碼頭混凝土面層裂縫施工質量控制

趙明時，劉愛國

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

保護海洋生態環境，建設海洋強國，成為我國海洋發展的基本策略之一[1]。海洋運輸在我國乃至全世界運輸行業都扮演了重要的角色[2]。與傳統散雜貨運輸相比，港口集裝箱運輸具有貨損率及運營成本低、裝卸效率及裝載密度高、船舶周轉快、綠色環保、碼垛規范等特點，目前我國正在逐步打開集裝箱運輸這一新型物流方式的大門，這也是我國與全球集裝箱運輸接軌的重要保證之一[3,4]。

目前，國內港口集裝箱碼頭面層大多采用混凝土結構。國內混凝土面層多使用于機場跑道及低等級公路等，而混凝土面層存在最大的通病就是裂縫問題。對于碼頭混凝土面層而言，裂縫不但影響碼頭的觀感質量，還直接影響碼頭的耐久性。雖然，國內外對于裂縫的實驗研究、開裂機理、計算方法及設計標準有了較為深入的研究，但是裂縫仍然是混凝土面層最難以克服的頑疾之一[5]。目前制約混凝土面層發展的桎梏之一就是其施工水平不能滿足裂縫理論的研究和發展，所以有必要對碼頭混凝土面層的施工方法進行合理及科學的選擇，以解決混凝土面層的裂縫問題。

1 工程背景

1.1 工程概況

唐山港京唐港區 23#～24#集裝箱泊位碼頭工程位于京唐港區三港池南側岸線東段，為兩個新建 7萬t級專業化集裝箱碼頭，碼頭結構按照10萬t級集裝箱船設計，采用全遮簾式地連墻板樁結構方案，如圖1所示。兩個泊位的碼頭設計長度為660 m，工程投資約1.8億元。碼頭前沿60 m范圍內設計采用現澆混凝土面層結構，混凝土面層厚度為350 mm，彎拉強度為R5.0 MPa級，面層結構總面積約32 500 m2。

圖1 板樁碼頭結構斷面示意

1.2 技術背景

通過對以往類似工程的調查發現，混凝土面層施工常見的質量問題主要集中在強度、平整度、板厚、相鄰板高差及裂縫幾方面。特別是在使用過程中，由于外部荷載（如路面機械設備運輸、堆放等荷載）的作用，這些質量問題會進一步加劇，不但降低碼頭的觀感度，嚴重者會威脅面層結構的使用安全和使用壽[6]。

根據京唐港區 26#～27#集裝箱泊位碼頭工程的混凝土面層施工質量問題調查統計分析可知。在調查范圍內30 000 m2的混凝土面層施工質量問題中，以裂縫為主，裂縫缺陷率（裂縫缺陷率為在混凝土面層澆筑結束后需要重新處理的面積占總面積的比率）占總面積的4.28 %；其次為板厚不足，其處理面積為0.58 %；再次為相鄰板高差，其處理面積為0.31 %；其它問題，其處理面積為0.07 %，見表1。由統計數據可知，26#～27#集裝箱泊位碼頭混凝土面層施工質量問題主要為裂縫缺陷率過高，占質量問題總數的82 %。因此，在京唐港區23#～24#集裝箱泊位碼頭工程混凝土面層施工中，為了提高碼頭混凝土面層驗收的合格率，保證碼頭的觀感質量和耐久性，必須對碼頭混凝土面層裂縫在施工階段進行嚴格控制。

表1 質量問題調查

2 裂縫施工質量控制重點分析

圖2 事故頻率

裂縫的產生是材料、人員、技術及外界因素等各種原因引起的，這里不再一一贅述。根據相鄰工程的經驗，水泥用量、混凝土養護及割縫是影響產生裂縫的主要原因。其中水泥用量占事故頻率的41 %，混凝土養護占事故頻率的25 %，割縫占事故頻率的18 %，其余（人員素質、設備能力、原材料品質及晝夜溫差等）占16 %，如圖2所示。由此可見，有效解決水泥用量、混凝土養護及割縫問題，可以大幅度減少裂縫的產生。

2.1 水泥用量的控制和分析

社會生產的工業化和集約化促使了現代混凝土向高性能的方向發展，特別是研磨工藝的不斷進步和混合材料的不斷研制，更加穩固了混凝土在高強度方向發展的基礎。控制出磨水泥比表面積是目前許多水泥廠家普遍使用的提高水泥強度的方法。然而根據多年施工經驗，隨著水泥市場的發展，雖然混凝土面層強度更容易保證，但是混凝土面層放熱速率過快，過早劣化的現象較為嚴重，特別是后期裂縫明顯較多。雖然，我們不能改變水泥市場的發展規律，但是我們可以適當調配水泥用量，以達到降低混凝土面層放熱速率，減少混凝土面層裂縫的目的。

根據以往工程及現場大量的試驗，混凝土的配合比在保證設計強度要求的前提下，適當調配水泥用量，并加以減水劑、粉煤灰及礦粉等，可以降低水化熱，增強混凝土的抗裂能力，減少裂縫的產生，見表2。

表2 R5.0現澆混凝土配合比試驗統計

根據配合比試驗，可以將不同水泥用量條件下的混凝土工作性能比較如下：

1）配合比A水泥摻量較大，水化熱高，澆筑后混凝土內外溫差大，混凝土面層出現裂縫較多，并且彎拉強度遠超過設計要求，不經濟；

2）配合比B水泥用量適中，所選定原材料及摻量、坍落度、和易性均滿足施工操作的要求，內表溫差小，試驗后混凝土表面裂縫較少，且實測彎拉強度滿足設計要求；

3）配合比C水泥用量較小，粗骨料偏高，雖然裂縫數量也不是很多，但是實測混凝土彎拉強度剛剛達到設計要求，富裕系數較低，混凝土面層彎拉強度質量風險較大。

雖然減少水泥用量可以降低混凝土面層的水化熱，從而達到減少混凝土面層裂縫的目的，但是大量削弱水泥用量會對混凝土彎折強度造成不利的影響。另一方面，與以往工程相比，雖然水泥用量較少，但是混凝土塌落度較大，降低了現場施工難度。然而在追求施工便利的情況下，高塌落度會使混凝土在凝固過程中損失更多的水分，這也加劇了混凝土面層裂縫的產生，根據現場條件，經過多次試驗，選擇混凝土坍落度為70～90 mm，能有效控制混凝土面層開裂。綜合以上分析，選定B為最佳施工配合比。

2.2 混凝土養護的控制和分析

由于本工程施工季節為夏季，氣溫較高，且海邊大風天氣較多，混凝土面層澆筑后水分蒸發快，容易形成面層脫水現象，不利于混凝土面層表層的水化反應，降低表層強度；同時，水分的快速流失會使混凝土面層急劇收縮，產生大量裂縫。因此，在混凝土面層澆筑過程中，混凝土養護必須在澆筑完成后立即進行，防止出現干縮裂縫。下面主要對混凝土養護時間進行試驗，如圖3所示。

圖3 混凝土養護時間

本工程施工時正處于夏季，平均氣溫達30 ℃，白天最高溫度達 38 ℃，混凝土面層采用淡水浸泡養護方法，每間隔4 h補充淡水一次，養護時間確定為15天，派專人負責養護，并填寫養護記錄表，做好養護期的成品保護工作，確保養護質量。當然混凝土養護時間不能一概而論，要根據不同工程而定，特別是要注意施工所在季節的溫度。

2.3 割縫的控制和分析

碼頭混凝土面層裂縫的控制要靈活地運用“抗放”結合、以“抗”為主、以“放”為輔的原則[7]。所謂“抗”即限制裂縫的產生，例如減少水泥用量、保證混凝土養護時間等。所謂“放”即主動讓其產生“人為”裂縫（即割縫），以釋放混凝土面層表面應力，減少其它位置的裂縫產生，從而達到控制混凝土面層裂縫的目的。在施工中，主要通過割縫時間和割縫深度來控制混凝土面層裂縫缺陷率，見表3。

表3 割縫控制統計

從表3可知：

1）割縫時間過早，混凝土凝固不充分，切割機的振動會在割縫過程中破壞振動范圍內的混凝土面層，加劇裂縫的產生，甚至會影響混凝土面層強度；割縫時間過晚，混凝土水化熱基本釋放完成，切縫作用不明顯。

2）割縫深度過淺，不能充分釋放混凝土在水化反應過程中產生的應力，達不到割縫的目的；割縫深度過深，勢必造成切割時間較長，振動會加速周圍裂縫的產生，同時會影響面層結構的受力。

通過嚴格控制混凝土面層割縫時間和割縫深度，本工程割縫時間控制在50 h左右，割縫深度為10 cm，最大限度的避免了混凝土錯過最佳割縫時間和割縫深度不到位的情況，進而有效的減少了混凝土面層裂縫缺陷的產生。

3 裂縫施工質量控制效果

表4 控制效果調查

京唐港區 23#～24#集裝箱泊位碼頭工程的混凝土面層施工完成后，對施工范圍內32 500 m2的混凝土面層施工質量問題進行調查，見表 4。根據統計數據可知，雖然混凝土面層質量問題仍然以裂縫為主，但是裂縫缺陷率降低為1.75 %，且總裂縫缺陷率降低至2.63 %。也就是說，混凝土面層施工時在水泥用量、混凝土養護及割縫三方面進行控制可以有效減少裂縫缺陷率，從而降低混凝土面層總體不合格率。從經濟方面考慮，本工程混凝土面層修復面積僅為 855 m2，修復面積降低了2.61 %（約848 m2），減少損失約12萬元。

4 結 論

1）在碼頭混凝土面層施工中，適當減少水泥用量可以減少裂縫的產生，同時不能忽略塌落度對混凝土裂縫的影響；混凝土面層澆筑完成后必須根據季節、養護方法等不同條件進行及時養護，以減少裂縫的產生；控制割縫時間和割縫深度，可以主動減少混凝土面層不規則裂縫的產生。

2）裂縫是碼頭混凝土面層施工質量的重點控制對象之一，它直接影響到碼頭混凝土面層的驗收合格率和施工企業的經濟效益。通過對碼頭混凝土面層裂縫的研究，切實降低了京唐港區 23#～24#集裝箱泊位碼頭工程混凝土面層的裂縫缺陷率，從而提高了碼頭混凝土面層的觀感質量和耐久性，且降低了混凝土面層的維修成本。

3）混凝土面層裂縫施工質量的控制，不僅僅關系到碼頭面層結構形式的選擇，特別是有利于集裝箱碼頭的維護和美觀，還為混凝土面層設計理論和施工技術相互平衡提供了寶貴的實踐經驗，同時為混凝土面層應用于高等級公路等其它類似工程提供了參考和依據，為打破混凝土在面層結構工程中應用的局限性奠定了基礎。