ACCROPODETMII 型護面塊體開裂原因研究

王明軍 龔照龍 吳建平

（1 中交四航工程研究院有限公司)

(2 水工構造物耐久性技術交通行業重點實驗室)

(3 中交四航局第三工程有限公司）

0 前言

護面塊體常用于港口碼頭的防波堤，其功能是消浪和護面。使用功能決定了塊體外形比較復雜、肢桿較多，加之預制工程用量大，施工過程中容易出現氣泡、麻面、砂紋以及裂縫等質量問題，直接影響混凝土外觀質量及使用壽命[1]。尤其是混凝土的裂縫問題，一但混凝土出現有害裂縫，且當混凝土處于水位變動區或者水下區時，水分、氯鹽等將滲透到混凝土內部，在潮水的作用下混凝土將產生浸析作用，在有凍融環境時，可能導致凍融破壞；對鋼筋混凝土，則可能導致銹蝕破壞，從而大大降低混凝土的使用壽命。目前國內對類似護面塊體等無筋或者少筋混凝土結構的裂縫控制尚無規范標準。因此，一但產生裂縫問題，各方的看法也不一。本文針對加納特碼新集裝箱碼頭ACCROPODETMⅡ型護面塊體，在預制過程中出現的裂縫問題進行了分析總結，并就減少和防止產生這種裂縫的措施提出了一些看法，也可為同類工程提供一些借鑒。

1 原材料和配合比

原材料及主要指標如下：

⑴水泥：GHACEM PORTLAND CEMENT 42.5N，標準稠度用水量27%，比表面積294m2/kg，初凝時間162min，終凝時間258min，2d 強度25.3MPa，28d 強度50.4MPa；

⑵粉煤灰：顆粒密度176kg/m3，45μm 方孔篩篩余22.3%，Al2O3+Fe2O3+SiO2為90.81%；

⑶砂：表觀密度2.57g/cm3，亞甲藍值2.8，氯離子含量（NaCl）0.005%，堿活性0.07%，吸水率0.45%；

⑷碎石：4mm～16mm 碎石和16mm～31.5mm 碎石，表觀密度2.89g/cm3，氯離子含量（NaCl）0.002%，堿活性0.06%，針片狀含量17%，洛杉磯磨耗率（LAA）29%，吸水率0.31%；

⑸減水劑：廣州四航材料科技有限公司，聚羧酸減水劑（HSP-V），減水率19%，1d 抗壓強度比172%，28d 抗壓強度比134%；

⑹水：飲用水。

膠凝材料的理化性能及混凝土配合比分別見表1和表2 所示。

2 護面塊體預制情況

表1 膠凝材料的理化性能

表2 混凝土配合比

加納特碼新集裝箱碼頭位于非洲最大的人造海港——加納特馬港的西側，屬熱帶雨林氣候，年最高氣溫在2 月份，約34℃，最低氣溫在8 月，約15℃。全年平均降雨量約2000mm。碼頭防波堤采用ACCROPODETMⅡ型護面塊體作為擋浪塊體，該塊體采用C30 素混凝土結構，單個體積約2m3，重量約5t，預制數量達3.7 萬件，通過塊體的環環連鎖安裝，能起到良好的消浪和抗沖擊效果。

ACCROPODETMⅡ型護面塊體強健性好、消浪性好、穩定性強，并可單層施工，應用非常廣泛，是迄今為止全球最為流行的人工護面塊體。ACCROPODETMⅡ型護面塊體結構尺寸及實物圖見圖1 所示。

圖1 ACCROPODETMⅡ型護面塊體

護面塊體多次澆筑拆模后，除發現部分氣泡、砂紋等質量問題外，每次均發現在下肢與中部銜接處的內角重復出現裂縫，有時出現在塊體的一側，有時塊體的兩側均有。經測量，該裂縫的長度約為40cm～50cm，抽芯測得的裂縫深度為2mm～8mm，裂縫位置及裂縫形態見圖2 所示。

圖2 ACCROPODETMⅡ型護面塊體開裂情況

3 開裂原因討論

為了尋找護面塊體在同一位置處重復出現裂縫的原因，達到減少或者消除固定位置重復出現裂縫的目的，從混凝土配合比優化、溫度場分析與溫度控制、施工工藝優化等方面，詳細探討了開裂的可能原因。

3.1 配合比

通過分析原混凝土配合比發現，C30 的混凝土水泥用量大、砂率較大，混凝土的28d 強度值富余較多，這可能導致混凝土產生較大的干縮，由于本護面塊體是素混凝土結構，當混凝土收縮產生的應力大于混凝土的抗拉強度時，有可能造成混凝土的開裂?；诖?，對混凝土配合比進行了初步的調整。結果見表3 所示。

原材料中的水泥摻量較大，可能導致混凝土的溫升高。因此在保證砼強度滿足規范和設計要求的前提下，保持膠材總量不變，將粉煤灰的摻量提高到33%，能有效降低混凝土的溫升值；考慮適當減小砂率，提高粗骨料用量，能降低混凝土收縮，因此在原配比基礎上減少2%砂率，并優化了小石和大石的摻配比例；由于原配合比的強度富余較大，因此在滿足規范和技術規格書的前提下，適當增大了水膠比，增加了單方用水量，降低了外加劑的摻量。經優化后，混凝土的工作性能及強度均滿足施工和技術要求。

表3 C30 護面塊體配合比調整前后的對比

配合比優化后，雖然塊體混凝土的外觀質量得到一定改善，但是護面塊體仍然在相同位置處出現開裂，裂縫的寬度和長度與采用原配合比的護面塊體差別不大?？芍?，此裂縫的出現可能與混凝土配合比關系不大。

15例研究組患者治愈10例（66.66%），有效4例（26.67%），無效1例（6.67%）；15例對照組患者治愈6例（40.00%），有效6例（40.00%），無效3例（20.00%）；研究組臨床有效率為93.33%，對照組臨床有效率為80.00%，研究組的臨床有效率高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。說明在保留灌腸法治療潰瘍性結腸炎中應用舒適護理，有利于患者的痊愈。

3.2 溫度場及溫控措施

現場施工時發現，混凝土的入模溫度較高，達到35.9℃，這可能與混凝土原材料的溫度較高有關。經檢測發現，水泥入罐溫度高達69.2℃，粗細集料溫度在44℃左右，澆筑后測得護面塊體內部最高溫度達71.7℃，結果見圖3 所示。

圖3 混凝土中心溫度監測結果

若原材料的入機溫度較高，就可能導致混凝土的中心溫度較高。由于混凝土在降溫階段將產生溫降收縮，每降低10℃約產生100μξ，當混凝土從70℃降至環境溫度（25℃）時，約產生450μξ（不考慮徐變變形），而在超慢速荷載條件下（幾天至數月達到抗拉強度的速率），考慮徐變變形，混凝土極限拉伸大致在250～300μξ[2]。可見，若降溫速率過快時，混凝土的降溫收縮產生的應力大于混凝土的極限抗拉強度時，就可能導致混凝土的開裂。

為了降低混凝土的內部最高溫度，從控制水泥和粗細集料的入機溫度入手，盡量控制入模溫度不超過30℃，混凝土內部最高溫度不宜大于70℃；采取溫控措施后的混凝土內部最高溫度見圖4 所示。

圖4 調整溫控措施后混凝土中心溫度監測結果

圖5 護面塊體的模型與溫度場云圖

表4 C30 護面塊體內約束應力及抗裂安全系數

圖6 護面塊體內部溫度模擬值

采用原材料降溫措施后，混凝土的內部最高溫度得到了一定程度的降低，但是護面塊體依然在同一位置處出現裂縫。

為了得到在目前原材料溫度下，混凝土護面塊體由于自約束應力導致的開裂風險，采用midas 軟件對護面塊體進行建模，并得到塊體的內部溫度云圖，結果見圖5 所示。

圖6 所示為護面塊體的最高溫度、表面溫度和內表溫度的模擬值。根據護面塊體混凝土內表溫差的模擬計算結果，計算內表溫差導致的混凝土內約束應力，最后得到各齡期內約束應力的抗裂安全系數Kz，結果見表4所示。

可以看出，護面塊體的7d 內約束應力抗裂安全系數均大于1.15，內約束應力導致混凝土開裂的風險較小。

雖然實測的ACC148-167 護面塊體內部的最高溫度為71.7℃，降溫速率為16.1℃/d，均超出了水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程JTS 202-1－2010中的最高溫度不大于70℃，降溫速率不大于2.0℃/d的規定[3]。但經midas 軟件建模模擬分析可知，混凝土的自約束應力導致的開裂風險較低?？梢姡俗o面塊體固定位置處的裂縫與混凝土的內部溫度場關系不大。

3.3 施工工藝

經過大量裂縫控制措施的試驗，包括優化混凝土配合比、降低入模溫度等措施，塊體的外觀質量得到較大的改善，但塊體下肢與中部連接處裂縫仍重復出現。可見，該裂縫與混凝土的配合比以及混凝土內部的溫度場變化關系不大。由于護面塊體結構復雜，塊體多棱角，且存在多處變截面部位，初步分析該裂縫的出現可能與塊體下肢與中部連接處產生應力集中有關。

如圖7 所示，開有圓孔和帶有切口的構件，當其受軸向拉伸時，在圓孔和切口附近的局部區域內，應力的數值劇烈增加，而在離開這一區域稍遠的地方，應力迅速降低而趨于均勻。這種現象，稱為應力集中。應力集中是由于構件截面驟然變化（或幾何外形局部不規則）而引起的局部應力驟增現象[4]。

圖7 構件應力集中示意圖

本工程中的護面塊體，由于上肢混凝土和中肢混凝土的自重原因，將荷載傳遞到下肢，由于在中肢部位發生了截面的變化，塊體的下肢與中部結合部位將產生背向的拉應力，尤其是此部位處混凝土多棱角，更容易導致應力在此部位集中，當此拉應力大于混凝土的抗拉強度時，塊體就會在此部位出現開裂。

因此，決定改裝2 套模板進行試驗。將塊體模板下肢與中部連接處進行切割，切割尺度為長80cm，寬15cm，并重新用鋼板焊接打磨，使原模板下肢與中部連接處交角由159°調整為170°，以達到平緩過渡、減少應力集中，模板改裝見圖8。

圖8 塊體模板改裝示意圖

圖9 塊體模板改裝效果圖

采用改裝后的模板進行塊體預制，拆模后發現塊體中部及下肢相接的位置無裂縫產生。反復試驗10 次均無裂縫產生，遂對現場120 套塊體模板全部進行改造，改造后的塊體預制質量達到預期要求，塊體的外觀質量見圖10 所示。

圖10 模板改裝前后裂縫對比圖

將原模板下肢與中部連接處交角由159°調整為170°，達到了平緩過渡、減少應力集中的作用，從而避免了此部位的應力集中，減少了裂縫在此出現的概率。因此，對可能產生應力集中的部位進行倒角處理或者平滑過渡，將有助于分散應力，降低應力裂縫出現的概率。

4 結語

對于護面塊體，由于結構復雜，預制數量大，出現一些表面缺陷，屬正?，F象?；炷恋臍馀?、砂紋等缺陷可通過調整配比等措施解決。但是，對于在塊體預制過程中出現的開裂問題，有時很難一下子就確定是哪種原因導致的，這就需要在施工中不斷的去摸索、分析、總結產生裂縫的原因。這也將對以后的施工作業起到較好的指導作用。

針對混凝土的應力集中裂縫，除了將產生應力集中 的部位進行倒角或者平緩過渡處理外，對有配筋的混凝土構件，還可采用在應力集中的部位增設鋼筋網片或者與裂縫方向垂直的構造鋼筋來減少或者消除應力集中裂縫。