江苏启东丰顺船台工程底板及翼墙混凝土防裂措施

2012-03-23张宏利叶永强

海河水利 2012年3期

张宏利，叶永强

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300450）

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程位于江苏省启东市惠萍镇三条港东侧，启东市船舶制造工业园区内。水工建筑物等级为Ⅱ级，抗震设防裂度为Ⅵ度，主要施工内容包括：桩基工程、船台底板、船台侧墙、台墩、台首连接墙、突堤承台结构、台口外底板、船台两侧轨道梁、总组平台、管沟以及现浇混凝土面层等结构。工程位置，如图1 所示。

图1 工程位置

1.2 主要结构形式

船台采用气囊下水形式，有效长度为215 m，宽度为36 m，船台闸门内纵坡为1.5∶100。船台底板采用AB 型Φ500 mmPHC 管桩作为承重基础，桩长为45～48 m 不等。船台底板由10 块中板和20 块边板组成，中板最大平面尺寸为23 m×26 m，边板最大平面尺寸为23 m×5 m，厚度均为1.0 m，台口底板平面尺寸为13.01 m×36 m，高程为+0.135～-0.06 m 渐变，底板顶面纵向坡比均为1.5∶100；船台侧墙共20 段，厚度为0.25～0.6 m，侧墙底标高为+1.9～-1.265 m 渐变，坡比为1.5∶100，顶标高为+4.5 m。船台结构形式，如图2 所示。

图2 船台结构形式

2 前期施工中遇到的问题

施工前期，受多种因素影响，加之首次接触船台工程，致使2#船台BB1-1′、BB1-3、BB1-3′及BB1-5翼墙混凝土浇筑完成3～7d 后开始出现自上而下的通长裂缝，详见表1。

裂缝均为竖向，自上而下逐渐变细，在接近船台边板底板的区域消失；边板底板及侧墙的裂缝均出现在结构中部（裂缝出现位置如图3 所示），据现场实测统计，裂缝距两端的距离为7～10 m；裂缝宽度不大，缝宽均在0.2 mm 以下，通过一段时间连续观测，缝宽并没有明显变化。

图3 裂缝位置

表1 裂缝统计

3 裂缝成因分析

在港口与航道工程中，一般现浇的连续式结构（如胸墙、坞墙、泵房结构等）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，与普通结构钢筋混凝土相比，具有结构厚、体形大、一次浇筑混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点。本工程船台的边板和中板均属于大体积混凝土结构。

3.1 大体积混凝土产生裂缝的机理

3.1.1 表面裂缝成因分析

混凝土随着温度的升高（或降低）而体积发生膨胀（或收缩）的现象称为温度变形。大体积混凝土工程，结构截面大，水泥用量多，浇筑以后，水泥放出大量的水化热，混凝土温度升高。由于混凝土导热不良，体积过大，相对散热较小，因此混凝土内部水化热积聚不散发，外部则散热较快，内部升温产生压应力，表面产生拉应力。当温度梯度大到一定程度，表面拉压力[σ（t）]超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土表面就会产生裂缝。

3.1.2 通长裂缝成因分析

随着水泥水化反应的结束以及混凝土的不断散热，大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段，随温度降低，体积收缩。由于混凝土内部热量是通过表面向外散发的，降温阶段混凝土温度场的分布仍是中心温度高、表面温度低的状态，因此混凝土中心部分与表面部分的冷却程度不同，在混凝土内部产生较大的内约束（如图4 所示），同时地基和边界条件也对收缩的混凝土产生较大的外约束。内外约束的共同作用使收缩的混凝土产生拉应力。大体积混凝土随龄期增长强度增大，弹性模量提高，徐变影响较小。因此，降温收缩产生的拉应力较大，除了抵消升温时产生的压应力以外，在混凝土中形成较高的拉应力，从而引起大体积混凝土的通长裂缝。

图4 混凝土内部约束

3.2 船台边板形成裂缝的原因分析

通过对船台边板底板及翼墙裂缝进行认真细致的分析，笔者认为产生裂缝的原因主要有以下几点：

3.2.1 翼墙分段长度较长且厚度较小

混凝土硬化干燥时其本身的收缩率为0.05 %～0.06 % ，其收缩在长、宽、厚3 个方向都会产生，且收缩率与各向长度成正比关系，即在某一方向长度越大，在该方向累计收缩量就越大。翼墙分段长度为21.5m，厚度最小处仅为25cm，其长度相对高度和厚度较大，所以长度方向相对收缩量最大。又因边板底板相对于边板翼墙来说属于厚大构件，且在浇筑侧墙时底板已浇筑完成，当翼墙混凝土开始收缩变形时底板已基本完成收缩变形，底板对翼墙起到了一定约束作用，由此在翼墙长度方向产生了较大的收缩应力。当翼墙产生的收缩应力超过混凝土本身的极限抗拉强度时，就会在应力相对较大处产生裂缝。

3.2.2 混凝土温度应力过大

通过与本地区商品混凝土搅拌站横向比较，同品牌的水泥、同强度的混凝土本工程用量较其他搅拌站多30 kg/m3左右。水泥用量越大，产生的水化热越大，形成的温度应力也越大。通过对试块进行28 d抗压强度检测，其强度超出设计强度一个等级以上。施工中混凝土强度提高太多也会产生裂缝，因为混凝土强度越高，弹性模量越大，作用在单位面积上的应力越大，因而也更易出现裂缝。

3.2.3 混凝土入模温度高

2011年7月以来启东地区持续高温，边板BB1-1′和BB1-3′底板浇筑时气温已连续保持35 ℃左右。虽避开了中午高温时段，拟定傍晚17 时左右开始浇筑，但混凝土所用骨料、水泥及拌合用水等温度仍较高，混凝土拌合时未采取有效的原材料降温措施，致使混凝土的入模温度较高，加之水泥水化反应生成的水化热，造成混凝土内部温度过高，使混凝土内外温度加大，形成较大的温度应力。当温度应力超过混凝土本身的极限抗拉强度，就会在应力相对较大处产生裂缝。因边板底板长宽比约为4∶1，长度方向的温度应力远大于宽度方向，易在结构物长度方向的中部出现裂缝。

3.2.4 底板及翼墙浇筑间隔时间过长

根据统计，底板与翼墙的浇筑间隔时间均在10 d以上，底板对墙体的外约束增大，导致出现较多裂缝。

3.2.5 混凝土骨料级配单一

由于前期采用了单一级配粗骨料，影响了混凝土和易性。为满足混凝土现场施工操作时塌落度的要求，在保证水灰比不变的前提下需增加水泥和水的用量，但易使混凝土出现离析和泌水现象。

4 纠正及预防措施

针对裂缝成因，制定了一系列切实有效的整改及预防措施，并付诸于实际施工生产，取得了良好效果。

4.1 缩短浇筑间隔

缩短船台底板与翼墙混凝土浇筑的时间间隔，合理设置施工缝，使底板与翼墙基本保持同步收缩变形，减小底板对翼墙的约束。

4.2 优化混凝土配合比

（1）更换水泥品牌，根据试验选择低热水泥。采用混凝土60 d 强度作为强度评定及混凝土设计的依据，优化混凝土配合比，降低水泥用量，减少水化热，缩小混凝土内外温差，降低温度应力。

（2）选择级配良好的骨料：本工程骨料在混凝土中所占比例为混凝土绝对体积的80%～83%，因此在选择骨料时以试验数据为参考，选择线膨胀系数小、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。增加1 级骨料仓，选用粒径在5～20 mm 和20～40 mm 的2 级配粗骨料，采用中砂作为细骨料，严格控制砂、石子的含泥量（石子在1%以内，砂在3%以内），控制水灰比在0.35 左右。

4.3 降低混凝土入模温度

（1）混凝土浇筑前备足水泥，并待水泥冷却至常温后再进行混凝土拌制与浇筑。

（2）采用冷水拌合。

（3）选择夜间低温时段浇筑大方量混凝土。

4.4 检查混凝土拌合设备，确保混凝土拌合物质量稳定

（1）对拌合设备进行全面检修、保养、重新率定，保证混凝土中各种拌合材料的计量误差满足规范要求。

（2）因外加剂长期静置易产生沉淀现象，罐体内上下层外加剂浓度不均匀，从而影响混凝土操作性能。在外加剂罐体外增加循环设备，使外加剂在罐体内循环，保持浓度一致。

（3）适当延长混凝土搅拌时间，使各种材料充分搅拌混合，达到混凝土配合比的设计状态。

（4）改造现有拌合设备，东西2 个拌合站各增设1 个粗骨料料仓，采用2 级配粗骨料，在保证混凝土的和易性和强度的前提下降低水泥及水的用量。

4.5 严抓混凝土施工过程控制

（1）严格按操作规程要求进行混凝土振捣，严格控制分层厚度。

（2）完善养护措施：因对墙体无法采用饱水养护，决定适当延长拆模时间，拆模后立即在墙体表面均匀涂刷养护剂，并贴塑料薄膜保温，外侧苫盖土工布防护。

对底板混凝土终凝后立即铺塑料薄膜保湿、保水，上部苫盖土工布防护，并洒水降温。根据水分散失情况，及时从底板北段向塑料薄膜下注水，以补充水分。

（3）埋设测温仪器（如图5 所示），对混凝土内外温度变化情况及时采取相应的温控措施，以调整混凝土内外温差使之小于20 ℃。当室外温度较高时，勤洒水降温；当室外温度降低时，减少洒水次数，加强苫盖措施对混凝土进行保温。

图5 测温仪平面布置

5 裂缝处理措施

5.1 处理方案

（1）船台主体是强度等级为C30 的钢筋混凝土结构，混凝土结构厚度为1 000 mm。由于混凝土干缩及温度应力差等原因，混凝土表面出现宽度为0.2 mm左右的裂缝。为满足结构耐久性及防水要求，决定对裂缝进行封闭注浆处理，具体处理方法为：采用低压渗透灌注工艺，对裂缝内部压力灌注结构胶，使裂缝两侧混凝土粘结成为整体从而使裂缝封闭，满足耐久性要求并有效恢复结构强度，满足使用及防水要求。

（2）本工程中使用北京凯威丁混凝土裂缝处理中心生产的MS-401 建筑灌封胶，该灌封胶为低浓度改性环氧树脂，可灌注性能达到0.05 mm 以上发丝裂缝，胶体的拉伸、抗压、与混凝土的粘接、抗剪等力学性能指标均远远高于原混凝土设计强度，且安全环保，适合船台边板混凝土结构。