碼頭混凝土面層裂縫施工質(zhì)量控制

趙明時(shí)，劉愛國

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，建設(shè)海洋強(qiáng)國，成為我國海洋發(fā)展的基本策略之一[1]。海洋運(yùn)輸在我國乃至全世界運(yùn)輸行業(yè)都扮演了重要的角色[2]。與傳統(tǒng)散雜貨運(yùn)輸相比，港口集裝箱運(yùn)輸具有貨損率及運(yùn)營成本低、裝卸效率及裝載密度高、船舶周轉(zhuǎn)快、綠色環(huán)保、碼垛規(guī)范等特點(diǎn)，目前我國正在逐步打開集裝箱運(yùn)輸這一新型物流方式的大門，這也是我國與全球集裝箱運(yùn)輸接軌的重要保證之一[3,4]。

目前，國內(nèi)港口集裝箱碼頭面層大多采用混凝土結(jié)構(gòu)。國內(nèi)混凝土面層多使用于機(jī)場跑道及低等級公路等，而混凝土面層存在最大的通病就是裂縫問題。對于碼頭混凝土面層而言，裂縫不但影響碼頭的觀感質(zhì)量，還直接影響碼頭的耐久性。雖然，國內(nèi)外對于裂縫的實(shí)驗(yàn)研究、開裂機(jī)理、計(jì)算方法及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有了較為深入的研究，但是裂縫仍然是混凝土面層最難以克服的頑疾之一[5]。目前制約混凝土面層發(fā)展的桎梏之一就是其施工水平不能滿足裂縫理論的研究和發(fā)展，所以有必要對碼頭混凝土面層的施工方法進(jìn)行合理及科學(xué)的選擇，以解決混凝土面層的裂縫問題。

1 工程背景

1.1 工程概況

唐山港京唐港區(qū) 23#～24#集裝箱泊位碼頭工程位于京唐港區(qū)三港池南側(cè)岸線東段，為兩個(gè)新建 7萬t級專業(yè)化集裝箱碼頭，碼頭結(jié)構(gòu)按照10萬t級集裝箱船設(shè)計(jì)，采用全遮簾式地連墻板樁結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。兩個(gè)泊位的碼頭設(shè)計(jì)長度為660 m，工程投資約1.8億元。碼頭前沿60 m范圍內(nèi)設(shè)計(jì)采用現(xiàn)澆混凝土面層結(jié)構(gòu)，混凝土面層厚度為350 mm，彎拉強(qiáng)度為R5.0 MPa級，面層結(jié)構(gòu)總面積約32 500 m2。

圖1 板樁碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

1.2 技術(shù)背景

通過對以往類似工程的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，混凝土面層施工常見的質(zhì)量問題主要集中在強(qiáng)度、平整度、板厚、相鄰板高差及裂縫幾方面。特別是在使用過程中，由于外部荷載（如路面機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸、堆放等荷載）的作用，這些質(zhì)量問題會進(jìn)一步加劇，不但降低碼頭的觀感度，嚴(yán)重者會威脅面層結(jié)構(gòu)的使用安全和使用壽[6]。

根據(jù)京唐港區(qū) 26#～27#集裝箱泊位碼頭工程的混凝土面層施工質(zhì)量問題調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析可知。在調(diào)查范圍內(nèi)30 000 m2的混凝土面層施工質(zhì)量問題中，以裂縫為主，裂縫缺陷率（裂縫缺陷率為在混凝土面層澆筑結(jié)束后需要重新處理的面積占總面積的比率）占總面積的4.28 %；其次為板厚不足，其處理面積為0.58 %；再次為相鄰板高差，其處理面積為0.31 %；其它問題，其處理面積為0.07 %，見表1。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，26#～27#集裝箱泊位碼頭混凝土面層施工質(zhì)量問題主要為裂縫缺陷率過高，占質(zhì)量問題總數(shù)的82 %。因此，在京唐港區(qū)23#～24#集裝箱泊位碼頭工程混凝土面層施工中，為了提高碼頭混凝土面層驗(yàn)收的合格率，保證碼頭的觀感質(zhì)量和耐久性，必須對碼頭混凝土面層裂縫在施工階段進(jìn)行嚴(yán)格控制。

表1 質(zhì)量問題調(diào)查

2 裂縫施工質(zhì)量控制重點(diǎn)分析

圖2 事故頻率

裂縫的產(chǎn)生是材料、人員、技術(shù)及外界因素等各種原因引起的，這里不再一一贅述。根據(jù)相鄰工程的經(jīng)驗(yàn)，水泥用量、混凝土養(yǎng)護(hù)及割縫是影響產(chǎn)生裂縫的主要原因。其中水泥用量占事故頻率的41 %，混凝土養(yǎng)護(hù)占事故頻率的25 %，割縫占事故頻率的18 %，其余（人員素質(zhì)、設(shè)備能力、原材料品質(zhì)及晝夜溫差等）占16 %，如圖2所示。由此可見，有效解決水泥用量、混凝土養(yǎng)護(hù)及割縫問題，可以大幅度減少裂縫的產(chǎn)生。

2.1 水泥用量的控制和分析

社會生產(chǎn)的工業(yè)化和集約化促使了現(xiàn)代混凝土向高性能的方向發(fā)展，特別是研磨工藝的不斷進(jìn)步和混合材料的不斷研制，更加穩(wěn)固了混凝土在高強(qiáng)度方向發(fā)展的基礎(chǔ)?？刂瞥瞿ニ啾缺砻娣e是目前許多水泥廠家普遍使用的提高水泥強(qiáng)度的方法。然而根據(jù)多年施工經(jīng)驗(yàn)，隨著水泥市場的發(fā)展，雖然混凝土面層強(qiáng)度更容易保證，但是混凝土面層放熱速率過快，過早劣化的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，特別是后期裂縫明顯較多。雖然，我們不能改變水泥市場的發(fā)展規(guī)律，但是我們可以適當(dāng)調(diào)配水泥用量，以達(dá)到降低混凝土面層放熱速率，減少混凝土面層裂縫的目的。

根據(jù)以往工程及現(xiàn)場大量的試驗(yàn)，混凝土的配合比在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，適當(dāng)調(diào)配水泥用量，并加以減水劑、粉煤灰及礦粉等，可以降低水化熱，增強(qiáng)混凝土的抗裂能力，減少裂縫的產(chǎn)生，見表2。

表2 R5.0現(xiàn)澆混凝土配合比試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)配合比試驗(yàn)，可以將不同水泥用量條件下的混凝土工作性能比較如下：

1）配合比A水泥摻量較大，水化熱高，澆筑后混凝土內(nèi)外溫差大，混凝土面層出現(xiàn)裂縫較多，并且彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求，不經(jīng)濟(jì)；

2）配合比B水泥用量適中，所選定原材料及摻量、坍落度、和易性均滿足施工操作的要求，內(nèi)表溫差小，試驗(yàn)后混凝土表面裂縫較少，且實(shí)測彎拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；

3）配合比C水泥用量較小，粗骨料偏高，雖然裂縫數(shù)量也不是很多，但是實(shí)測混凝土彎拉強(qiáng)度剛剛達(dá)到設(shè)計(jì)要求，富裕系數(shù)較低，混凝土面層彎拉強(qiáng)度質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較大。

雖然減少水泥用量可以降低混凝土面層的水化熱，從而達(dá)到減少混凝土面層裂縫的目的，但是大量削弱水泥用量會對混凝土彎折強(qiáng)度造成不利的影響。另一方面，與以往工程相比，雖然水泥用量較少，但是混凝土塌落度較大，降低了現(xiàn)場施工難度。然而在追求施工便利的情況下，高塌落度會使混凝土在凝固過程中損失更多的水分，這也加劇了混凝土面層裂縫的產(chǎn)生，根據(jù)現(xiàn)場條件，經(jīng)過多次試驗(yàn)，選擇混凝土坍落度為70～90 mm，能有效控制混凝土面層開裂。綜合以上分析，選定B為最佳施工配合比。

2.2 混凝土養(yǎng)護(hù)的控制和分析

由于本工程施工季節(jié)為夏季，氣溫較高，且海邊大風(fēng)天氣較多，混凝土面層澆筑后水分蒸發(fā)快，容易形成面層脫水現(xiàn)象，不利于混凝土面層表層的水化反應(yīng)，降低表層強(qiáng)度；同時(shí)，水分的快速流失會使混凝土面層急劇收縮，產(chǎn)生大量裂縫。因此，在混凝土面層澆筑過程中，混凝土養(yǎng)護(hù)必須在澆筑完成后立即進(jìn)行，防止出現(xiàn)干縮裂縫。下面主要對混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間

本工程施工時(shí)正處于夏季，平均氣溫達(dá)30 ℃，白天最高溫度達(dá) 38 ℃，混凝土面層采用淡水浸泡養(yǎng)護(hù)方法，每間隔4 h補(bǔ)充淡水一次，養(yǎng)護(hù)時(shí)間確定為15天，派專人負(fù)責(zé)養(yǎng)護(hù)，并填寫?zhàn)B護(hù)記錄表，做好養(yǎng)護(hù)期的成品保護(hù)工作，確保養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。當(dāng)然混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不能一概而論，要根據(jù)不同工程而定，特別是要注意施工所在季節(jié)的溫度。

2.3 割縫的控制和分析

碼頭混凝土面層裂縫的控制要靈活地運(yùn)用“抗放”結(jié)合、以“抗”為主、以“放”為輔的原則[7]。所謂“抗”即限制裂縫的產(chǎn)生，例如減少水泥用量、保證混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間等。所謂“放”即主動讓其產(chǎn)生“人為”裂縫（即割縫），以釋放混凝土面層表面應(yīng)力，減少其它位置的裂縫產(chǎn)生，從而達(dá)到控制混凝土面層裂縫的目的。在施工中，主要通過割縫時(shí)間和割縫深度來控制混凝土面層裂縫缺陷率，見表3。

表3 割縫控制統(tǒng)計(jì)

從表3可知：

1）割縫時(shí)間過早，混凝土凝固不充分，切割機(jī)的振動會在割縫過程中破壞振動范圍內(nèi)的混凝土面層，加劇裂縫的產(chǎn)生，甚至?xí)绊懟炷撩鎸訌?qiáng)度；割縫時(shí)間過晚，混凝土水化熱基本釋放完成，切縫作用不明顯。

2）割縫深度過淺，不能充分釋放混凝土在水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，達(dá)不到割縫的目的；割縫深度過深，勢必造成切割時(shí)間較長，振動會加速周圍裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)會影響面層結(jié)構(gòu)的受力。

通過嚴(yán)格控制混凝土面層割縫時(shí)間和割縫深度，本工程割縫時(shí)間控制在50 h左右，割縫深度為10 cm，最大限度的避免了混凝土錯過最佳割縫時(shí)間和割縫深度不到位的情況，進(jìn)而有效的減少了混凝土面層裂縫缺陷的產(chǎn)生。

3 裂縫施工質(zhì)量控制效果

表4 控制效果調(diào)查

京唐港區(qū) 23#～24#集裝箱泊位碼頭工程的混凝土面層施工完成后，對施工范圍內(nèi)32 500 m2的混凝土面層施工質(zhì)量問題進(jìn)行調(diào)查，見表 4。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，雖然混凝土面層質(zhì)量問題仍然以裂縫為主，但是裂縫缺陷率降低為1.75 %，且總裂縫缺陷率降低至2.63 %。也就是說，混凝土面層施工時(shí)在水泥用量、混凝土養(yǎng)護(hù)及割縫三方面進(jìn)行控制可以有效減少裂縫缺陷率，從而降低混凝土面層總體不合格率。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，本工程混凝土面層修復(fù)面積僅為 855 m2，修復(fù)面積降低了2.61 %（約848 m2），減少損失約12萬元。

4 結(jié) 論

1）在碼頭混凝土面層施工中，適當(dāng)減少水泥用量可以減少裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)不能忽略塌落度對混凝土裂縫的影響；混凝土面層澆筑完成后必須根據(jù)季節(jié)、養(yǎng)護(hù)方法等不同條件進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)，以減少裂縫的產(chǎn)生；控制割縫時(shí)間和割縫深度，可以主動減少混凝土面層不規(guī)則裂縫的產(chǎn)生。

2）裂縫是碼頭混凝土面層施工質(zhì)量的重點(diǎn)控制對象之一，它直接影響到碼頭混凝土面層的驗(yàn)收合格率和施工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。通過對碼頭混凝土面層裂縫的研究，切實(shí)降低了京唐港區(qū) 23#～24#集裝箱泊位碼頭工程混凝土面層的裂縫缺陷率，從而提高了碼頭混凝土面層的觀感質(zhì)量和耐久性，且降低了混凝土面層的維修成本。

3）混凝土面層裂縫施工質(zhì)量的控制，不僅僅關(guān)系到碼頭面層結(jié)構(gòu)形式的選擇，特別是有利于集裝箱碼頭的維護(hù)和美觀，還為混凝土面層設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)相互平衡提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為混凝土面層應(yīng)用于高等級公路等其它類似工程提供了參考和依據(jù)，為打破混凝土在面層結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的局限性奠定了基礎(chǔ)。