.5)m/s 風速平行超高橋塔高性能混凝土表面與裂縫誘導(dǎo)器吹向試件；利用 ZBL-F101 裂縫寬度觀測儀測量試件從加水攪拌算起的第 24h 時開裂情況，包括裂縫數(shù)量、裂縫長度和寬度，并記錄混凝土初裂時間。結(jié)果見表5。

表5 抗裂性能

從表5 可以看出，1# 的初裂時間比 4# 長，裂縫最大寬度、平均開裂面積及單位面積上的總開裂面積均小于 4#。一方面是因為加入纖維后，混凝土的塑性收縮受到一定的抑制，總收縮率降低，由此產(chǎn)生的收縮應(yīng)力減小，裂縫產(chǎn)生的驅(qū)動力減小；另一方面是因為，在產(chǎn)生微裂紋之后，由于纖維的亂向分布，可以有效阻止微裂紋的擴展，裂縫需要消耗大量的能量方可突破纖維對其的約束，因此，難以產(chǎn)生對混凝土力學性能與耐久性能有害的寬裂縫，而只能通過形成數(shù)量更多的對混凝土力學性能與耐久性能影響更小，甚至可以忽略的細微裂縫來釋放其收縮應(yīng)力。

2.5 混凝土耐久性能研究

2.5.1 抗?jié)B性能

目前用于檢測混凝土抗?jié)B性能的試驗方法主要是快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM 法）和電通量法，本研究將采用 RCM 法對面板磨耗層混凝土進行抗?jié)B性能檢測。根據(jù) GB/T 50082—2009 中的規(guī)定，混凝土養(yǎng)護齡期宜為 28d，也可根據(jù)設(shè)計要求選用 56d 或者 84d 養(yǎng)護齡期，試件為直徑 (100±1)mm，高度為 (50±2)mm 的圓柱體試件。本研究中試件養(yǎng)護齡期為 28d，試驗結(jié)果見表6。

由表6 數(shù)據(jù)可以看出，兩組試件 28d 氯離子遷移系數(shù)均介于 1.5×10-12～2.5×10-12m2/s 之間，抗?jié)B等級達到 RCM-Ⅳ 級，抗?jié)B性能良好。通過密實骨架堆積方法進行最緊密設(shè)計，使粗細集料和粉料之間實現(xiàn)最緊密堆積，同時通過摻加粉煤灰，充分利用其微集料效應(yīng)與火山灰效應(yīng)，細化混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，提高其密實程度。從而可以有效阻斷 Cl-的滲透，提高混凝土的抗 Cl-滲透性能。

表6 混凝土氯離子遷移系數(shù)測試結(jié)果

2.5.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

當混凝土服役環(huán)境中硫酸鹽的濃度較大時，硫酸鹽離子將滲透到水泥石內(nèi)部與一些固相成分發(fā)生化學反應(yīng)，生成難溶的鹽類礦物，這些鹽類礦物一方面可以形成鈣礬石、石膏等膨脹性產(chǎn)物而導(dǎo)致混凝土發(fā)生膨脹、開裂和剝落病害，另一方面也將使硬化水泥石中的 Ca(OH)2和水化硅酸鈣等組分溶出或分解，混凝土強度損失，造成混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞。

本研究采用干濕循環(huán)法評定混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，以混凝土能夠經(jīng)受的最大干濕循環(huán)次數(shù)來表示混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。試驗結(jié)果見表7。

表7 混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

從表7 結(jié)果可以看出，4# 較 1# 具有更加良好的抗硫酸鹽侵蝕性能，2# 摻加粉煤灰，提高了混凝土密實度，增加了 SO42-向混凝土內(nèi)部擴散的難度；其次，因為硫酸鹽侵蝕是水泥水化產(chǎn)物中的水化鋁酸三鈣及 Ca(OH)2和 SO42-反應(yīng)，當用粉煤灰取代部分水泥后，降低了水泥石中 C3A 的含量，減少了鈣礬石生成量。再者，摻入粉煤灰后，其二次水化反應(yīng)將消耗部分 Ca(OH)2，水泥石中的 Ca(OH)2濃度降低，因此降低了 AFt 形成的可能性。最后，由于二次反應(yīng)消耗了大量的 Ca(OH)2，水泥石中 Ca(OH)2減少，毛細孔中液相石灰濃度降低，使石膏型侵蝕受阻，即使在 SO42-濃度很高時，石膏結(jié)晶的數(shù)量也非常有限。

2.6 面板磨耗層混凝土高性能化機理

2.6.1 面板磨耗層水化產(chǎn)物物相分析

圖2 和圖3 分別為 1# 和 4# 在不同齡期的 XRD 圖譜，由圖2 可以看出，兩種混凝土在各齡期的水化產(chǎn)物大致相同，基本都由 Ca(OH)2、AFt、CaCO3等組成，同時還有部分尚未參與反應(yīng)的 C3S 等水泥礦物。對比圖2 中兩組 XRD 圖譜，在相同齡期下，4# 混凝土的水化產(chǎn)物中，Ca(OH)2、AFt 及 CaCO3生成量均高于 1# 混凝土，而 C3S 的含量則明顯小于普通 C60 自密實混凝土，說明 4# 混凝土中水泥及其他礦物摻合料的水化程度要高于 1# 混凝土。再者，對比兩圖中的 1# 混凝土圖譜可以發(fā)現(xiàn)，隨著水化齡期的延長，混凝土中的 AFt 生成量逐漸增加，在水化后期仍然有較多的鈣礬石生成，對混凝土長期收縮起到補償?shù)淖饔?，降低混凝土收縮，減小收縮裂縫產(chǎn)生的可能性，提高混凝土耐久性。

圖2 7d 齡期不同混凝土的 XRD 圖譜

圖3 28d 齡期不同混凝土的 XRD 圖譜

2.6.2 面板磨耗層混凝土微結(jié)構(gòu)研究

通過 SEM 測試手段，研究 28d 齡期兩種混凝土不同部位的微觀形貌特征，詳見圖4 和圖5。圖4 對比了漿體的密實程度，圖5 對比了鈣礬石的生成情況。

圖4 不同混凝土 28d 齡期 SEM 圖譜 1

圖5 不同混凝土 28d 齡期 SEM 圖譜 2

從圖4 可以看出，相較于 1# 混凝土，由于 4# 混凝土中采用摻加了粉煤灰，充分利用火山灰效應(yīng)，提高漿體密實度，促進了水泥的水化，提高了其水化程度，也使得水化產(chǎn)物 C-S-H 凝膠的致密性更高，孔隙率明顯低于 1# 混凝土。

而圖5 中可以看出，1# 混凝土的孔隙中也有部分鈣礬石生成，但是其生成量明顯不如 4# 混凝土，在 1#混凝土中，鈣礬石對孔隙的填充明顯低于 4# 混凝土，可見鈣礬石的生成在一定程度上降低了混凝土孔隙率，減少了混凝土中大孔的數(shù)量，改善了混凝土的空隙結(jié)構(gòu)，進而提高其耐久性。

3 面板磨耗層典型施工驗證

混凝土為自拌，直接運送至施工現(xiàn)場泵送。為滿足施工質(zhì)量實際要求，磨耗層混凝土采用泵送，坍落度控制在 120～160mm。為了優(yōu)化磨耗層的施工方法，共設(shè)計三種方案（表8），并做試驗段，選取裂紋控制良好，工程成本較低為最終施工方案。

表8 施工方案

方案一現(xiàn)澆面板和磨耗層分層施工，兩者施工間隔時間為≥7 天，僅磨耗層添加聚乙烯醇纖維和仿鋼纖維。方案二施工工藝與方案一相同，唯一區(qū)別是現(xiàn)澆面板和磨耗層的施工間隔時間從≥7 天改為≤2 天。方案三現(xiàn)澆面板和磨耗層同時施工，需全部摻入聚乙烯醇纖維+仿鋼纖維，施工方法與方案一基本相同（現(xiàn)澆面板鋼筋網(wǎng)保護層按 5cm 控制，面板保護層+磨耗層素混凝土厚度共計 10～13cm）。

試驗塊澆注完成并在 60d 齡期內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)有可直接目測的裂紋（檢查方法為水濕潤后待干觀察）。其中，方案一磨耗層在施工完成 2 個月后就陸續(xù)開始出現(xiàn)微細裂紋，1～2 周內(nèi)發(fā)展到 4 條長 20～50cm、寬度≤0.2mm、深度≤5mm 的微細裂紋，之后不再發(fā)展。此方案未達到試驗效果，不建議使用。

方案二施工完成 100 天內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋。此方案施工工藝較為復(fù)雜，但成本較低。方案三施工完成 100 天內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋。此方案施工工藝最為成熟，但成本較高。綜合各方面因素，推薦使用方案二進行施工。

4 結(jié)語

針對中山港碼頭磨耗層開裂的技術(shù)難題并結(jié)合本工程特點，通過采用高性能混凝土并摻入纖維的技術(shù)措施，解決了磨耗層混凝土易開裂的技術(shù)難題，設(shè)計制備出工作性能、收縮性能、抗開裂性能符合要求的高性能混凝土，并通過典型施工驗證，推薦使用方案二進行施工，即現(xiàn)澆面板和磨耗層分層施工，兩者施工間隔時間為≤2 天，僅磨耗層添加聚乙烯醇纖維和仿鋼纖維。