某船坞工程坞口大体积混凝土防裂措施

2010-08-13潘书才张晓丽

中国港湾建设 2010年6期

潘书才，张晓丽

（1.海军工程大学，湖北武汉 430033；2.宁波市交通建设工程试验检测中心，浙江宁波 315040）

1 工程概况

某船坞工程坞口为“U”形整体式现浇钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C25P6。坞口尺寸长×宽为18 m×61 m。沿船坞纵向分为门内段8 m、门槛段4 m和门座段6 m。两侧坞墩宽均为8 m，两坞墩之间净距45 m，坞口结构总宽度61 m，坞墩前沿均向两侧伸出翼墙，长度为3 m，厚度自1.5 m过渡至0.6 m。坞口底板横向45 m分为A板宽23 m 1块、B板宽8 m 2块，C板（闭合块）宽3 m 2块。坞口底板底标高均为-10.50 m，门内段和门座段顶标高为-8.00 m，门槛段顶标高为-7.20 m，坞墩顶标高为+6.00 m。坞口混凝土总量为6 724.5 m3，属于大体积混凝土。

坞口底板下为25 cm厚C25素混凝土垫层。坞口桩基采用600 mm×600 mm预应力钢筋混凝土空心方桩，桩长17.5～29.5 m。桩顶混凝土伸入底板结构50 mm，主筋伸入底板结构大于500 mm。

2 混凝土产生裂缝的类型及原因分析

混凝土的裂缝主要包括温度裂缝、外力引起的裂缝和收缩裂缝。结合本工程的特点，进行科学的分析，认为以下几点是容易造成混凝土裂缝的主要原因，也是坞口大体积混凝土防裂的困难所在，只有抓住这些主要矛盾，才能有效地做好防裂工作。

1）坞口混凝土体积大，并且从5月份开始施工，气温逐渐升高，又逢干旱少雨天气，给混凝土温度裂缝的产生防治带来很大困难。

2）坞口结构尺寸大，基础采用桩基结构，可能会因不均匀沉降导致混凝土出现裂缝。

3）船坞主体工程量大，按照总体计划安排，在坞口施工的同时还要兼顾坞室墙体和底板的施工，因此对新老混凝土浇筑间歇期的控制有难度。

4）混凝土供应采用泵送工艺，具有较好的连续性，但同时要求混凝土的坍落度较大，用水较多，给混凝土防止收缩裂缝的产生带来难度。

3 混凝土防裂措施

混凝土的裂缝主要是由温差过大、混凝土的收缩和外力约束造成的，所以混凝土的防裂应从以下几个方面着手：一是设法减小混凝土内外温差；二是降低外界条件对混凝土变形的约束；三是提高混凝土的抗裂能力。

3.1 减小混凝土内外温差的措施

3.1.1 合理地分段、分层浇筑混凝土

坞口混凝土体积大，合理地分段、分层进行浇筑，可以将水化热从时间和空间上分散开来，增加了散热面积，有效地降低混凝土的温升，从而减小混凝土的内外温差。考虑到基坑开挖对围堰稳定性、安全性的影响，先进行两侧坞墩的施工，坞口底板浇筑按照B板、A板、C板的顺序进行施工，并且B板与坞墩一层同时施工，闭合块C板在两侧坞墩和A板结构完工后进行浇筑，坞口混凝土结构分段、分层浇筑见图1。

图1 坞口底板、坞墩分段分层图

3.1.2 降低水化热温升

1）掺加粉煤灰。粉煤灰作为胶凝材料，采用内掺法可以取代部分水泥，降低水泥用量。虽然粉煤灰作为活性材料也释放水化热，但水化热较低，且升温历时长，能起到降低水化热温升和削减温升峰值的作用。经过市场调查和认真比选，本工程采用了北仑电厂的Ⅱ级粉煤灰。根据配合比试验，确定粉煤灰取代水泥量为15%。

2）使用高效泵送剂。坞口混凝土采用泵送工艺，混凝土坍落度选用140 mm左右，这给降低水泥用量增加了难度。为了改善混凝土的和易性，降低水灰比，最大程度上降低水泥用量，采用外掺法加入了WG-Ⅱ高效泵送剂，掺量为1.68%（占胶凝材料重量），通过现场试验得出主要技术性能如下：

①减水：在同配合比，同坍落度条件下，减水率为12%～20%，从而降低混凝土的泌水，提高抗渗能力。

②增塑：对水泥分散效果显著，能大幅度提高混凝土的流动性，比基准混凝土坍落度增加11 cm左右，同时坍落度损失较小，60 min损失2 cm左右，有利于混凝土的泵送施工。

③缓凝和降低混凝土温升：初凝时间延长2～4 h，水化热降低20%左右。

3）掺加块石。块石体积稳定性好，可以减少混凝土的浇筑量，从而降低水化热。选用新鲜块石，大致呈方正形状，最长边与最短边之比不大于2。块石埋放前用淡水冲洗干净并保持湿润。由于受施工限制，块石掺量仅为混凝土量的4%左右。

3.1.3 降低混凝土入模温度

在混凝土水化热温升一定的情况下，为了降低混凝土内部温度的峰值，控制混凝土的入模温度是很有必要的。

1）控制部分原材料的温度。碎石在白天用彩条布覆盖遮阳，并进行洒水降温。水泥提前出厂，经过施工现场水泥仓库贮存降至自然温度。搅拌用水采用自来水，边搅拌边供应。

2）混凝土浇筑尽量安排夜间施工。在夜间混凝土原材料的温度都较白天偏低，根据现场实测结果，夜间混凝土的出机温度一般比白天低3℃左右。

3.1.4 加强保温，控制温差

1）混凝土测温。为了掌握混凝土内部温度的变化情况，及时采取保温、散热等技术措施，对坞口混凝土结构进行了温度监测。测点以真实反映混凝土块体的内外温差、降温速率和环境温度为原则。每段每层平面位置上测点不少于3点，垂直方向上不少于3点。测温设备采用JDC-2建筑电子测温仪。在混凝土浇筑前的指定位置埋设测温元件，通过测温导线与测温仪连接，该方法简便、准确、费用低。测温时间从混凝土浇筑日起每隔2 h测温1次，3 d后每隔4 h测温1次。

2）保温措施。根据以往施工经验，混凝土中心温度和表面温度之差控制在20～30℃以内，一般可以防止有害裂缝的产生。按照JTJ268-96《水运工程混凝土施工规范》的规定，以内外温差不超过25℃的标准采取保温措施。在混凝土表面铺挂1层塑料薄膜，然后是1层土工布，减少混凝土表面的热扩散及延缓混凝土内部水化热的降温速率，以避免或减少温差裂缝。

3.2 减小约束的措施

坞口混凝土所受的约束主要有两种：一是不均匀沉降，二是新老混凝土之间的约束。

3.2.1 合理设置竖向施工缝

坞口底板长度为45 m，加上两侧坞墩各8 m，总计61 m，结构长度较大，又因基础为桩基结构，坞墩与底板的混凝土量差值大，可能会引起不均匀沉降，产生贯穿裂缝。通过设置闭合块（即C板，共2块）的方法，进行分段浇筑，减小了混凝土一次浇筑的长度，并且闭合块在坞墩、底板A段与B段完工沉降稳定后进行浇筑，降低了因不均匀沉降而引起的基底约束应力。

3.2.2 缩短混凝土浇筑的间歇期

混凝土的弹性模量随着龄期的增长而增加，间歇期越长，对新浇混凝土的约束也越大。通过合理地组织生产，在下层混凝土的温度峰值过后，尽快浇筑上层混凝土，以缩短间歇期，也起到了一定的效果。

3.3 提高混凝土的抗裂能力

坞口混凝土浇筑正值夏季，又逢干旱少雨天气，环境温度较高，给混凝土的防裂带来了很大的难度。在混凝土水化热温升一定的情况下，提高混凝土的抗裂能力尤为关键。

3.3.1 掺加膨胀剂

通过市场调研，江西武冠新材料股份有限公司生产的WG-HEA抗裂膨胀剂对混凝土的抗裂防渗效果较好，所以在坞口大体积混凝土中采用内掺法加入了HEA抗裂膨胀剂。

1）HEA抗裂膨胀剂的特点。HEA抗裂膨胀剂为固体粉剂，是具有三膨胀源的新型防水材料，将其加入混凝土中，与水泥水化产物反应生成大量矿相，使混凝土膨胀，由于受到钢筋等的限制，使钢筋受拉产生0.2～0.8 MPa预应力，能有效补偿混凝土的收缩。同时水化形成的大量矿相具有填充混凝土毛细孔缝的作用，使毛细孔变细、减少，增加了致密性，显著提高了混凝土的抗裂防渗性能。

2）HEA抗裂膨胀剂的化学组成见表1。

表1 HEA抗裂膨胀剂化学组成 %

从表1可以看出，HEA中基本不含氯离子，对钢筋无锈蚀作用，碱含量低，不会引起碱—集料反应。

3）HEA抗裂膨胀剂的水化反应。

①CaO+H2O→Ca（OH）2

②3CA+3CaSO4+38H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+2（Al2O3·3H2O）

③C4A3S+2CaSO4+38H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+2（Al2O3·3H2O）

④MgO+H2O→Mg（OH）2

从上述水化反应方程式可知，早期膨胀源由煅烧钙质成分提供，中期由钙矾石产生膨胀，后期由煅烧的镁质成分提供，三个膨胀源有机结合取长补短，可获得较大的早期膨胀、适宜的中期膨胀和稳定的后期膨胀，较好地补偿混凝土结构的收缩，提高建筑物的耐久性和使用安全性。

4）HEA抗裂膨胀剂在坞口大体积混凝土中应用的效果。

①采用内掺法以8%的HEA等量取代胶凝材料，一是可以降低水泥用量，从而降低水泥水化反应的水化热；二是HEA的膨胀量不仅不降低混凝土强度，还略有提高。现场抽取的35组混凝土试块28 d平均强度达到mfcu=33.9 MPa，强度最小值fcu，min=25.8 MPa，强度标准差sfcu=4.63 MPa，强度标准差的平均水平σ0=4.5 MPa，均能同时满足mfcu－ sfcu≥fcu，k和 fcu，min≥fcu，k－ Cσ0的要求。

②HEA能改善混凝土的泌水性能，掺加后混凝土的泌水率降低5%～10%。对于泵送混凝土来说，泌水性能是一个很重要的指标，泌水性能差会导致混凝土的分离，影响混凝土的可泵性。

③HEA不会缩短混凝土的凝结时间。

④通过东坞墩底层与水泵房底层混凝土测点温度的对比情况看（见表2、图2、图3），东坞墩测点温度比水泵房更有利于混凝土不产生温度裂缝，尽管东坞墩一层及B板的混凝土量975.5 m3较水泵房底层混凝土量1 366 m3少，并且加入了4%左右的块石，但是东坞墩是一个实体，而水泵房底层平面尺寸大，隔墙多，散热面积大，这说明HEA起了重要作用。HEA能使混凝土水化热放热峰值出现时间由原来的2～3 d延长到4～7 d，并使放热峰值降低10～20℃。同时，在东坞墩混凝土因保温不到位，致使内外温差超过40℃时，混凝土没有出现裂缝，说明了HEA使混凝土产生适度膨胀，抵抗了温度应力的影响，并且补偿了混凝土的收缩，避免出现收缩裂缝。

表2 东坞墩与水泵房底层混凝土测点温度对比情况

图2 东坞墩底层与水泵房底层混凝土温度测点布置图

图3 东坞墩与水泵房底层混凝土测温曲线图

5）生成的针棒状晶体随着水泥石结构的形成过程，逐步地在水泥石构架中搭接延伸，有效地堵塞了空隙和切断了毛细管通道，使结构更加致密而大大降低了渗透系数，提高混凝土的抗渗性能。经试块检测，混凝土的抗渗标号普遍提高2个等级以上，达到P8要求。

因此对大体积混凝土的收缩裂缝和温差裂缝的控制，采用HEA抗裂膨胀剂是十分有效的技术措施。

3.3.2 设置抗裂钢筋网片

坞口混凝土的净保护层厚度为50 mm，为提高混凝土表面的抗拉能力，在（坞墩四周、顶面及底板顶面）结构主筋外侧设置一层双向φ6@100 mm×100 mm抗裂钢筋网片，净保护层为30 mm。

3.3.3 提高混凝土施工质量

1）掌握天气的变化

混凝土施工尽量避开高温阶段，将时间放在傍晚及夜间，雷雨天气不浇筑，并在现场备好防雨抽水设备。

2）做好施工准备与应急预案

为保证大体积混凝土供应的连续性，避免出现冷缝，施工前要做好各项准备工作。原材料储备充足、检测合格及降温到位。搅拌设备、运输设备能够正常运行，并保证浇筑强度。泵送管线布置合理，无漏浆漏气现象。施工用水、用电无故障。管理、施工及维修人员要有经验、有能力，配备充足，坚持值班和旁站制度。同时，要有科学合理的应急备用方案，在各个环节出现问题的时候，能够及时有效地排除解决，保障混凝土的供应，避免出现冷缝。

3）严格控制混凝土的搅拌时间

坞口混凝土供应采用现场设置的2台750双卧轴强制式和2台500双卧轴强制式搅拌机拌制，75 kW电动混凝土地泵和90 kW柴油混凝土地泵直接泵送工艺。按照JTJ268-96《水运工程混凝土施工规范》的规定，普通混凝土的搅拌时间为90 s，因掺加粉煤灰搅拌时间应延长60 s，掺加WG-Ⅱ高效泵送剂和HEA抗裂膨胀剂应延长30～60 s，所以混凝土的搅拌时间控制在3～3.5 min，确保混凝土搅拌均匀。

4）控制混凝土的坍落度

混凝土的坍落度越大，越便于施工，但拌和用水越多，混凝土的各种收缩裂缝必然越多，由收缩裂缝到干缩裂缝以致发展为贯通性有害裂缝的几率就更大，直接影响到混凝土的抗渗性能，加速钢筋的锈蚀，降低混凝土结构的耐久性。所以，在施工和易性允许的情况下，尽量降低混凝土的坍落度，以减少混凝土的收缩裂缝。

5）坚持二次振捣和二次抹面

施工时混凝土要振捣均匀，避免出现局部过振形成砂浆集中而导致出现塑性收缩裂缝和干燥收缩裂缝，同时，为了保证混凝土的均匀、密实，消除混凝土内部的缺陷，提高混凝土的抗裂能力，采取二次振捣的措施。在混凝土初凝前后，在水泥晶胚开始形成时进行二次振捣，不仅不会破坏混凝土结构，反而有利于以水泥晶胚为中心形成新的更密实的混凝土结构，有利于混凝土强度的发展。另外在混凝土初凝前后进行二次抹面，针对混凝土面的不同要求分别用木抹子或铁抹子反复搓压，使混凝土表面密实，防止因表面水分散失过快引起混凝土塑性收缩裂缝。

6）严格控制拆模时间

按照规范要求，在混凝土强度能保证其表面及棱角不因拆除模板而损坏时，方可拆除侧模。如果拆模过早，导致蒸发失水过快，易出现塑性收缩裂缝。

7）加强养护

混凝土的水化需要潮湿的环境，潮湿养护可以提高混凝土的早期强度，增强抗裂能力。在混凝土初凝后，立即用塑料薄膜覆盖，防止水分散失，薄膜上覆盖土工布，并开始浇水进行保温保湿养护。特别是对于掺加膨胀剂的混凝土，必须保持表面湿润状态，充分发挥膨胀作用，养护期不少于14 d。

8）做好施工缝接茬处理

对已凝结硬化的混凝土表面进行凿毛，将水泥薄膜、松散石子和软弱混凝土层凿除。在继续浇筑混凝土前，用水充分湿润和清洗干净，且不得有积水，再铺1层高标号水泥砂浆，避免接茬处出现干缩裂缝。同时施工缝处的混凝土加强振捣，使新老混凝土紧密结合。