超大型墩台混凝土结构裂缝控制

2012-01-21孙建德姜雪峰

中国港湾建设 2012年2期

孙建德，姜雪峰

（1.唐山曹妃甸实业港务有限公司，河北唐山 063200；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

高桩码头墩式结构具有结构简单、施工效率快等优点，目前在大型开敞式水工码头结构中得到广泛应用。曹妃甸矿石二期码头、栈桥、引堤工程码头墩台结构尺寸31 m×26 m×6.4 m，结构之大，国内罕见。作为结构施工难点之一，大体积混凝土的浇筑，尤其结构裂缝防裂是工程质量控制的关键。因此，需要明确大体积混凝土结构开裂的原因，制定出相应的施工、技术措施，最终达到减少、以致消除结构裂缝的目的。下面将从裂缝的成因、防治及效果三个方面对超大型墩台混凝土结构裂缝控制展开论述。

1 大体积混凝土裂缝产生的因素

1.1 混凝土的收缩

1）水泥用量越大，用水量越多，即水泥浆量越大、混凝土坍落度越大，混凝土收缩越大。

2）水灰比（或水胶比）越大，混凝土凝结后所剩余的水分越多，对混凝土的收缩越不利。

3）矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高；普通水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的混凝土收缩性较低。另外，水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大，则混凝土收缩越大，且发生收缩时间越长。

4）骨料粒径越粗，收缩越小；骨料粒径越细、砂率越高，收缩越大。另外，粗细骨料中含泥量越大，收缩也越大。

5）环境湿度越大，收缩越小；环境温度越高，收缩越大。

1.2 水泥水化热的影响

大体积混凝土产生裂缝的主要原因是水泥水化过程中释放了大量热量，且主要集中在浇筑后的7 d左右。一般水泥可以放出500 J/g左右的热量，如果以水泥用量350～450 kg/m3来计算，混凝土将放出175 000～225 000 kJ/m3的热量，使混凝土内部温度升高（可达70℃左右，甚至更高）[1]。对于大体积混凝土来讲，这种现象非常严重，必须采取措施尽量降低混凝土内部温度，最终减少混凝土的内外温差。

1.3 大气温度和湿度变化的影响

1.3.1 内部温度的影响

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或内部结构温度发生变化时，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则将在结构内产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。

1.3.2 外界温度的影响

温度裂缝区别于其它裂缝的最主要特征是随温度变化而扩张或合拢。外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温差，当外界温度下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。

1.3.3 外界湿度的影响

外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，导致混凝土裂缝的产生。

2 大体积混凝土施工技术措施

2.1 原材料的选用是关键

2.1.1 水泥品种的选择

应选择低热或者中热的水泥进行施工。考虑到本工程工期异常紧张，混凝土的早期强度不能过低，所以采用了唐山冀东水泥股份有限公司生产的P.O42.5R水泥。水泥的检验结果见表1。

表1 水泥的检验结果

2.1.2 细骨料的使用

泵送混凝土宜使用级配良好、细度模数在2.6～3.0间的中粗砂，经过对几家供料商提供的不同产地河砂进行检验对比，最终选择了质地坚硬、含泥量低、级配良好的绥中河砂作为细骨料。砂的检验结果见表2。

表2 砂的检验结果

2.1.3 粗骨料的使用

碎石采用丰润山区生产的5～25 mm连续级配碎石，过程中对材料的进场严格把关，对级配、含泥量，石粉含量严格控制，提高混凝土的和易性，减少需水量，减少导致裂缝产生的诱因。碎石的检验结果见表3。

2.1.4 外加剂的选用

配制出物理性能和工艺性能良好的配合比，减水剂的选用至关重要，因此，选用了经多年使用产品质量稳定、匀质性能良好的天津雍阳产UNF-5液体高效减水剂，引气剂采用天津砼久建材有限公司生产的AE型混凝土引气剂。减水剂和引气剂的检验结果分别见表4和表5。

表3 碎石的检验结果

表4 减水剂的检验结果

表5 引气剂（松香热巨物）检验结果

UNF-5液体高效减水剂和AE引气剂通过电子秤计量，提高了掺量的准确度，混凝土搅拌均匀、和易性能好，保证了混凝土的水胶比，提高了耐久性。

2.2 降低水化热，配合比的优化是关键

采用添加掺合料的方法来降低水泥用量，是降低水化热的最好办法之一。掺合料能明显改变水泥硬化浆体的微观结构，二次水化填充了大量的孔隙，将混凝土变得更加密实，同时结合减水剂的作用，降低了混凝土的水胶比，提高了混凝土的耐久性。

矿石二期工程墩台混凝土设计强度等级为C35F300，不属于高性能抗冻混凝土。通过前期多次与公司检测中心联系、沟通，得知水胶比小于0.40，且矿粉、粉煤灰掺量≤60%（占胶凝材料总量）时，可用于北方高抗冻混凝土中，为前期的准备提供了技术参考。由于受到现场混凝土拌和船设备条件的约束，满足不了同时掺加两种掺合料的条件，因此选择单掺S95磨细矿渣粉的方法进行试配。经过多次的试配、调整，在保证较低的水胶比和总体胶凝材料不变的情况下，混凝土的强度指标和施工可操作性令人满意，最终配合比及磨细矿渣粉的性能指标见表6、表7。

表6 混凝土配合比及强度

表7 磨细矿渣粉(S95)的性能指标

此配合比经过多次的试拌，各种参数满足规范要求，各项性能指标符合现场施工的要求，在基准配合比的基础上，磨细矿渣粉替代水泥用量30%，每m3混凝土减少了将近58 500 kJ热量的释放，有效降低了混凝土内外温差。

对于掺加矿渣粉的混凝土在不同龄期和气温条件下的强度与耐久性检验结果见表8。

表8 混凝土强度与耐久性检验结果

2.3 混凝土的施工

海上施工，混凝土的浇筑由拌和船来完成。选用性能良好的拌和船至关重要，同时安排好浇筑时间、控制入模温度，加强潮湿养护同样重要。

2.3.1 拌和船的施工效率

海上施工受水文、风浪的影响非常大，每次浇筑应确保连续作业，避免出现由于人为因素、机械故障等原因导致结构裂缝的出现，需要加强施工的协调和船舶的保养工作。

2.3.2 拌和船的计量系统

拌和船的计量控制系统由电脑控制平台来完成，各种电子秤在使用前要经过严格的校正，并有合格率定证书。受海浪影响，秤的计量偏差较大，应加强对计量偏差的检验，及时纠正偏差，保证输入数据的稳定性。

2.3.3 浇筑时间安排

降低混凝土的入模温度，尽量避开高温条件下浇筑。4—6月份，大气温度一般在10～25℃左右是最佳的浇筑时期，这个时期混凝土的内外温差最小，不易产生温度裂缝。在7—8月份施工过程中，由于正处三伏天气，气温一般达到25～35℃左右，应尽量避开高温时段，适时安排好现场的施工顺序，混凝土的施工在夜间进行，尽量降低入模温度。

2.3.4 浇筑温度控制

避开炎热天气浇筑，采用温度较低的地下水搅拌混凝土，对存放在拌和船上的骨料进行遮阳、洒水降温，采取在夜间施工的方式来降低混凝土的入模温度，经测量混凝土的内外温差小于25℃。

2.3.5 潮湿养护

由于曹妃甸甸头地区属于近海海洋气候，空气流通快，混凝土表面水分流失快。针对海上淡水养护不便的缺点，项目部加大资金投入，专门租用养护船每天不间断对混凝土进行洒水养护，并安排专人进行管理，有效地减少和延缓了裂缝的出现。