港口與航道工程大體積混凝土施工裂縫控制

曹文達(dá)

（中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州510200）

1 引言

港口與航道工程在建設(shè)過(guò)程中，面臨的施工環(huán)境復(fù)雜多變，為使得大體積混凝土的結(jié)構(gòu)施工可以達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，除了要遵循相應(yīng)的施工規(guī)范外，還需要結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的情況，進(jìn)行流程優(yōu)化和工藝創(chuàng)新，從溫度因素、施工因素、技術(shù)因素等方面著手，最大程度上降低大體積混凝土裂縫出現(xiàn)的概率。

2 港口與航道工程中大體積混凝土施工特點(diǎn)

港口航道工程的建設(shè)施工任務(wù)艱巨，大體積混凝土施工對(duì)工程功能和安全有著至關(guān)重要的影響。由于此類工程處于水環(huán)境中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件長(zhǎng)時(shí)間與水接觸或者受到水的侵蝕，如果依舊采用常規(guī)的混凝土施工技術(shù)，將無(wú)法達(dá)到預(yù)期的施工目標(biāo)，而大體積混凝土施工作業(yè)恰好可以解決這些方面的問(wèn)題。

大體積混凝土施工作業(yè)有以下幾個(gè)方面的施工特點(diǎn)：（1）體積龐大，這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得在開展港口航道工程建設(shè)時(shí)，結(jié)構(gòu)接觸面積相對(duì)較大，也就減少了斷面上的混凝土材料使用；（2）澆筑施工難度大，大體積混凝土與普通混凝土相比，其澆筑工作面臨著很多的難題，為提高澆筑施工效果，一般要遵循分量、分縫、分層的原則，以控制單次澆筑時(shí)的混凝土用量；（3）外界溫度對(duì)施工的影響巨大，為達(dá)到良好的施工效果，施工的全過(guò)程中往往要進(jìn)行內(nèi)外溫差的科學(xué)調(diào)整。

3 港航工程大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

3.1 外界氣溫變化

對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)體積龐大，在澆筑施工環(huán)節(jié)，澆筑溫度始終隨著外界氣溫的變化而出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，在氣溫急劇下降的情況下，混凝土內(nèi)外部的溫差異常增大，而這種溫度差異將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)法保持其完整性。在巨大的溫差條件下，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致大體積混凝土出現(xiàn)溫度變形，同步產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，在溫差越大的情況下，也意味著其溫度應(yīng)力相對(duì)較大，出現(xiàn)裂縫的概率也相對(duì)較高[1]。

3.2 混凝土收縮

對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，在混凝土中大約有20%的水分是水泥硬化時(shí)的必需水分，而剩余的水分則要滿足蒸發(fā)需求，一旦存在多余的水分蒸發(fā)情況，大體積混凝土中將產(chǎn)生體積收縮的問(wèn)題。從混凝土收縮的原因和機(jī)理來(lái)分析，當(dāng)大體積混凝土出現(xiàn)了體積收縮現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部同步產(chǎn)生巨大的收縮應(yīng)力，加劇混凝土裂縫的形成。而混凝土收縮性從源頭上是由水泥種類、混凝土配合比、外加劑種類和施工工藝等因素決定。

3.3 水泥水化熱

水泥是混凝土中不可或缺的材料。由于水泥的性質(zhì)特殊，當(dāng)其處于水化條件下時(shí)，勢(shì)必伴隨著巨大的熱量釋放。與常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)相比，大體積混凝土的結(jié)構(gòu)斷面厚度大但其表面系數(shù)卻相對(duì)較小，這就使得其在水泥水熱化的過(guò)程中，所產(chǎn)生的熱量在結(jié)構(gòu)內(nèi)部過(guò)度聚集，而無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)散失出去，隨著熱量的集聚，混凝土的內(nèi)外部溫差異常增大，從而伴隨著溫度應(yīng)力、收縮應(yīng)力的產(chǎn)生。大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工的結(jié)構(gòu)裂縫正是降溫和收縮所導(dǎo)致。在降溫條件下，存在著一定的外部約束，將增大貫通裂縫的形成概率；而收縮將引起混凝土的自約束應(yīng)力，引起表面裂縫。

3.4 約束條件

在大體積混凝土的施工作業(yè)中，混凝土澆筑后早期溫度急劇升高，混凝土膨脹勢(shì)必會(huì)受到巨大的地基約束而同步產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，而在后期，溫度急劇下降，混凝土收縮同樣受到地基約束而形成拉應(yīng)力。混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓性能超過(guò)其抗拉性能，使得混凝土在受壓的情況下幾乎不會(huì)出現(xiàn)裂縫，而在受拉情況下，因?yàn)槔瓚?yīng)力高于抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)垂直裂縫。

4 港口與航道工程大體積混凝土的裂縫控制

4.1 設(shè)計(jì)措施

4.1.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為減少大體積混凝土中裂縫的出現(xiàn)，在開展大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要以結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用環(huán)境和壽命要求等作為設(shè)計(jì)前提，選擇最符合港口航道工程的結(jié)構(gòu)形式，并確保大體積混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施、強(qiáng)度等級(jí)的科學(xué)性。港口航道工程為大規(guī)模項(xiàng)目，在開展總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，如果大體積混凝土的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，后續(xù)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變現(xiàn)象，可能會(huì)存在著應(yīng)力集中的問(wèn)題，導(dǎo)致基礎(chǔ)約束過(guò)大，增大裂縫出現(xiàn)的概率。即使在相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式下，也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的變縫設(shè)置。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，同樣要開展溫度場(chǎng)計(jì)算和溫度應(yīng)力分析，根據(jù)這些因素對(duì)結(jié)構(gòu)的直接影響，對(duì)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位進(jìn)行對(duì)應(yīng)的優(yōu)化[2]。

4.1.2 合理進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)

溫控設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下要點(diǎn)：（1）大體積混凝土施工作業(yè)開始之前，應(yīng)根據(jù)總體的施工標(biāo)準(zhǔn)和要求，選擇高性能、高質(zhì)量的原材料，在配合比設(shè)計(jì)的過(guò)程中，始終堅(jiān)持絕熱溫升低、抗裂性能好的原則；（2）在滿足混凝土性能的基本前提下，減少在單位范圍內(nèi)的用水量；（3）所使用的混凝土應(yīng)具備低砂率、低坍落度和低水膠比的特征，在混合料中添加一定的減水劑和高性能引氣劑；（4）減少混凝土中的水泥用量，摻加粉煤灰替代部分水泥的作用，控制水泥水化熱對(duì)混凝土造成的不利影響；（5）做好開裂敏感性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)采取恰當(dāng)?shù)姆绞剑苊饣炷猎缙谏郎厮俾蔬^(guò)快[3]。溫控設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可利用試驗(yàn)或者有限元分析的方式，來(lái)對(duì)大體積混凝土的出機(jī)口溫度、澆筑溫度、內(nèi)部最高溫度和溫度應(yīng)力等參數(shù)加以精準(zhǔn)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)采取相應(yīng)的措施，將溫度控制在正常標(biāo)準(zhǔn)下，溫控措施可選用測(cè)溫元件、應(yīng)變測(cè)試元件、冷卻水管等的埋設(shè)，塊石與減水劑的摻加等方式，使得在澆筑階段，澆筑溫度可以保持在5～30℃，而內(nèi)外部溫差不超25℃。

4.2 施工措施

4.2.1 嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)和配比關(guān)系

港口航道工程的大體積混凝土施工作業(yè)中，材料質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，將直接影響大體積混凝土的結(jié)構(gòu)性能。因此，在裂縫控制方面，既要從原材料的質(zhì)量控制出發(fā)，還要結(jié)合結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)行相應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)。施工企業(yè)在開展施工建設(shè)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各種原材料的采購(gòu)管理和質(zhì)量驗(yàn)收，質(zhì)量驗(yàn)收不通過(guò)的材料嚴(yán)禁被應(yīng)用于混凝土施工，在材料采購(gòu)時(shí)應(yīng)選用性能合格的材料，比如，在水泥的選用方面，應(yīng)使用中低熱水泥，嚴(yán)禁使用早強(qiáng)水泥，所選水泥的鋁酸三鈣含量和比表面積指標(biāo)都應(yīng)該處于限值范圍以內(nèi)。在混凝土的配合比設(shè)計(jì)階段，應(yīng)開展試配試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比與分析來(lái)確定最佳的配合比，通過(guò)科學(xué)的配合比設(shè)計(jì)來(lái)控制混凝土的水灰比、坍落度等指標(biāo)。在混凝土攪拌時(shí)，嚴(yán)格控制每種原材料的用量。為避免在混凝土施工中膠凝材料過(guò)細(xì)所引起的混凝土溫升問(wèn)題和裂縫問(wèn)題，在混凝土混合料中可摻加一定的Ⅲ級(jí)粉煤灰或者粒子化高爐礦渣，以改善混凝土性能。粗骨料作為混凝土中的關(guān)鍵材料，在粗骨料選擇上，應(yīng)選用大粒徑粗骨料，并對(duì)含泥量和堿活性加以科學(xué)控制，通過(guò)使用線膨脹系數(shù)比較小的碎石，來(lái)減小混凝土的溫度應(yīng)力。

4.2.2 混凝土施工溫度控制

施工溫度的控制可以在很大程度上起到裂縫預(yù)防的作用。具體的溫度控制可從以下方面來(lái)開展：（1）出機(jī)口溫度控制。如果港口航道大體積施工面臨的是熱天夜間的施工條件，需將水泥和骨料的溫度控制在較低的狀態(tài)下，通過(guò)低溫水、冰水?dāng)嚢璧姆绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)；如果處于冷天施工，可通過(guò)料場(chǎng)遮蓋、拌和水加熱的方式；適當(dāng)提高澆筑效率，以控制混凝土澆筑面的暴露時(shí)間。（2）內(nèi)部最高溫度控制。對(duì)這一溫度參數(shù)的控制，可通過(guò)降低澆筑溫度、摻加緩凝劑、延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間、分層澆筑、冷卻水管埋設(shè)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。（3）在無(wú)筋或者少筋的大體積混凝土中埋設(shè)塊石，但在受拉區(qū)域內(nèi)嚴(yán)禁埋設(shè)，且埋設(shè)的塊石必須要沖洗干凈并做好潤(rùn)濕處理，控制塊石的埋設(shè)總量。（4）加強(qiáng)對(duì)澆筑溫度、內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度等的監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)采取對(duì)應(yīng)的溫控處理方式。

4.2.3 混凝土澆筑控制

大體積混凝土的澆筑環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合振搗和入模條件，將分層厚度控制在正常標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，嚴(yán)禁澆筑環(huán)節(jié)出現(xiàn)集中傾倒沖擊模板或者鋼筋骨架的現(xiàn)象。在初凝之前必須要完成混凝土的運(yùn)輸、澆筑與振搗，整個(gè)澆筑工作要連續(xù)開展，嚴(yán)禁出現(xiàn)冷縫。工程實(shí)踐中，應(yīng)該對(duì)模板加以檢查，根據(jù)檢查來(lái)判斷模板中是否存在變形、松動(dòng)、跑漿、跑模等現(xiàn)象。混凝土振搗工作應(yīng)規(guī)范開展，以提高混凝土密度，通過(guò)二次振搗工藝的應(yīng)用，在初凝之前開展再次的振搗處理，在提升混凝土強(qiáng)度的同時(shí)提升其結(jié)構(gòu)抗裂性[4]。通過(guò)二次抹面工藝的使用，在初凝之前在混凝土表面由專業(yè)人員開展二次抹面，并及時(shí)覆蓋保濕。

4.2.4 混凝土養(yǎng)護(hù)和測(cè)溫

養(yǎng)護(hù)是大體積混凝土施工不可忽視的環(huán)節(jié)。當(dāng)澆筑作業(yè)全面完成以后，就要立即進(jìn)入養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，以通過(guò)保溫處理的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土塊體內(nèi)外溫差的控制，降低塊體所存在的自約束應(yīng)力，經(jīng)由草席、塑料包裹和覆蓋，減小混凝土的降溫速率，使得混凝土濕度符合結(jié)構(gòu)施工要求。蓄水、灑水和噴霧養(yǎng)護(hù)時(shí)，水溫和混凝土表面溫度應(yīng)保持在15℃以內(nèi)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)結(jié)構(gòu)施工要求和混凝土性能來(lái)確定。

5 應(yīng)用實(shí)例

以某港口工程為例，該工程的碼頭主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆重力式碼頭，長(zhǎng)1 000 m，碼頭底板厚、墻身高分別為1.1 m、11.1 m，屬于大體積混凝土施工作業(yè)。根據(jù)對(duì)碼頭工程現(xiàn)場(chǎng)的情況分析，最終選用的是圍堰干地施工方法，主體結(jié)構(gòu)的施工中，施工周期漫長(zhǎng)，跨越了汛期和冬季，裂縫頻發(fā)，在此工程中的裂縫控制是關(guān)鍵。

此工程項(xiàng)目實(shí)施中采用的是C25素混凝土，在混合料的配制中，選用的是P·O42.5水泥，并在其中摻加15%的Ⅰ級(jí)粉煤灰。為提高混凝土的各方面性能，在混凝土配制的過(guò)程中，將骨料的含泥量控制在正常的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，選用聚羧酸系高性能引氣減水劑。在冬季施工作業(yè)進(jìn)行中，對(duì)混凝土的配合比加以適當(dāng)調(diào)整，在混凝土中添加一定的防凍劑。底板、墻身的混凝土澆筑進(jìn)行分段、分層實(shí)施，并嚴(yán)格根據(jù)總體的結(jié)構(gòu)施工要求來(lái)進(jìn)行施工縫的設(shè)置，并檢驗(yàn)?zāi)０逶O(shè)計(jì)是否合理，結(jié)合對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)行混凝土溫度應(yīng)力的科學(xué)分析。

6 結(jié)語(yǔ)

大體積混凝土施工是港口航道工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為提高混凝土性能，降低混凝土裂縫出現(xiàn)的概率，在開展施工作業(yè)的過(guò)程中，工程人員應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)施工的具體要求，來(lái)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，加強(qiáng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)施工工藝的選擇、質(zhì)量控制，提升工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量，推動(dòng)我國(guó)航運(yùn)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。