浅析港口与航道工程大体积混凝土裂缝控制
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作者:吕小凡
摘 要：近年来水运工程建设规模不断扩大，大体积混凝土应用范围日益广泛，影响大体积混凝土结构耐久性和质量安全的裂缝控制问题也在业内得到进一步重视。基于此，本文针对对港航大体积混凝土裂缝问题进行分析，并对其预防控制进行探究。
关键词：港口航道工程;大体混凝土;裂缝控制
中图分类号：U617 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2019）07-0083-03
港口与航道工程中，一般现浇的连续式结构和长、宽、高尺寸相近的大型实体预制构件等容易因温度、收缩应力引起开裂的混凝土，通称为港口与航道工程大体积混凝土，多应用于码头胸墙、船坞坞墙、船闸底板、泵房结构、大型混凝土方块中。混凝土的开裂会对结构物耐久性和质量安全造成较大影响，不同于一般混凝土，多处于淡（海）水和冻融环境的港航工程混凝凝土在设计和施工中均突出满足耐久性要求，其裂缝预控对建筑物的安全使用和寿命更具有重要意义。对于结构厚、体积大、胶凝材料水化热因素影响大、复杂条件下就地浇筑和养护，承担重要结构功能的港航大体积混凝土，其裂缝控制是设计和施工阶段中一项非常重要的工作。
1 港航工程大体积混凝土产生裂缝的原因
混凝土作为非均质脆性材料，开裂原因很多。混凝土从设计、施工到使用过程中，都存在造成混凝土开裂的因素，如设计不当、材料使用不当、基础不均匀沉降、结构受荷、施工工艺不当、温度应力、收缩、塑性坍塌、冰冻等都较容易产生裂缝。“荷载裂缝”在工程前可以通过理论计算后加以控制，施工期裂缝多为温差、收缩等因素造成的“非荷载裂缝”，需要采取一些措施来防止和减轻。
1.1港航大体积混凝土开裂机理
港航工程大体积混凝土受温度应力影响尤为突出，开裂主要是混凝土结构与结构之间、结构与基础之间或结构的不同部位之间的温度应力超过了混凝土的抗裂能力而产生的，是由约束、干缩和温差所产生的拉应力作用结果。
新浇大体积混凝土受基础约束开裂是大体积混凝土开裂中一种较常见类型，大体积混凝土新浇筑升温阶段体积膨胀、受基础约束产生受压的温度应力，但由于龄期短、弹性模量低，压应力值很低;混凝土内部降温历时较长，降温阶段混凝土体积收缩，此时受基础约束产生拉应力，而弹性模量较高，当混凝土拉应力或变形超过此时材料承受范围后，大体积混凝土会产生开裂。大体积混凝土在边界无约束情况下，结构不同部位互相约束产生的温度应力也会造成开裂：混凝土内外部温差大，膨胀不一致，内部快而外部慢，表面产生拉应力，而内部产生压应力，当拉应力超过混凝土抗裂能力后会产生裂缝，这种裂缝多为贯穿裂缝。环境影响下，过早拆模、冬季施工造成的表面温度不均，容易引起温度收缩形成较浅的表面龟裂。
1.2造成开裂的其他影响因素
超过养护期后混凝土的干缩对开裂则起到加剧作用。混凝土硬化后水份蒸发、干燥后体积收缩，一般称干缩，包含：自身收缩、干燥收缩、水化收缩、湿度体积变化等，干缩变形受约束，会形成收缩应力。在高配筋混凝凝土中，即使边界无约束，钢筋会对周围混凝土的约束作用增强而在混凝土收缩时形成混凝凝土内部拉应力，容易造成局部裂缝。塑性收缩、塑性沉降也是造成港航大体积混凝土开裂的一些内部因素。混凝土表面水份蒸发或对外界失水过快造成的塑性收缩，在砂率和坍落度较大的商混泵送混凝土较多发，容易形成表面裂缝;坍落大、沉陷高也容易引起由钢筋、模板阻碍造成的塑性沉降裂缝。
外部因素引起的混凝土裂缝：因碱骨料反应、钢筋锈蚀等化学影响产生的混凝土裂缝，结构受荷，设计、施工工艺不当，原材料质量引起混凝土裂缝等，在港航大体积混凝土中更需要重视和严加预控。
2 港航工程大体积混凝土的裂缝控制
结合港航工程混凝土耐久性要求和环境特点，需要有针对性地进行混凝土温度控制、开展大体积混凝土温控设计，系统的优化大体积混凝土结构设计、原材选择、配合比设计和温控措施，精心施工，做好温控检测并以此对薄弱部位采取加强措施。
2.1设计措施
2.1.1优化结构设计
根据港航大体积混凝土的结构特点、使用环境和寿命等因素系统的进行温控设计，根据结构所处的环境选择合理的结构形式、构造措施和混凝土强度等级。结构形式应简单，避免结构突变，降低應力集中，降低基础约束，合理设置变形缝。根据温度场计算和温度应力对结构的影响进行分析对结构薄弱部位采取措施，加设钢筋网片等构造钢筋、增加小直径、小间距的构配钢筋，提高抗裂性能;设置闭合块;合适情况下施加预应力;易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土极限抗拉性能。大体积混凝土宜分层、分块浇筑，合理设置施工缝，大体积混凝土构件的模板设计应考虑保温和养护措施的要求，侧模、底模、承重结构和支撑结构应进行强度和变形验证。
2.1.2合理进行温控设计
大体积混凝土施工前应选择合适的原材料，配合比优化应按绝热温升低、抗裂性能好的原则进行;在保证混凝土工作性前提下，尽快可能降低混凝土单位用水量：采用低砂率、低坍落度、低水胶比，掺高效减水剂、高性能引气剂;降低水泥用量，大量掺加粉煤灰等矿物掺合料，降低混凝土水化热;进行开裂敏感性试验，控制混凝土早期快速升温，限制混凝土早期强度的发展。通过试验或有限元分析法计算大体积混凝土的出机口温度、浇筑温度、内部最高温度和温度应力，采取诸如埋设测温元件、应变测试元件、冷却水管、块石、掺混凝性减水剂和其他措施，确保施工阶段混凝土浇筑温度不高于30℃不低于5℃、混凝凝土内表温差不大于25℃、混凝土内部最高温度不超过70℃，满足表层和内部温控抗裂安全系数不小于1.4。可以通多计算核验混凝土保温层材料的厚度，在施工前完善相关保温措施，确保混凝土块体降温速率不大于2℃/d。 2.2施工措施
2.2.1严把材料质量关和配比关系
对所选用的各种材料进行严格的检查和验收，不合格材料一律禁止使用。按规定的各项技术标准做好混凝土配合比设计，并进行试配试验。施工时选用和中低热水泥，不宜使用早强水泥，铝酸三钙含量、比表面积不应超过限值。为防止胶凝材料过细，不利于混凝土温升控制和防裂耐久，需要注意：严禁掺加Ⅲ级粉煤灰，粒子化高炉矿渣比表面积不应超过限值，不宜单掺硅粉;选用粒径较大的粗骨料，控制含泥量和碱活性，选用线膨胀系数应较小的碎石减小温度应力;选用级配稳定的中粗砂、含泥量符合限制;缓凝型减水剂不应为糖类，减水率和收缩率应在对规定范围内。严格混凝土控制水灰比和坍落度，控制住早期强度发展：12h抗压强度不宜大于8MPa或24h不宜大于12MPa。
2.2.2混凝土施工温度控制
港航大体积混凝土可以从以下几方面进行混凝土施工温度控制：①大体积混凝土应控制出机口温度。热天夜间施工，降低水泥和骨料温度，采用低温水、冰水搅拌;冷天采用料场遮盖、拌合水加热水;提高混凝土浇筑能力，缩短暴露时间;缩短运距，减少转运次数;对运输设备遮阳、隔热、降温。②控制混凝土内部最高温度。降低浇筑温度;掺入缓凝剂;延长混凝土凝结时间;分层施工，控制分层厚度;埋设水管通冷却水等措施。③无筋或少筋大体积混凝土中埋设块石。受拉区不得埋设，块石应冲洗净并保持湿润，总量不超混凝土总体积的25%。④施工过程中监测混凝土浇筑温度、内部温度、环境温度、冷却水温度等参数，监控内表温差和降温速率，及时分析整理数据、调整和优化温控措施，必要时监测混凝土应变。
2.2.3混凝土浇筑控制
混凝土搅拌严格按规范进行，搅拌时间充足，搅拌均匀，避免同同一构件中混凝土性质不同，收缩不均匀开裂。大体积混凝土对于不适合设施工缝的结构，采取跳仓浇筑和设置闭合块方法减小浇筑长度。施工缝应严格按审批合格的方案预留位置，避免随意设缝。浇筑时根据振捣、入模条件确定分层摊铺厚度，不得集中倾倒冲击模板或钢筋骨架，混凝土运输、浇筑、振捣必须在初凝前完成，施工要连续进行，施工过程中不允许出现冷缝。浇筑前至施工时不断检查模板是否变形、松动、跑模、跑浆。加强混凝土浇筑振捣，可以提高密实度，采用二次振捣工艺，初凝前再次振捣，改善混凝土的强度，提高抗裂性，减少表面微裂缝。采用混凝土二次抹面工艺，初凝前在表面二次抹面并及时覆盖保湿，避免早期出现塑性裂缝，防止混凝土干缩失水。混凝土浇筑后应防止过早在其上进行施工、堆积物料等活动。
施工接茬处应凿毛清洗扫水泥浆，必要时设置钢丝网和其他可行措施防止产生收缩裂缝，对于低流动度的混凝土采用接浆措施可以提高新老混凝土之间的粘结强度。重视后浇带施工，采用微膨胀混凝土进行后浇带施工并及时养护。
2.2.4混凝土养护和测温
保温养护是大体积混凝土施工的关键环节。混凝土浇筑完毕后，应及时按温控技术措施要求进行保温养护，降低混凝土块体的内外温差以降低块体的自约束应力，控制降温速度，保持混凝土具有适当的湿度和抗风条件。采用蓄水、洒水、喷雾养护的水温和混凝土表面温度不宜大于15℃，养护时间视气温、水泥品种、结构物体积确定。混凝土表面与环境温度之差大于15℃时应推迟拆模;低温季节拆模应选择气温较高时段并立即采取保温措施，保温时间根据温度应力控制情况确定;当日平均温度低于5℃，不应洒水养护，气温骤降时，龄期低于28d混凝土应采取表面保温。
3 应用实例
港航大体积混凝土裂缝控制在某船闸工程中得到了实际应用。京杭运河山东段某复线船闸工程中，下游导靠船设施工程的主体为现浇重力式码头，全长1000米。码头底板厚1.1m，墙身高11.1米，均为港航大体积混凝土结构。码头采用围堰干地施工，主体施工跨越汛期和冬季，对大体积混凝土的裂缝控制成为工程质量控制的重点。码头设计采用10米段和15米段（设踏步）两种断面的现浇结构段，10米段采用组合式定型钢模一次浇筑到顶，15米段分三次浇筑，段间垂直通缝20mm，C25素混凝土混凝土抗冻等级FF100。
工程施工中，C25素混凝土拌制选用PO42.5水泥，单掺15%的Ⅰ级粉煤灰，Ⅲ区级配的中粗河砂，严格控制骨料的含泥量，选用聚羧酸系高性能引气减水剂;冬季施工则提前试配调整配合比，掺入防冻剂，根据施工环境和连续浇筑需要优化配合比设计。底板分段、墙身分段、分层浇筑，按审批的方案设置施工缝，验算模板设计，按试验数据分析混凝土温度应力。分项正常施工前通过开展首件施工活动，完善施工组织和措施;热天夜间施工，骨料通风、采用地下水拌合并加冰，提高浇筑能力，及时养护并调节水温;冬季施工提前准备保温材料和设备，根据气温组织施工、寒潮天气停止施工并加强龄期混凝土表面保温;冬季施工时加热拌合水、改变搅拌投料顺序并延长搅拌时间、优先进行15米段施工并搭设暖棚保温，延迟拆模并立即保温养护;混凝土中埋设塊石、接茬处埋设钢筋、墙背中部应力集中区加设小直径钢筋提高抗裂性;采用二次振捣、二次抹面工艺。经过一年多施工检验，大体积混凝土施工质量和裂缝控制都取得了良好的效果。
4 结语
港航工程大体积混凝土多处于淡（海）水环境中，开裂造成的耐久性降低尤为直接，如若影响到结构安全使用，对涉及的工程建设造成的有形和无形损失更难以弥补。港航工程大体积混凝土裂缝控制应以预防为主，加强施工过程控制，根据工程实际，及时采取适当的措施。港航大体积混凝土需要在设计和施工阶段采取综合性措施，从温差、约束、干缩等主要影响大体积混凝土开裂的因素分析入手，结合材料、工艺、环境、结构设计等方面，系统地做好防裂和控制工作。
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