海洋环境下大体积混凝土裂缝控制施工技术

余以明 ，王虑 ，吴柯 ，高凡

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040）

1 工程概况

工程地处热带湿热区，常年受高温、高湿、高盐、高紫外线的影响，腐蚀环境为CM-5级[1]。混凝土若出现开裂，因海岸大气中相对湿度很大，海水飞沫中的盐粒子形成的腐蚀性水膜及海浪冲刷残留的海水引起的腐蚀及高温环境加剧腐蚀速率等[1]，均会造成混凝土结构的耐久性下降。因此，本工程所用大体积混凝土在满足强度、耐久性的情况下不能出现开裂现象，而在炎热海洋气候条件下，不采用冷却水、不布置冷却水管、不加碎冰等温控措施来控制大体积混凝土开裂是本工程混凝土质量控制的难点。本工程拟采取掺加氧化镁抗裂剂、使用海工水泥、分层浇筑几种不同的施工控制技术来控制大体积混凝土的开裂。

试验段大体积混凝土长×宽×高的尺寸为10 m×5 m×6 m，其施工流程为：土方开挖→垫层施工→模板安装→布设温度、应力监控元件→混凝土浇筑→养护→温度、应力监测→裂缝观测。

2 原材料、配合比及测试仪器

1）试验段所用原材料为：华润水泥P.O 42.5水泥（7 d水化热285.232 kJ/kg）；浙江三狮海工水泥（3 d抗压强度28.1 MPa、抗渗等级S12、7 d水化热216.796 kJ/kg）；0~4.75 mm北海砂场中砂；5~31.5 mm广东惠东碎石；钦州永佳F类Ⅱ级粉煤灰；四川路加聚羧酸系高性能减水剂（减水率20%，固含量11%）；武汉三源氧化镁抗裂剂（氧化镁含量89%、活性为127 s、7 d胶砂限制膨胀率0.031%、7 d水化热291.463 kJ/kg）；拌合水为淡水。

2）为降低混凝土的最高温度及水化热，减少温度裂缝的产生，采用了分层浇筑、低水化热海工水泥[3]全部取代普通硅酸盐水泥的施工措施；为减少收缩裂缝的产生及发展，选用了氧化镁抗裂剂[4]。正式施工前进行试验段的浇筑，设计坍落度140 mm±20 mm，试验段混凝土配合比及施工措施见表1。

表1 试验段混凝土配合比及施工措施Table 1 Mix proportion of test section concrete and construction measures kg/m3

3） 现场温度监控采用TR-SD系列现场定时自动测温记录仪，温度传感器为热敏电子传感器，通过监测内部温峰、表面温度及大气温度来评定温差应力对混凝土开裂的影响；现场应变监测[5]采用VW-102型振弦读数仪，通过监测应变大小来评估混凝土内部应力的大小及混凝土开裂的可能性。

3 结果与对比

3.1 浇筑性能及养护方式对比

按表1的配合比浇筑4段试验段，其浇筑性能及拆模后的养护方式见表2。

表2 试验段的浇筑及养护方式Table 2 Casting and curing method of test section

由表2可知，采用海工水泥混凝土的施工性能略差于采用普通水泥及氧化镁抗裂剂的混凝土，7~28 d后观测试验段1~4采用不同养护方式后表面裂缝发展情况，发现采用洒水养护的混凝土裂缝大部分出现在表面上。其中，试验段2因浇筑期间遇大风天气，表面失水、降温过快，出现塑性收缩裂缝。

3.2 温度、应变及力学性能对比

浇筑混凝土后，现场实时测试其最高温度，最大内表温差、28 d最大应变及强度，相关数据见表3。

表3 试验段的温度、应变及力学性能测试结果Table 3 Test results of temperature,strain and mechanical properties of the test section

由表3可知，除试验段四28 d强度略低外，其他试验段28 d强度相差不大且均满足C30混凝土的设计要求；试验段1、3、4的最高温度及内表温差均未超过JTS 202-1—2010《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》的要求，但试验段2因外掺约10%的抗裂剂，且氧化镁抗裂剂的水化热略大于水泥的水化热，抗裂剂掺量及总胶凝材料用量过多导致其最高温度超过70℃，内表温差超过25℃的温控标准，不满足大体积混凝土的施工要求；28 d后试验段2、4因掺入了氧化镁抗裂剂除补偿混凝土的收缩外，还有2%左右的微膨胀，氧化镁抗裂剂的膨胀机理[4]在于方镁石水化生成氢氧化镁晶体并在局部区域内生长发育，使硬化浆体产生膨胀，应用特制轻烧氧化镁材料配制混凝土，以其延时性膨胀性能补偿混凝土收缩所产生的拉应力，达到使大体积混凝土体积稳定[6-7]，有利于后期混凝土的抗裂。

3.3 裂缝情况对比

混凝土浇筑28 d后，观测试验段1~4的裂缝情况，所得裂缝宽度、深度及位置见下表4。

表4 试验段裂缝观测结果Table 4 Crack observations results of test section

试验段1因混凝土后期干燥收缩出现了较多的裂缝，表明分层浇筑对大体积混凝土后期抵抗干缩裂缝出现的作用不明显。

试验段2一方面因浇筑期间遇大风天气，表面失水、降温过快，出现塑性收缩裂缝；另一方面因混凝土内部温差过大出现了温差裂缝。结果使得四个试验段中试验段2的裂缝最宽、最深，故应改变氧化镁抗裂剂的掺量及掺入方式，且做好保温保湿养护。

试验段3在迎海面出现了有害性的纵向长裂缝，表明海工水泥虽然能降低混凝土的水化热，减少温差裂缝的产生，但对混凝土后期抵抗干缩开裂作用不大，故不推荐使用海工水泥。

试验段4仅表面出现1条微小裂纹，表明氧化镁抗裂剂对混凝土的收缩有一定的抑制作用，且内掺氧化镁抗裂剂的微膨胀作用对混凝土后期收缩的补偿作用较大。

综上所述，采用内掺氧化镁抗裂剂取代水泥，且用薄膜+土工布+油布3层保温保湿养护的方式取得了较好的效果，在试验段4配合比的基础上，保持胶材用量不变，降低水泥用量至60%、氧化镁抗裂剂用量至7%、粉煤灰用量增加至33%，且增大减水剂的减水率及保坍性能后正式浇筑该大体积混凝土，3个月后观测该大体积混凝土，未出现肉眼可见的裂缝。

4 结语

1）为避免大体积混凝土出现各种表面裂缝及防止海洋环境下裂缝造成的腐蚀加剧现象，养护期间应注意保温保湿养护，建议用薄膜覆盖混凝土后，再覆盖1层土工布，最后用油布覆盖的养护方式。

2）对比分析分层浇筑、采用海工水泥、外掺氧化镁抗裂剂、内掺氧化镁抗裂剂4种施工技术措施的效果，掺入7%~8%左右的氧化镁抗裂剂能补偿大体积混凝土的后期收缩，减少干缩裂缝的产生，有利于大体积混凝土的控裂。

3）通过胶凝材料体系优化及减水剂性能优化后，该大体积混凝土浇筑3个月后未出现肉眼可见的裂缝，保证了海洋环境下大体积混凝土的耐久性，并且简化了施工操作及温控措施，节约了工期。

参考文献：

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