港航工程中胸墻混凝土澆筑裂縫成因及控制措施

李軍 中交一航局第五工程有限公司

1.工程概況

龍穴廠(chǎng)區(qū)內(nèi)港池西側(cè)護(hù)堤工程屬于沉箱重力式結(jié)構(gòu)，在沉箱前倉(cāng)現(xiàn)澆胸墻32段，單段主要結(jié)構(gòu)尺寸為19.03m×6.35m×3.4m（長(zhǎng)×寬×高），頂寬4.5m，胸墻間需架設(shè)水、電雙管溝，每段胸墻之間設(shè)定2.3cm厚瀝青木板伸縮縫。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為C40，單段混凝土單段長(zhǎng)度為19.03m，注入量約為170m2，因上述數(shù)值均已超出重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范中建議的標(biāo)準(zhǔn)要求，故本工程在業(yè)內(nèi)屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)合之前類(lèi)似工程的施工經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果來(lái)看，這類(lèi)工程中的胸墻均會(huì)出現(xiàn)不同程度的不均勻裂縫，影響胸墻外觀(guān)。裂縫的存在不僅影響外觀(guān)和港口使用耐久度，而且對(duì)施工方的信譽(yù)產(chǎn)生不良的影響。

本工程設(shè)計(jì)的胸墻施工流程為：觀(guān)測(cè)沉箱頂部沉降與位移→腔內(nèi)碎石層頂部澆筑→素混凝土墊層→綁扎鋼筋→埋設(shè)預(yù)埋件→模板安裝→澆筑混凝土→單獨(dú)支模澆筑胸墻面層混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)。

2.胸墻混凝土裂縫成因機(jī)理分析

對(duì)港航碼頭的混凝土采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑極易造成裂縫，這是普遍存在的問(wèn)題，且沒(méi)有較有效的解決辦法。雖然裂縫不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)安全，但對(duì)碼頭外觀(guān)形態(tài)和工程質(zhì)量造成影響，并在一定程度上縮減結(jié)構(gòu)耐久性。因而需要對(duì)裂縫產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，便于找準(zhǔn)癥結(jié)，采取具有針對(duì)性的控制措施以減少裂縫產(chǎn)生?？傮w而言，造成胸墻混凝土裂縫的主要原因有：

（1）混凝土的干縮。造成混凝土表面干縮裂縫的成因有很多，主要是在施工過(guò)程中出現(xiàn)一系列問(wèn)題，混凝土在進(jìn)入后期硬化階段時(shí)出現(xiàn)大量滲水的情況，如果天氣干燥有風(fēng)，水份會(huì)被快速蒸發(fā)，尤其是對(duì)于表面結(jié)構(gòu)不緊密的混凝土，水份的流失會(huì)更加嚴(yán)重，所以造成表面干縮裂縫。

（2）自生收縮變形。即不存在外界無(wú)物質(zhì)交換時(shí)，混凝土與膠凝材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后會(huì)造成毛細(xì)孔負(fù)壓，降低內(nèi)部相對(duì)濕度，減小宏觀(guān)體積。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果可知：混凝土的自縮應(yīng)變值在（40～100）×10-6內(nèi)，若不考慮其他因素，將混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)固定在10×10-6/℃，則相當(dāng)于溫度降低4～1O℃所引起的溫度變形，這種變化足以證明裂縫的形成在很大程度上受到混凝土自縮因素的影響。

（3）塑性收縮。從物理成分出發(fā)進(jìn)行分析可得出，混凝土中存在一層水膜，這種材料受外界因素影響存在較大差別，在凝固之后，混凝土?xí)a(chǎn)生大量泌水，這些表面的泌水使混凝土中的份子結(jié)構(gòu)相互靠近，雖然可以加固混凝土的密度，但也會(huì)致使混凝土產(chǎn)生裂縫。當(dāng)混凝土存在流動(dòng)不暢問(wèn)題或其本身的抗拉強(qiáng)度未達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性收縮裂縫。

（4）混凝土的內(nèi)外溫差。在整個(gè)混凝土澆筑作業(yè)的前期，胸墻表面散熱非?？?，且其溫度升高的總體幅度比內(nèi)部低，這樣中間部分的溫度比其表層溫度略高，表現(xiàn)為內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹變形比表層變形更明顯且劇烈。當(dāng)溫差很大時(shí)，胸墻表面的拉應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)快速上升，很快達(dá)到甚至超過(guò)混凝土承受壓力，造成混凝土表面開(kāi)裂。

3.混凝土裂縫控制措施

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

想要提升混凝土的抗裂性能，可通過(guò)合理配筋的方式來(lái)控制裂縫大小，一旦裂縫產(chǎn)生，保證在可控范圍內(nèi)將拉伸變形成正比。相同的基礎(chǔ)環(huán)境，應(yīng)變集中程度與裂縫寬度成正比。本工程參照“細(xì)筋密布”原則進(jìn)行優(yōu)化，盡可能不改變?cè)袟l件，采用等截面置換法，用φ16m m@180 m m構(gòu)造鋼筋替代碼頭前沿φ25m m@200 m m構(gòu)造鋼筋，縮減構(gòu)造鋼筋在機(jī)械機(jī)構(gòu)上的不對(duì)稱(chēng)。此外，在面層混凝土以下30mm處增加5cm×5cm鋼筋網(wǎng)片，借助鋼筋與混凝土之間的握裹力來(lái)削減胸墻面層的反作用力，防止混凝土表面產(chǎn)生微裂縫。

3.2 合理選材，降低水化熱

通過(guò)數(shù)據(jù)分析、對(duì)比可以看出，多次優(yōu)化和設(shè)計(jì)混凝土配比后，本工程的泌水率從2.5%降至2.1%。將規(guī)格為20～30cm的潔凈塊石按照10～15%的量摻入混凝土攪拌中，不僅能減少水泥用量、降低水化熱、減小混凝土自縮，還能防止非荷載裂縫的產(chǎn)生。

3.2.1 摻入粉煤灰

粉煤灰的密度較小且結(jié)構(gòu)緊密，不僅能降低水化熱、減少水泥用量，還能提升混凝土粘合性。將粉煤灰摻入混凝土內(nèi)能起到如下作用：①由于粉煤灰包含了大量可利用的化學(xué)元素，這些有效的化學(xué)元素與水泥中的水化產(chǎn)物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，摻入粉煤灰后可替代一部分水泥，在一定程度上增強(qiáng)混凝土的可塑性；減少混凝土的不穩(wěn)定因素；降低水化熱、熱能膨脹性；提升混凝土抗?jié)B能力；降低水分流失的可能；②粉煤灰具有較小的顆粒，在參加二次化學(xué)反應(yīng)時(shí)可加大面積，讓混凝土的攪拌拌合更均勻；③粉煤灰中含有的火山灰在與水等物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)可改變混凝土內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，縮減其產(chǎn)生網(wǎng)洞的概率，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的緊密程度，并減少混凝土的拉伸量。但相比于水泥本身，粉煤灰的比重較小，若摻入過(guò)多，在混凝土施工時(shí)極易出現(xiàn)拌合不均勻的問(wèn)題，且粉煤灰本身比重輕，若過(guò)多的粉煤灰在水泥表層沉積，會(huì)拉低混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度，其表面也會(huì)出現(xiàn)塑性收縮裂縫。因此，混凝土中粉煤灰的摻入量要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際選取，不可摻入過(guò)多。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，建議將粉煤灰的摻入量控制在18%左右。

3.2.2 摻入性能較強(qiáng)的海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑

此種物質(zhì)可對(duì)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到一定的改善作用，并促進(jìn)其形成均勻的無(wú)序支撐體系。而且混凝土抗蝕增強(qiáng)劑能更好地保證混凝土凝結(jié)性，防止其過(guò)早松散，還能縮減混凝土的收縮縫隙，防止混凝土出現(xiàn)滲水問(wèn)題，延長(zhǎng)其耐久性。本工程中摻入量控制在10%。在進(jìn)行混凝土施工時(shí)，若將混凝土原材料與粉煤灰、抗蝕增強(qiáng)劑及其它外加劑一起攪拌，相比普通混凝土的攪拌時(shí)長(zhǎng)，此種類(lèi)型的混凝土通常需要增加10s，且整體攪拌時(shí)間要超過(guò)30s。

3.3 添加聚丙烯纖維

在胸墻面層380mm厚范圍內(nèi)填充摻入聚丙烯纖維混凝土，因?yàn)樵诨炷翑嚢钑r(shí)纖維細(xì)絲可以形成網(wǎng)狀蛛絲結(jié)構(gòu)，增加胸墻混凝土表面的粘結(jié)性能，從而降低因外界溫度、濕度及混凝土本身的塑性干縮、收縮或其他原因造成較大裂縫的可能。從最終的結(jié)果來(lái)看，雖然化學(xué)鍵連接并未達(dá)到預(yù)期效果，但其具有較好的物理粘結(jié)性，在很大程度上保證纖維了在收到力的作用時(shí)不被輕易拔出，同時(shí)增強(qiáng)胸墻面層混凝土的施工質(zhì)量。

3.4 定時(shí)檢測(cè)胸墻內(nèi)部溫度

將測(cè)溫監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)在混凝土內(nèi)部，借助差分計(jì)算得出胸墻混凝土內(nèi)部溫度變化規(guī)律。在后續(xù)施工中，提前將測(cè)溫導(dǎo)線(xiàn)預(yù)埋在胸墻混凝土內(nèi)部，此種做法可在充分考慮大面積混凝土溫度場(chǎng)和胸墻后填土、大氣溫度場(chǎng)之間的影響下形成具有參考價(jià)值的記錄。此外，施工過(guò)程中同時(shí)采取其它措施來(lái)降低水化熱，并加強(qiáng)對(duì)混凝土的拌制、運(yùn)輸、澆注以及養(yǎng)護(hù)的管理。本工程主要是堅(jiān)持分層減水、二次振搗、多次壓面、加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)等，可在混凝土施工的不同階段減少甚至避免表面沉縮裂縫或干縮裂縫等缺陷和問(wèn)題。

3.5 檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)上述措施的優(yōu)化，檢測(cè)出的胸墻裂縫寬度全部保持在0.2mm內(nèi)，其中最長(zhǎng)裂縫為2.3m，最寬裂縫為0.22mm，相應(yīng)的裂縫長(zhǎng)度為1.3m；最窄裂縫為0.04mm，相應(yīng)寬度為0.7m；本工程中出現(xiàn)的50條裂縫全部為非貫通性裂縫，平均深度為1.1cm，平均寬度為0.08mm，結(jié)果證明碼頭胸墻的混凝土澆筑具有較好的防裂效果，既符合建筑行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，也滿(mǎn)足本工程的設(shè)計(jì)文件要求和合同要求。

4.結(jié)語(yǔ)

造成碼頭胸墻混凝土出現(xiàn)裂縫的原因有很多種，要結(jié)合實(shí)際認(rèn)真分析，并對(duì)不同原因造成的混凝土裂縫區(qū)別對(duì)待，采用不同的方法進(jìn)行處理修復(fù)。在本工程的前期胸墻設(shè)計(jì)和后期施工階段，通過(guò)采取多種防裂的方法降低了混凝土的水化熱，減少甚至避免了胸墻裂縫問(wèn)題的出現(xiàn)，在確保建筑質(zhì)量和穩(wěn)定性的同時(shí)保證了施工安全，為后續(xù)工程積累豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。