加納漁港項目預制方塊大體積混凝土裂縫防控

◎?qū)O國輝 張皓銘 中國港灣西部非洲區(qū)域公司 中交一航局第五工程有限公司

1.研究背景

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的提出和第七屆中非合作論壇北京峰會的順利召開，國家持續(xù)加大投資支持非洲基礎設施的發(fā)展，帶動了大批建筑企業(yè)走進非洲，各類大型項目紛紛提上日程，大體積混凝土作為大型建筑及設備等的基礎，應用越發(fā)廣泛。

大體積混凝土結構尺寸大、混凝土方量多，前期施工時不承受設計荷載，投入使用后由外荷載引起裂縫的可能性也很小。但在施工澆筑過程中，混凝土因水化熱溫升產(chǎn)生的溫度應力、基底約束和混凝土收縮的共同作用，會產(chǎn)生一定的拉應力，當超過混凝土容許拉應力后將出現(xiàn)裂縫，進而影響結構使用的安全性和耐久性。采取適當措施，做好裂縫防控，是大體積混凝土施工質(zhì)量控制的關鍵。

2.工程概況

加納漁港項目是中加兩國政府重點合作框架項目，主要工作內(nèi)容為加納沿海地區(qū)10處漁港的改擴建及后方配套漁業(yè)設施的修建，包括碼頭、防波堤、港池及航道疏浚、后方陸域回填、進場道路、房建及配套水電等施工。其中碼頭為重力式素混凝土方塊碼頭，工程量約1800塊，混凝土設計強度為C30。碼頭底部方塊（最大）為F型，尺寸4.25m×2m×1m；頂部方塊（最小）為A型，尺寸2m×2m×1m，方塊最小截面尺寸為1m，屬于大體積混凝土結構，其施工質(zhì)量控制為本工程工作的重點與難點，施工前需進行大體積混凝土水化熱計算。

本文以尺寸最大的F型方塊為研究對象，使用Madas Civil建立有限元模型進行理論分析，并在施工過程中通過實際監(jiān)測加以驗證。

3.水化熱計算

3.1 混凝土配合比設計

大體積混凝土配合比設計時應避免使用早強、水化熱較高、C3A含量較高和細度過小，早期發(fā)熱過快的水泥，宜優(yōu)先選用水化熱低的礦渣硅酸鹽水泥，同時宜摻入粉煤灰/礦渣等膠凝材料來降低水泥用量；為提高混凝土耐久性和減少用水量，改善混凝土和易性，降低絕熱溫升，混凝土中應摻加適量的高效減水劑，減水劑的減水率應大于20%；骨料應沒有堿活性并具有較低的熱脹系數(shù)，宜采用石英巖卵石破碎成的礫石，所用砂子為石英砂。因加納地區(qū)建材市場較為單一，本項目水泥選用普通硅酸鹽水泥，同時摻入進口的Ⅱ級粉煤灰及高效減水劑。

根據(jù)項目技術規(guī)格書要求及前期委托加納高速公路局試驗室所做混凝土配合比試驗結果，確定混凝土配合比（水膠比0.42）為：水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石（4～16mm）∶碎石（16～31.5mm）∶水∶高效減水劑=239kg∶103kg∶762kg∶340kg∶793k g∶144kg∶5kg。

3.2 混凝土材料特性

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范（2015年版）》（GB 50010-2010）及查詢相關資料，獲得混凝土特性參數(shù)，見表1。

表1 混凝土特性參數(shù)

3.3 邊界條件

本工程方塊為預制構件，為降低底模對混凝土的約束作用及加塊熱量散播，底模及側模均采用6mm厚鋼模板，鋼模板導熱系數(shù)為：λ=163.29 kJ/（m·h·℃），鋼模板表面光滑，按平均風速2m/s考慮，鋼模板在空氣中的放熱系數(shù)為β=49.41 kJ/（m?h?℃），混凝土側面與底面的等效放熱系數(shù)為：

式中：h為鋼模板厚度，m。

3.4 建模

根據(jù)以上參數(shù)及方塊實體結構尺寸建立Midas Civil有限元模型，按全尺寸進行模擬。整個模型共3619個節(jié)點、2880個單元。方塊為具有一定傳熱速率的結構，定義其澆筑的時間差距，根據(jù)計算結果觀察其各個階段方塊內(nèi)部的溫度、應力變化。

3.5 計算結果分析

（1）溫度變化分析。通過對實體有限元模型分析計算，可看出方塊在澆筑40h左右，混凝土內(nèi)部溫度達到最高值55.8℃，滿足溫升不超過入模溫度50℃的規(guī)范要求。方塊內(nèi)表最大溫差約11℃，滿足內(nèi)表溫差不大于25℃的規(guī)范要求。

（2）應力分析?；炷恋脑S用應力一直大于溫度應力，表明溫度應力的作用不會使混凝土產(chǎn)生裂縫。

4.施工方案

根據(jù)模型計算結果可知，此方塊在未采取“內(nèi)降外?！钡拇胧┫?，內(nèi)表溫差及表面溫度應力均滿足規(guī)范要求，方塊混凝土不會因溫度應力發(fā)生裂縫。為確保實際施工條件與模擬條件相匹配、確?；炷翝仓|(zhì)量和控制混凝土澆筑后的內(nèi)表溫差，經(jīng)分析討論，決定采取以下措施：

（1）嚴格控制混凝土原材料質(zhì)量，按技規(guī)要求對原材料進行送檢，并不定期抽查料源地及拌合站原材質(zhì)量和拌和設備性能，確保拌合物質(zhì)量。

（2）降低原材料溫度，水泥、粉煤灰前提前一周裝入罐內(nèi)，確保拌合前水泥溫度不高于60℃；當氣溫較高時，采用搭涼棚，堆高骨料、底層取料和用涼水噴淋骨料等方法降低骨料溫度，必要時摻加冰水拌和混凝土；加快運輸和澆筑，減少混凝土在運輸和澆筑過程中的溫度回升，確保新伴混凝土入模溫度滿足技規(guī)要求。

（3）嚴格控制新拌混凝土坍落度，采用專用混凝土運輸車以減少運輸過程中的坍落度損失，確?；炷梁鸵仔粤己?，杜絕發(fā)生分層、離析和泌水等現(xiàn)象。

（4）混凝土澆筑在下午四點后進行，避開高溫時段；澆筑振搗時按照25cm一層，分四層連續(xù)澆筑。澆筑時埋設測溫設備，監(jiān)測混凝土內(nèi)表溫差，收集匯總實測數(shù)據(jù)，驗證模擬計算效果。

（5）采用灑水并覆蓋吸水土工布進行養(yǎng)護，在養(yǎng)護的同時對表層混凝土進行保溫，混凝土養(yǎng)護時間不少于14d。

（6）為增大方塊間的抗剪能力，混凝土終凝前，對方塊頂面進行硬拉毛處理。

（7）現(xiàn)場配置備用發(fā)電機及振搗棒，確保澆筑振搗的連續(xù)不中斷。

5.施工階段測溫監(jiān)控

5.1 布設測溫設備

測溫設備選用海創(chuàng)高科生產(chǎn)的JDC-2手持式測溫儀，按照《大體積混凝土溫度測控技術規(guī)范》（GBT 51028-2015）要求，分別在方塊測面及中心不同深度布置測溫點，安排專人晝夜進行測溫記錄，澆筑前三天按照1h/次，三天后按照4h/次。技術人員按時收集匯總監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制各測溫點的溫度變化曲線，及時進行分析，采取適當措施，控制混凝土表面與中心最大溫差不大于25℃。

5.2 實測數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)對比

安排專人讀取并記錄各點實時溫度情況，中心位置2#測溫點混凝土溫度最高。從實測數(shù)據(jù)繪制的溫度曲線可以看出，中心混凝土溫度在澆筑37h左右達到最高值60.5℃，此時內(nèi)外溫差最大，約13℃，模擬計算與實測數(shù)據(jù)基本吻合。

6.施工建議

大體積混凝土裂縫控制為一綜合性課題，貫穿于施工的各個階段。施工前在配合比設計時，采用低水化熱水泥、摻加礦粉、粉煤灰、高效減水劑和摻加膨脹劑等措施降低水化熱和混凝土收縮。施工時要嚴格控制入模溫度和混凝土坍落度，并盡量減少底部混凝土約束；澆筑完成后及時采取保溫措施，按時進行養(yǎng)護。通過采用Midas Civil軟件模擬計算大體積混凝土水化熱，根據(jù)計算結果確認“內(nèi)降外?！钡臏囟瓤刂拼胧?，對大體積混泥土裂縫控制具有很強的指導作用。

7.結語

本項目方塊預制已完成1200塊左右。經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)任何影響結構耐久性及安全性的裂縫，產(chǎn)品合格率為100%，表明以上一系列技術措施能夠有效防控大體積混凝土裂縫產(chǎn)生，保證工程質(zhì)量，可為類似工程提供經(jīng)驗借鑒。