碼頭混凝土施工裂縫的成因和預(yù)防

張永青 廣東航鑫咨詢有限公司

1.引言

混凝土裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重病害，裂縫的存在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全、耐久性有嚴(yán)重的影響，多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞都是經(jīng)歷裂縫出現(xiàn)、發(fā)育到破壞的過程；混凝土早期的表面裂縫在溫度應(yīng)力和外力作用下，可發(fā)展成具有破壞性的貫穿裂縫和深層裂縫，裂縫的發(fā)展對(duì)鋼筋的包裹保護(hù)效果減弱，鋼筋的抗銹蝕、抗碳化、抗凍融、抗疲勞能力隨之降低，鋼筋性能的缺失加快了混凝土裂縫的發(fā)育，形成貫穿裂縫并破壞結(jié)構(gòu)的整體性，徹底改變混凝土結(jié)構(gòu)的整體受力，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體破壞，從而嚴(yán)重影響建筑物的質(zhì)量和運(yùn)行安全。如果從施工開始采取措施有效防止裂縫的產(chǎn)生，杜絕混凝土破壞之門提前開啟，將有效地延長混凝土的使用壽命。

由于碼頭工程混凝土施工受現(xiàn)場各種條件限制，趕潮水集中澆注施工現(xiàn)象普遍，結(jié)構(gòu)臨水作業(yè)面模板支撐困難、現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)條件差，以及胸墻和基礎(chǔ)混凝土體積大等特點(diǎn)，導(dǎo)致混凝土施工裂縫一直是影響碼頭質(zhì)量的重要原因，如何預(yù)防混凝土施工裂縫是水運(yùn)工程的重要課題。

混凝土施工裂縫種類較多，常見裂縫按成因可分為沉降裂縫、塑性收縮裂縫、溫度裂縫三種，現(xiàn)根據(jù)裂縫形成原因及碼頭混凝土的施工特點(diǎn)，結(jié)合水工工程施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出混凝土以上三種施工裂縫通病的預(yù)防方法，為預(yù)防混凝土施工質(zhì)量事故發(fā)生，提高水工混凝土施工質(zhì)量創(chuàng)造條件。

2.沉降裂縫

沉降裂縫易出現(xiàn)于碼頭后方擋土墻及胸墻，裂縫多屬貫穿性且對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量有重大影響，裂縫的走向與基礎(chǔ)沉陷程度有關(guān)，一般與地面垂直或呈300-400角方向發(fā)展延伸，較大的不均勻沉降裂縫之間往往在上下或左右有一定的距離，沉降裂縫開裂嚴(yán)重程度通常與不均勻沉降量成正比。

沉降裂縫的產(chǎn)生主要有底部回填物沉降或側(cè)向模板位移兩個(gè)主要原因造成：

（1）底部回填物沉降

成因：由于基礎(chǔ)回填物未經(jīng)夯實(shí)或必要的加固處理，隨著上部混凝土澆注施工下部回填物受到的荷載不斷增加，此時(shí)回填物可能出現(xiàn)整體沉降或局部塌陷情況，正處于凝結(jié)過程中的混凝土已失去流動(dòng)性但剛度不足，在重力作用下混凝土可能發(fā)生局部位移而導(dǎo)致整體拉裂。

防治：防止基礎(chǔ)回填物沉降的主要方法為增加回填物強(qiáng)度，選擇塊石、中粗沙等浸潤強(qiáng)度不輕易發(fā)生改變的材料作為填充物，同時(shí)采取振沖密實(shí)措施處理并預(yù)留足夠沉實(shí)時(shí)間，塊石作為粗骨料回填頂部時(shí)做好基礎(chǔ)面片石、碎石找平，并按要求做好素混凝土墊層等，以減少上部混凝土施工過程中回填物自身沉降產(chǎn)生沉降裂縫。對(duì)澆注在斜坡上的混凝土，由于重力作用下容易產(chǎn)生向下流動(dòng)的沉降裂紋，所以斜坡混凝土澆注時(shí)的坍落度要控制在最小允許范圍內(nèi)，澆注時(shí)不宜強(qiáng)力振搗，非關(guān)鍵部位由人工拍打密實(shí)。

（2）側(cè)向模板位移

成因：由于模板剛度不足，支撐間距過大或支撐底部松動(dòng)，過早拆模等都可能導(dǎo)致不均勻沉陷裂縫的出現(xiàn)。

防治：對(duì)大構(gòu)件模板及支撐進(jìn)行專門論證設(shè)計(jì)，模板強(qiáng)度必須經(jīng)驗(yàn)算滿足新澆注混凝土側(cè)向壓力及傾倒混凝土施工荷載要求，同時(shí)綜合考慮該部位受潮水影響可能加速施工的要求，利用好分層澆注施工避免一次性加載過大，合理縮短單塊結(jié)構(gòu)長度保證模板撓度符合要求等，做好下部結(jié)構(gòu)支撐部件預(yù)埋加固工作，設(shè)法加強(qiáng)模板、支撐的強(qiáng)度和剛度。

3.塑性收縮裂縫

塑性收縮裂縫又稱龜裂或干裂縫，該種裂縫一般兩端細(xì)中間略粗且長短不一，類似干燥開裂的泥漿表面，塑性收縮裂縫屬于干縮裂縫，裂縫一般互不連貫，對(duì)混凝土后期的耐久性造成影響,塑性收縮裂縫較易出現(xiàn)于碼頭面層或道路堆場混凝土，大多產(chǎn)生在混凝土澆注初期（澆注后4小時(shí)左右），產(chǎn)生原因主要有以下兩方面：

（1）風(fēng)化失水開裂

成因：混凝土凝結(jié)前受高溫或風(fēng)力影響，表面失水過快造成毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓，致使混凝土體積急劇收縮產(chǎn)生表面的裂縫，當(dāng)空氣中濕度較小時(shí)開裂情況更加明顯。

防治：此類裂縫大多出現(xiàn)在干熱或大風(fēng)天氣，混凝土凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致本身溫度與外界形成一定的溫度差，當(dāng)混凝土對(duì)外散熱的同時(shí)水分也會(huì)流失，因此盡可能避免在氣溫高或風(fēng)速大的天氣下施工，有條件可增設(shè)擋風(fēng)設(shè)施減少空氣流動(dòng)；混凝土澆筑后及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水養(yǎng)護(hù)，初凝前可采取表面噴涂氯偏乳液養(yǎng)護(hù)劑，初凝后采取覆蓋草袋、塑料薄膜等方法減少水分過快散失，養(yǎng)護(hù)時(shí)若表面發(fā)現(xiàn)微細(xì)裂縫應(yīng)馬上抹壓處理并繼續(xù)覆蓋補(bǔ)水養(yǎng)護(hù)，如混凝土已硬化則可在表面抹薄層水泥漿處理，同時(shí)可根據(jù)需要適應(yīng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間。對(duì)于已成形混凝土構(gòu)件，也可在裂縫表面噴涂環(huán)氧膠泥或粘貼環(huán)氧玻璃布對(duì)裂縫進(jìn)行封閉處理。

（2）水泥用量過多或使用過多的粉砂

成因：在水灰比不變的情況下，水泥及水的用量同時(shí)增多，導(dǎo)致混凝土發(fā)生明顯塑性收縮并形成裂縫；混凝土拌制砂率過大或粉砂過多時(shí)，為滿足和易性及塌落度要求均要求增加攪拌用水量，混凝土澆注后隨著水泥硬化以及水分蒸發(fā)，致使混凝土內(nèi)部孔隙不斷形成并最后貫通成裂縫。這種裂縫相對(duì)風(fēng)化失水形成的裂縫更嚴(yán)重。

防治：配制混凝土?xí)r嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配合比生產(chǎn)，嚴(yán)格控制水灰比和水泥用量，可選用干縮值較小早期強(qiáng)度較高的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥；選擇級(jí)配良好的砂石料減小空隙率，一般情況下建議使用中砂，砂子過粗混凝土易產(chǎn)生離析、泌水現(xiàn)象，砂子過細(xì)水泥用量多增加了混凝土自身收縮量；同時(shí)確保砂、石料中不含淤泥、粘土、云母、硫酸鹽及硫化物等有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)會(huì)降低混凝土強(qiáng)度和耐久性，增大混凝土的干縮性；攪拌時(shí)可摻適量高效減水劑增加混凝土塌落度及和易性，減少水泥及水的用量；澆注施工要振搗密實(shí)，以減少收縮量；可在混凝土初凝后終凝前進(jìn)行二次抹壓，以提高混凝土抗裂強(qiáng)度減少收縮量。

4.溫度裂縫

溫度裂縫根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為表面溫度裂縫和深進(jìn)或貫穿溫度裂縫，表面溫度裂縫在接近表面較淺的范圍出現(xiàn)，而貫穿溫度裂縫是從內(nèi)向外發(fā)展往往開裂深度較大，由于碼頭基礎(chǔ)及胸墻混凝土結(jié)構(gòu)體積較大，所以該部位特別更容易產(chǎn)生貫穿溫度裂縫。

表面溫度裂縫是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大引起。特別是大體積混凝土澆筑后，水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，正常情況下水泥水化熱在1～3天可釋放出50%的熱量，由于熱量的傳遞及積存條件不同，混凝土內(nèi)部散熱條件差于表面，混凝土內(nèi)部的最高溫度出現(xiàn)于澆筑后的3～5天，此時(shí)容易形成中心高表面低的階梯式遞減形的溫度梯度，由此產(chǎn)生溫度變形和溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的內(nèi)外約束應(yīng)力時(shí)(混凝土抗拉強(qiáng)度)就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫；溫度裂縫通常初期裂縫較細(xì)，隨著時(shí)間的發(fā)展而不斷擴(kuò)大。表面溫度裂縫通常僅出現(xiàn)于混凝土表面，往混凝土內(nèi)部裂縫很快減弱，因此，裂縫只在接近表面較淺的范圍出現(xiàn)，表面層以下結(jié)構(gòu)仍能保持完整，對(duì)結(jié)構(gòu)影響也相對(duì)較小。

深進(jìn)或貫穿溫度裂縫，由于結(jié)構(gòu)溫度梯度以及結(jié)構(gòu)周邊受到外界的約束而引起，當(dāng)大體積混凝土基礎(chǔ)、墻體澆筑在堅(jiān)硬地基或厚大的舊混凝土墊層上時(shí)，由于沒有采取隔離層等放松約束措施，混凝土凝結(jié)時(shí)水泥水化熱釋放大量熱量，導(dǎo)致混凝土溫度升高，隨著混凝土繼續(xù)凝結(jié)將降溫收縮，結(jié)構(gòu)全部或部分受到地基、墊層或其它外部結(jié)構(gòu)的約束，將會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生降溫收縮裂縫。這類裂縫較深有時(shí)是貫穿性的,將破壞結(jié)構(gòu)的整體性。

成因：溫度裂縫產(chǎn)生與混凝土本身溫度及外部溫度有關(guān)，主要是混凝土凝結(jié)過程水泥水化熱量釋放及熱量傳導(dǎo)緩慢，熱量積聚于密閉的混凝土內(nèi)部導(dǎo)致溫度過高，隨著凝結(jié)時(shí)間延長水化熱量減少及熱量傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)外而溫度將逐漸下降，整個(gè)混凝土凝結(jié)過程溫度變化呈現(xiàn)類似拋物線形狀。①混凝土內(nèi)部溫度與結(jié)構(gòu)的體積有關(guān)，結(jié)構(gòu)體積越大，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量越不容易傳導(dǎo)到結(jié)構(gòu)以外，因此產(chǎn)生的溫度梯度越大，因此構(gòu)體積越大引起裂縫的危險(xiǎn)性也越高，本文所說的碼頭胸墻混凝土屬于大體積混凝土。②混凝土內(nèi)部的溫度與水泥品種、用量有關(guān)，水泥用量越多，水化熱量釋放越多；為減少水化熱宜選用水化熱較小的水泥如：礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、復(fù)合水泥等。

防治：為減少混凝土拌合料的熱量，①盡量選擇在晚上或氣溫較低時(shí)段施工，對(duì)砂石料進(jìn)行遮擋覆蓋避免陽光直接照射升溫過快，同時(shí)可以通過加冰或冷卻水降低拌和水入倉溫度以降低混凝土的澆筑溫度；②根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)大體混凝土結(jié)構(gòu)分塊施工，通過合理分割施工單元減小每次澆注體積以利于內(nèi)部熱量散發(fā)，分塊施工時(shí)要處理好施工縫；③在結(jié)構(gòu)功能及施工條件允許下采用毛石混凝土結(jié)構(gòu)，利用塊石置換混凝土空間，達(dá)到減少水泥用量的目的，但塊石混凝土結(jié)構(gòu)必須具備一定包裹厚度且使用功能滿足設(shè)計(jì)要求；④布置冷卻水循環(huán)降溫，根據(jù)混凝土體積及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)合施工次序設(shè)計(jì)冷卻水循環(huán)管道及溫控監(jiān)測點(diǎn)，澆注后根據(jù)體內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)對(duì)溫度觀測變化，啟用循環(huán)冷水進(jìn)行降溫，冷卻水管設(shè)計(jì)可根據(jù)結(jié)構(gòu)厚度分多層迂回布置以達(dá)到更優(yōu)的效果。

5.小結(jié)

混凝土施工裂縫的成因較多，只要做好采取相關(guān)的預(yù)防措施，可以較好的預(yù)防和控制裂縫，總結(jié)以下幾點(diǎn):

（1）選擇、控制好材料?；炷林饕牧习ㄋ?、砂、石、水以及添加劑等，對(duì)裂縫產(chǎn)生影響較大的因素有水泥品質(zhì)及重量、砂的顆粒大小以及材料的溫度。特別是大體積部位優(yōu)先選用水化熱少、干縮性小的水泥，同時(shí)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)水灰比減少水的用量，不用顆粒過細(xì)的粉細(xì)砂；同時(shí)通過采取預(yù)冷骨料、遮陽防曬、灑水降溫和加冰拌和等措施降低攪拌料入倉前的溫度；據(jù)結(jié)構(gòu)要求使用適量高效減水劑，以減少用水量及緩凝混凝土，延長混凝土凝結(jié)時(shí)間降低集中散熱風(fēng)險(xiǎn)；摻加一定量粉煤灰改善混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性和保水性，減少水泥用量。

（2）選擇合理施工時(shí)間、工藝。施工時(shí)間選擇必須根據(jù)施工部位要求，碼頭等臨水工程施工要與潮位變動(dòng)時(shí)間相結(jié)合，在條件允許下盡量避開大風(fēng)、高溫不利天氣，優(yōu)先選擇春秋季及晚上氣溫相對(duì)較低時(shí)間段施工；按結(jié)構(gòu)及使用要求將大體混凝土結(jié)構(gòu)分塊實(shí)施，減小每次澆注體積有利于內(nèi)部熱量散發(fā)。重視混凝土運(yùn)輸、泵送過程混凝土變化，合理安排攪拌、優(yōu)化運(yùn)輸路徑、減少運(yùn)輸時(shí)間，運(yùn)輸時(shí)對(duì)運(yùn)輸車進(jìn)行遮陽防曬和保溫措施，降低運(yùn)輸過程對(duì)混凝土質(zhì)量影響。

科學(xué)設(shè)計(jì)混凝土施工配合比，確定合適的水灰比、水泥用量及砂率，在保證強(qiáng)度的前提下，不宜過多增加水泥用量，控制好混凝土澆注坍落度、不宜過大；大體積混凝土配比設(shè)計(jì)要考慮選用適宜的緩凝減水型外加劑及摻和料，減少混凝土單位用水量，降低水泥早期水化熱。

（3）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)?；炷翝仓?2小時(shí)即可開始養(yǎng)護(hù)且養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得低于14天，高溫季節(jié)和重要部位應(yīng)適當(dāng)加長養(yǎng)護(hù)時(shí)間。夏天養(yǎng)護(hù)以覆蓋保水材料補(bǔ)水為主，嚴(yán)禁陽光直射在新澆混凝土表面，防止混凝土表面水分散失導(dǎo)致表面塑性收縮裂縫產(chǎn)生，早期可采取表面覆蓋可同時(shí)結(jié)合化學(xué)藥劑養(yǎng)護(hù)；冬季氣溫在50以下澆注的混凝土拆模后應(yīng)立即對(duì)混凝土面進(jìn)行保溫，防止混凝土突然暴露在寒冷的空氣中產(chǎn)生溫度裂縫，冬季混凝土嚴(yán)禁灑水養(yǎng)護(hù)，應(yīng)采取噴涂養(yǎng)護(hù)劑、覆蓋保水材料等措施。

養(yǎng)護(hù)過程中，在混凝土初凝前進(jìn)行二次抹壓，當(dāng)早期產(chǎn)生的微細(xì)裂縫及時(shí)抹壓修復(fù)增加表面混凝土密實(shí)度消除混凝土表面干縮，同時(shí)根據(jù)外界條件適當(dāng)調(diào)整養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

（4）改善結(jié)構(gòu)周邊接觸條件?；炷翝沧⑶绊殞?duì)基礎(chǔ)進(jìn)行夯填振沖密實(shí)，按規(guī)定做好支撐及模板固定，防止?jié)沧r(shí)沉降裂縫產(chǎn)生；對(duì)周邊有堅(jiān)固約束的部位，按規(guī)定設(shè)置隔離層預(yù)留伸縮空間，防止混凝土后續(xù)凝結(jié)降溫收縮產(chǎn)生貫穿溫度裂縫。

（5）創(chuàng)造體內(nèi)降溫條件。大體積混凝土的降溫是溫度裂縫控制的重點(diǎn)，特別是重大水利、碼頭基建工程的主體結(jié)構(gòu)混凝土一旦出現(xiàn)溫度裂縫將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，而且由于混凝土內(nèi)部的溫度控制難度很大，靠自然條件降溫已不能滿足工程要求，必須考慮專門的設(shè)施將內(nèi)部水化熱量通過特殊渠道傳遞到結(jié)構(gòu)體外，因此大型混凝土結(jié)構(gòu)的冷卻降溫十分關(guān)鍵，施工前安裝針對(duì)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的冷卻循環(huán)管道，在澆注完成后立即通過布置內(nèi)部的溫控監(jiān)測點(diǎn)觀測溫度變化，并實(shí)時(shí)啟動(dòng)冷卻循環(huán)系統(tǒng)降溫。