港口與航道工程大體積混凝土施工裂縫控制

曹文達

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州510200）

1 引言

港口與航道工程在建設(shè)過程中，面臨的施工環(huán)境復(fù)雜多變，為使得大體積混凝土的結(jié)構(gòu)施工可以達到預(yù)期標準，除了要遵循相應(yīng)的施工規(guī)范外，還需要結(jié)合工程現(xiàn)場的情況，進行流程優(yōu)化和工藝創(chuàng)新，從溫度因素、施工因素、技術(shù)因素等方面著手，最大程度上降低大體積混凝土裂縫出現(xiàn)的概率。

2 港口與航道工程中大體積混凝土施工特點

港口航道工程的建設(shè)施工任務(wù)艱巨，大體積混凝土施工對工程功能和安全有著至關(guān)重要的影響。由于此類工程處于水環(huán)境中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件長時間與水接觸或者受到水的侵蝕，如果依舊采用常規(guī)的混凝土施工技術(shù)，將無法達到預(yù)期的施工目標，而大體積混凝土施工作業(yè)恰好可以解決這些方面的問題。

大體積混凝土施工作業(yè)有以下幾個方面的施工特點：（1）體積龐大，這一結(jié)構(gòu)特點使得在開展港口航道工程建設(shè)時，結(jié)構(gòu)接觸面積相對較大，也就減少了斷面上的混凝土材料使用；（2）澆筑施工難度大，大體積混凝土與普通混凝土相比，其澆筑工作面臨著很多的難題，為提高澆筑施工效果，一般要遵循分量、分縫、分層的原則，以控制單次澆筑時的混凝土用量；（3）外界溫度對施工的影響巨大，為達到良好的施工效果，施工的全過程中往往要進行內(nèi)外溫差的科學(xué)調(diào)整。

3 港航工程大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

3.1 外界氣溫變化

對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，因為其結(jié)構(gòu)體積龐大，在澆筑施工環(huán)節(jié)，澆筑溫度始終隨著外界氣溫的變化而出現(xiàn)明顯的波動，在氣溫急劇下降的情況下，混凝土內(nèi)外部的溫差異常增大，而這種溫度差異將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)無法保持其完整性。在巨大的溫差條件下，勢必會導(dǎo)致大體積混凝土出現(xiàn)溫度變形，同步產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，在溫差越大的情況下，也意味著其溫度應(yīng)力相對較大，出現(xiàn)裂縫的概率也相對較高[1]。

3.2 混凝土收縮

對大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，在混凝土中大約有20%的水分是水泥硬化時的必需水分，而剩余的水分則要滿足蒸發(fā)需求，一旦存在多余的水分蒸發(fā)情況，大體積混凝土中將產(chǎn)生體積收縮的問題。從混凝土收縮的原因和機理來分析，當大體積混凝土出現(xiàn)了體積收縮現(xiàn)象，會導(dǎo)致在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部同步產(chǎn)生巨大的收縮應(yīng)力，加劇混凝土裂縫的形成。而混凝土收縮性從源頭上是由水泥種類、混凝土配合比、外加劑種類和施工工藝等因素決定。

3.3 水泥水化熱

水泥是混凝土中不可或缺的材料。由于水泥的性質(zhì)特殊，當其處于水化條件下時，勢必伴隨著巨大的熱量釋放。與常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)相比，大體積混凝土的結(jié)構(gòu)斷面厚度大但其表面系數(shù)卻相對較小，這就使得其在水泥水熱化的過程中，所產(chǎn)生的熱量在結(jié)構(gòu)內(nèi)部過度聚集，而無法在短時間內(nèi)散失出去，隨著熱量的集聚，混凝土的內(nèi)外部溫差異常增大，從而伴隨著溫度應(yīng)力、收縮應(yīng)力的產(chǎn)生。大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工的結(jié)構(gòu)裂縫正是降溫和收縮所導(dǎo)致。在降溫條件下，存在著一定的外部約束，將增大貫通裂縫的形成概率；而收縮將引起混凝土的自約束應(yīng)力，引起表面裂縫。

3.4 約束條件

在大體積混凝土的施工作業(yè)中，混凝土澆筑后早期溫度急劇升高，混凝土膨脹勢必會受到巨大的地基約束而同步產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，而在后期，溫度急劇下降，混凝土收縮同樣受到地基約束而形成拉應(yīng)力?；炷两Y(jié)構(gòu)的抗壓性能超過其抗拉性能，使得混凝土在受壓的情況下幾乎不會出現(xiàn)裂縫，而在受拉情況下，因為拉應(yīng)力高于抗拉強度，就會在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)垂直裂縫。

4 港口與航道工程大體積混凝土的裂縫控制

4.1 設(shè)計措施

4.1.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

為減少大體積混凝土中裂縫的出現(xiàn)，在開展大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要以結(jié)構(gòu)特點、使用環(huán)境和壽命要求等作為設(shè)計前提，選擇最符合港口航道工程的結(jié)構(gòu)形式，并確保大體積混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施、強度等級的科學(xué)性。港口航道工程為大規(guī)模項目，在開展總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)采用相對簡單的結(jié)構(gòu)形式，如果大體積混凝土的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，后續(xù)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變現(xiàn)象，可能會存在著應(yīng)力集中的問題，導(dǎo)致基礎(chǔ)約束過大，增大裂縫出現(xiàn)的概率。即使在相對簡單的結(jié)構(gòu)形式下，也應(yīng)進行相應(yīng)的變縫設(shè)置。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，同樣要開展溫度場計算和溫度應(yīng)力分析，根據(jù)這些因素對結(jié)構(gòu)的直接影響，對結(jié)構(gòu)中的薄弱部位進行對應(yīng)的優(yōu)化[2]。

4.1.2 合理進行溫控設(shè)計

溫控設(shè)計應(yīng)注意以下要點：（1）大體積混凝土施工作業(yè)開始之前，應(yīng)根據(jù)總體的施工標準和要求，選擇高性能、高質(zhì)量的原材料，在配合比設(shè)計的過程中，始終堅持絕熱溫升低、抗裂性能好的原則；（2）在滿足混凝土性能的基本前提下，減少在單位范圍內(nèi)的用水量；（3）所使用的混凝土應(yīng)具備低砂率、低坍落度和低水膠比的特征，在混合料中添加一定的減水劑和高性能引氣劑；（4）減少混凝土中的水泥用量，摻加粉煤灰替代部分水泥的作用，控制水泥水化熱對混凝土造成的不利影響；（5）做好開裂敏感性試驗，根據(jù)試驗結(jié)果來采取恰當?shù)姆绞?，避免混凝土早期升溫速率過快[3]。溫控設(shè)計的過程中，可利用試驗或者有限元分析的方式，來對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(yīng)力等參數(shù)加以精準計算，根據(jù)計算結(jié)果來采取相應(yīng)的措施，將溫度控制在正常標準下，溫控措施可選用測溫元件、應(yīng)變測試元件、冷卻水管等的埋設(shè)，塊石與減水劑的摻加等方式，使得在澆筑階段，澆筑溫度可以保持在5～30℃，而內(nèi)外部溫差不超25℃。

4.2 施工措施

4.2.1 嚴把材料質(zhì)量關(guān)和配比關(guān)系

港口航道工程的大體積混凝土施工作業(yè)中，材料質(zhì)量是否達標，將直接影響大體積混凝土的結(jié)構(gòu)性能。因此，在裂縫控制方面，既要從原材料的質(zhì)量控制出發(fā)，還要結(jié)合結(jié)構(gòu)要求，進行相應(yīng)的配合比設(shè)計。施工企業(yè)在開展施工建設(shè)時，應(yīng)加強對各種原材料的采購管理和質(zhì)量驗收，質(zhì)量驗收不通過的材料嚴禁被應(yīng)用于混凝土施工，在材料采購時應(yīng)選用性能合格的材料，比如，在水泥的選用方面，應(yīng)使用中低熱水泥，嚴禁使用早強水泥，所選水泥的鋁酸三鈣含量和比表面積指標都應(yīng)該處于限值范圍以內(nèi)。在混凝土的配合比設(shè)計階段，應(yīng)開展試配試驗，根據(jù)試驗結(jié)果的對比與分析來確定最佳的配合比，通過科學(xué)的配合比設(shè)計來控制混凝土的水灰比、坍落度等指標。在混凝土攪拌時，嚴格控制每種原材料的用量。為避免在混凝土施工中膠凝材料過細所引起的混凝土溫升問題和裂縫問題，在混凝土混合料中可摻加一定的Ⅲ級粉煤灰或者粒子化高爐礦渣，以改善混凝土性能。粗骨料作為混凝土中的關(guān)鍵材料，在粗骨料選擇上，應(yīng)選用大粒徑粗骨料，并對含泥量和堿活性加以科學(xué)控制，通過使用線膨脹系數(shù)比較小的碎石，來減小混凝土的溫度應(yīng)力。

4.2.2 混凝土施工溫度控制

施工溫度的控制可以在很大程度上起到裂縫預(yù)防的作用。具體的溫度控制可從以下方面來開展：（1）出機口溫度控制。如果港口航道大體積施工面臨的是熱天夜間的施工條件，需將水泥和骨料的溫度控制在較低的狀態(tài)下，通過低溫水、冰水攪拌的方式來實現(xiàn)；如果處于冷天施工，可通過料場遮蓋、拌和水加熱的方式；適當提高澆筑效率，以控制混凝土澆筑面的暴露時間。（2）內(nèi)部最高溫度控制。對這一溫度參數(shù)的控制，可通過降低澆筑溫度、摻加緩凝劑、延長凝結(jié)時間、分層澆筑、冷卻水管埋設(shè)等方式來實現(xiàn)。（3）在無筋或者少筋的大體積混凝土中埋設(shè)塊石，但在受拉區(qū)域內(nèi)嚴禁埋設(shè)，且埋設(shè)的塊石必須要沖洗干凈并做好潤濕處理，控制塊石的埋設(shè)總量。（4）加強對澆筑溫度、內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度等的監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，及時采取對應(yīng)的溫控處理方式。

4.2.3 混凝土澆筑控制

大體積混凝土的澆筑環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合振搗和入模條件，將分層厚度控制在正常標準內(nèi)，嚴禁澆筑環(huán)節(jié)出現(xiàn)集中傾倒沖擊模板或者鋼筋骨架的現(xiàn)象。在初凝之前必須要完成混凝土的運輸、澆筑與振搗，整個澆筑工作要連續(xù)開展，嚴禁出現(xiàn)冷縫。工程實踐中，應(yīng)該對模板加以檢查，根據(jù)檢查來判斷模板中是否存在變形、松動、跑漿、跑模等現(xiàn)象?；炷琳駬v工作應(yīng)規(guī)范開展，以提高混凝土密度，通過二次振搗工藝的應(yīng)用，在初凝之前開展再次的振搗處理，在提升混凝土強度的同時提升其結(jié)構(gòu)抗裂性[4]。通過二次抹面工藝的使用，在初凝之前在混凝土表面由專業(yè)人員開展二次抹面，并及時覆蓋保濕。

4.2.4 混凝土養(yǎng)護和測溫

養(yǎng)護是大體積混凝土施工不可忽視的環(huán)節(jié)。當澆筑作業(yè)全面完成以后，就要立即進入養(yǎng)護環(huán)節(jié)，以通過保溫處理的方式，來實現(xiàn)對混凝土塊體內(nèi)外溫差的控制，降低塊體所存在的自約束應(yīng)力，經(jīng)由草席、塑料包裹和覆蓋，減小混凝土的降溫速率，使得混凝土濕度符合結(jié)構(gòu)施工要求。蓄水、灑水和噴霧養(yǎng)護時，水溫和混凝土表面溫度應(yīng)保持在15℃以內(nèi)，養(yǎng)護時間應(yīng)嚴格根據(jù)結(jié)構(gòu)施工要求和混凝土性能來確定。

5 應(yīng)用實例

以某港口工程為例，該工程的碼頭主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆重力式碼頭，長1 000 m，碼頭底板厚、墻身高分別為1.1 m、11.1 m，屬于大體積混凝土施工作業(yè)。根據(jù)對碼頭工程現(xiàn)場的情況分析，最終選用的是圍堰干地施工方法，主體結(jié)構(gòu)的施工中，施工周期漫長，跨越了汛期和冬季，裂縫頻發(fā)，在此工程中的裂縫控制是關(guān)鍵。

此工程項目實施中采用的是C25素混凝土，在混合料的配制中，選用的是P·O42.5水泥，并在其中摻加15%的Ⅰ級粉煤灰。為提高混凝土的各方面性能，在混凝土配制的過程中，將骨料的含泥量控制在正常的標準內(nèi)，選用聚羧酸系高性能引氣減水劑。在冬季施工作業(yè)進行中，對混凝土的配合比加以適當調(diào)整，在混凝土中添加一定的防凍劑。底板、墻身的混凝土澆筑進行分段、分層實施，并嚴格根據(jù)總體的結(jié)構(gòu)施工要求來進行施工縫的設(shè)置，并檢驗?zāi)０逶O(shè)計是否合理，結(jié)合對應(yīng)的試驗結(jié)果來進行混凝土溫度應(yīng)力的科學(xué)分析。

6 結(jié)語

大體積混凝土施工是港口航道工程中的重點和難點。為提高混凝土性能，降低混凝土裂縫出現(xiàn)的概率，在開展施工作業(yè)的過程中，工程人員應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)施工的具體要求，來進行對應(yīng)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，加強對各個環(huán)節(jié)施工工藝的選擇、質(zhì)量控制，提升工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量，推動我國航運事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。