ACCROPODETMII 型护面块体开裂原因研究

王明军 龚照龙 吴建平

（1 中交四航工程研究院有限公司)

(2 水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室)

(3 中交四航局第三工程有限公司）

0 前言

护面块体常用于港口码头的防波堤，其功能是消浪和护面。使用功能决定了块体外形比较复杂、肢杆较多，加之预制工程用量大，施工过程中容易出现气泡、麻面、砂纹以及裂缝等质量问题，直接影响混凝土外观质量及使用寿命[1]。尤其是混凝土的裂缝问题，一但混凝土出现有害裂缝，且当混凝土处于水位变动区或者水下区时，水分、氯盐等将渗透到混凝土内部，在潮水的作用下混凝土将产生浸析作用，在有冻融环境时，可能导致冻融破坏；对钢筋混凝土，则可能导致锈蚀破坏，从而大大降低混凝土的使用寿命。目前国内对类似护面块体等无筋或者少筋混凝土结构的裂缝控制尚无规范标准。因此，一但产生裂缝问题，各方的看法也不一。本文针对加纳特码新集装箱码头ACCROPODETMⅡ型护面块体，在预制过程中出现的裂缝问题进行了分析总结，并就减少和防止产生这种裂缝的措施提出了一些看法，也可为同类工程提供一些借鉴。

1 原材料和配合比

原材料及主要指标如下：

⑴水泥：GHACEM PORTLAND CEMENT 42.5N，标准稠度用水量27%，比表面积294m2/kg，初凝时间162min，终凝时间258min，2d 强度25.3MPa，28d 强度50.4MPa；

⑵粉煤灰：颗粒密度176kg/m3，45μm 方孔筛筛余22.3%，Al2O3+Fe2O3+SiO2为90.81%；

⑶砂：表观密度2.57g/cm3，亚甲蓝值2.8，氯离子含量（NaCl）0.005%，碱活性0.07%，吸水率0.45%；

⑷碎石：4mm～16mm 碎石和16mm～31.5mm 碎石，表观密度2.89g/cm3，氯离子含量（NaCl）0.002%，碱活性0.06%，针片状含量17%，洛杉矶磨耗率（LAA）29%，吸水率0.31%；

⑸减水剂：广州四航材料科技有限公司，聚羧酸减水剂（HSP-V），减水率19%，1d 抗压强度比172%，28d 抗压强度比134%；

⑹水：饮用水。

胶凝材料的理化性能及混凝土配合比分别见表1和表2 所示。

2 护面块体预制情况

表1 胶凝材料的理化性能

表2 混凝土配合比

加纳特码新集装箱码头位于非洲最大的人造海港——加纳特马港的西侧，属热带雨林气候，年最高气温在2 月份，约34℃，最低气温在8 月，约15℃。全年平均降雨量约2000mm。码头防波堤采用ACCROPODETMⅡ型护面块体作为挡浪块体，该块体采用C30 素混凝土结构，单个体积约2m3，重量约5t，预制数量达3.7 万件，通过块体的环环连锁安装，能起到良好的消浪和抗冲击效果。

ACCROPODETMⅡ型护面块体强健性好、消浪性好、稳定性强，并可单层施工，应用非常广泛，是迄今为止全球最为流行的人工护面块体。ACCROPODETMⅡ型护面块体结构尺寸及实物图见图1 所示。

图1 ACCROPODETMⅡ型护面块体

护面块体多次浇筑拆模后，除发现部分气泡、砂纹等质量问题外，每次均发现在下肢与中部衔接处的内角重复出现裂缝，有时出现在块体的一侧，有时块体的两侧均有。经测量，该裂缝的长度约为40cm～50cm，抽芯测得的裂缝深度为2mm～8mm，裂缝位置及裂缝形态见图2 所示。

图2 ACCROPODETMⅡ型护面块体开裂情况

3 开裂原因讨论

为了寻找护面块体在同一位置处重复出现裂缝的原因，达到减少或者消除固定位置重复出现裂缝的目的，从混凝土配合比优化、温度场分析与温度控制、施工工艺优化等方面，详细探讨了开裂的可能原因。

3.1 配合比

通过分析原混凝土配合比发现，C30 的混凝土水泥用量大、砂率较大，混凝土的28d 强度值富余较多，这可能导致混凝土产生较大的干缩，由于本护面块体是素混凝土结构，当混凝土收缩产生的应力大于混凝土的抗拉强度时，有可能造成混凝土的开裂。基于此，对混凝土配合比进行了初步的调整。结果见表3 所示。

原材料中的水泥掺量较大，可能导致混凝土的温升高。因此在保证砼强度满足规范和设计要求的前提下，保持胶材总量不变，将粉煤灰的掺量提高到33%，能有效降低混凝土的温升值；考虑适当减小砂率，提高粗骨料用量，能降低混凝土收缩，因此在原配比基础上减少2%砂率，并优化了小石和大石的掺配比例；由于原配合比的强度富余较大，因此在满足规范和技术规格书的前提下，适当增大了水胶比，增加了单方用水量，降低了外加剂的掺量。经优化后，混凝土的工作性能及强度均满足施工和技术要求。

表3 C30 护面块体配合比调整前后的对比

配合比优化后，虽然块体混凝土的外观质量得到一定改善，但是护面块体仍然在相同位置处出现开裂，裂缝的宽度和长度与采用原配合比的护面块体差别不大。可知，此裂缝的出现可能与混凝土配合比关系不大。

15例研究组患者治愈10例（66.66%），有效4例（26.67%），无效1例（6.67%）；15例对照组患者治愈6例（40.00%），有效6例（40.00%），无效3例（20.00%）；研究组临床有效率为93.33%，对照组临床有效率为80.00%，研究组的临床有效率高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。说明在保留灌肠法治疗溃疡性结肠炎中应用舒适护理，有利于患者的痊愈。

3.2 温度场及温控措施

现场施工时发现，混凝土的入模温度较高，达到35.9℃，这可能与混凝土原材料的温度较高有关。经检测发现，水泥入罐温度高达69.2℃，粗细集料温度在44℃左右，浇筑后测得护面块体内部最高温度达71.7℃，结果见图3 所示。

图3 混凝土中心温度监测结果

若原材料的入机温度较高，就可能导致混凝土的中心温度较高。由于混凝土在降温阶段将产生温降收缩，每降低10℃约产生100μξ，当混凝土从70℃降至环境温度（25℃）时，约产生450μξ（不考虑徐变变形），而在超慢速荷载条件下（几天至数月达到抗拉强度的速率），考虑徐变变形，混凝土极限拉伸大致在250～300μξ[2]。可见，若降温速率过快时，混凝土的降温收缩产生的应力大于混凝土的极限抗拉强度时，就可能导致混凝土的开裂。

为了降低混凝土的内部最高温度，从控制水泥和粗细集料的入机温度入手，尽量控制入模温度不超过30℃，混凝土内部最高温度不宜大于70℃；采取温控措施后的混凝土内部最高温度见图4 所示。

图4 调整温控措施后混凝土中心温度监测结果

图5 护面块体的模型与温度场云图

表4 C30 护面块体内约束应力及抗裂安全系数

图6 护面块体内部温度模拟值

采用原材料降温措施后，混凝土的内部最高温度得到了一定程度的降低，但是护面块体依然在同一位置处出现裂缝。

为了得到在目前原材料温度下，混凝土护面块体由于自约束应力导致的开裂风险，采用midas 软件对护面块体进行建模，并得到块体的内部温度云图，结果见图5 所示。

图6 所示为护面块体的最高温度、表面温度和内表温度的模拟值。根据护面块体混凝土内表温差的模拟计算结果，计算内表温差导致的混凝土内约束应力，最后得到各龄期内约束应力的抗裂安全系数Kz，结果见表4所示。

可以看出，护面块体的7d 内约束应力抗裂安全系数均大于1.15，内约束应力导致混凝土开裂的风险较小。

虽然实测的ACC148-167 护面块体内部的最高温度为71.7℃，降温速率为16.1℃/d，均超出了水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程JTS 202-1－2010中的最高温度不大于70℃，降温速率不大于2.0℃/d的规定[3]。但经midas 软件建模模拟分析可知，混凝土的自约束应力导致的开裂风险较低。可见，此护面块体固定位置处的裂缝与混凝土的内部温度场关系不大。

3.3 施工工艺

经过大量裂缝控制措施的试验，包括优化混凝土配合比、降低入模温度等措施，块体的外观质量得到较大的改善，但块体下肢与中部连接处裂缝仍重复出现。可见，该裂缝与混凝土的配合比以及混凝土内部的温度场变化关系不大。由于护面块体结构复杂，块体多棱角，且存在多处变截面部位，初步分析该裂缝的出现可能与块体下肢与中部连接处产生应力集中有关。

如图7 所示，开有圆孔和带有切口的构件，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。这种现象，称为应力集中。应力集中是由于构件截面骤然变化（或几何外形局部不规则）而引起的局部应力骤增现象[4]。

图7 构件应力集中示意图

本工程中的护面块体，由于上肢混凝土和中肢混凝土的自重原因，将荷载传递到下肢，由于在中肢部位发生了截面的变化，块体的下肢与中部结合部位将产生背向的拉应力，尤其是此部位处混凝土多棱角，更容易导致应力在此部位集中，当此拉应力大于混凝土的抗拉强度时，块体就会在此部位出现开裂。

因此，决定改装2 套模板进行试验。将块体模板下肢与中部连接处进行切割，切割尺度为长80cm，宽15cm，并重新用钢板焊接打磨，使原模板下肢与中部连接处交角由159°调整为170°，以达到平缓过渡、减少应力集中，模板改装见图8。

图8 块体模板改装示意图

图9 块体模板改装效果图

采用改装后的模板进行块体预制，拆模后发现块体中部及下肢相接的位置无裂缝产生。反复试验10 次均无裂缝产生，遂对现场120 套块体模板全部进行改造，改造后的块体预制质量达到预期要求，块体的外观质量见图10 所示。

图10 模板改装前后裂缝对比图

将原模板下肢与中部连接处交角由159°调整为170°，达到了平缓过渡、减少应力集中的作用，从而避免了此部位的应力集中，减少了裂缝在此出现的概率。因此，对可能产生应力集中的部位进行倒角处理或者平滑过渡，将有助于分散应力，降低应力裂缝出现的概率。

4 结语

对于护面块体，由于结构复杂，预制数量大，出现一些表面缺陷，属正常现象。混凝土的气泡、砂纹等缺陷可通过调整配比等措施解决。但是，对于在块体预制过程中出现的开裂问题，有时很难一下子就确定是哪种原因导致的，这就需要在施工中不断的去摸索、分析、总结产生裂缝的原因。这也将对以后的施工作业起到较好的指导作用。

针对混凝土的应力集中裂缝，除了将产生应力集中 的部位进行倒角或者平缓过渡处理外，对有配筋的混凝土构件，还可采用在应力集中的部位增设钢筋网片或者与裂缝方向垂直的构造钢筋来减少或者消除应力集中裂缝。