港口与航道工程大体积混凝土施工裂缝控制

2021-04-01曹文达

工程建设与设计 2021年23期

曹文达

（中交第四航务工程局有限公司，广州510200）

1 引言

港口与航道工程在建设过程中，面临的施工环境复杂多变，为使得大体积混凝土的结构施工可以达到预期标准，除了要遵循相应的施工规范外，还需要结合工程现场的情况，进行流程优化和工艺创新，从温度因素、施工因素、技术因素等方面着手，最大程度上降低大体积混凝土裂缝出现的概率。

2 港口与航道工程中大体积混凝土施工特点

港口航道工程的建设施工任务艰巨，大体积混凝土施工对工程功能和安全有着至关重要的影响。由于此类工程处于水环境中，结构构件长时间与水接触或者受到水的侵蚀，如果依旧采用常规的混凝土施工技术，将无法达到预期的施工目标，而大体积混凝土施工作业恰好可以解决这些方面的问题。

大体积混凝土施工作业有以下几个方面的施工特点：（1）体积庞大，这一结构特点使得在开展港口航道工程建设时，结构接触面积相对较大，也就减少了断面上的混凝土材料使用；（2）浇筑施工难度大，大体积混凝土与普通混凝土相比，其浇筑工作面临着很多的难题，为提高浇筑施工效果，一般要遵循分量、分缝、分层的原则，以控制单次浇筑时的混凝土用量；（3）外界温度对施工的影响巨大，为达到良好的施工效果，施工的全过程中往往要进行内外温差的科学调整。

3 港航工程大体积混凝土产生裂缝的原因

3.1 外界气温变化

对于大体积混凝土结构而言，因为其结构体积庞大，在浇筑施工环节，浇筑温度始终随着外界气温的变化而出现明显的波动，在气温急剧下降的情况下，混凝土内外部的温差异常增大，而这种温度差异将导致混凝土结构无法保持其完整性。在巨大的温差条件下，势必会导致大体积混凝土出现温度变形，同步产生一定的温度应力，在温差越大的情况下，也意味着其温度应力相对较大，出现裂缝的概率也相对较高[1]。

3.2 混凝土收缩

对大体积混凝土结构而言，在混凝土中大约有20%的水分是水泥硬化时的必需水分，而剩余的水分则要满足蒸发需求，一旦存在多余的水分蒸发情况，大体积混凝土中将产生体积收缩的问题。从混凝土收缩的原因和机理来分析，当大体积混凝土出现了体积收缩现象，会导致在混凝土结构内部同步产生巨大的收缩应力，加剧混凝土裂缝的形成。而混凝土收缩性从源头上是由水泥种类、混凝土配合比、外加剂种类和施工工艺等因素决定。

3.3 水泥水化热

水泥是混凝土中不可或缺的材料。由于水泥的性质特殊，当其处于水化条件下时，势必伴随着巨大的热量释放。与常规的混凝土结构相比，大体积混凝土的结构断面厚度大但其表面系数却相对较小，这就使得其在水泥水热化的过程中，所产生的热量在结构内部过度聚集，而无法在短时间内散失出去，随着热量的集聚，混凝土的内外部温差异常增大，从而伴随着温度应力、收缩应力的产生。大体积混凝土结构施工的结构裂缝正是降温和收缩所导致。在降温条件下，存在着一定的外部约束，将增大贯通裂缝的形成概率；而收缩将引起混凝土的自约束应力，引起表面裂缝。

3.4 约束条件

在大体积混凝土的施工作业中，混凝土浇筑后早期温度急剧升高，混凝土膨胀势必会受到巨大的地基约束而同步产生一定的压应力，而在后期，温度急剧下降，混凝土收缩同样受到地基约束而形成拉应力。混凝土结构的抗压性能超过其抗拉性能，使得混凝土在受压的情况下几乎不会出现裂缝，而在受拉情况下，因为拉应力高于抗拉强度，就会在混凝土结构中出现垂直裂缝。

4 港口与航道工程大体积混凝土的裂缝控制

4.1 设计措施

4.1.1 优化结构设计

为减少大体积混凝土中裂缝的出现，在开展大体积混凝土结构设计时，要以结构特点、使用环境和寿命要求等作为设计前提，选择最符合港口航道工程的结构形式，并确保大体积混凝土结构构造措施、强度等级的科学性。港口航道工程为大规模项目，在开展总体的结构设计时，应采用相对简单的结构形式，如果大体积混凝土的结构形式复杂，后续出现结构突变现象，可能会存在着应力集中的问题，导致基础约束过大，增大裂缝出现的概率。即使在相对简单的结构形式下，也应进行相应的变缝设置。结构优化设计的过程中，同样要开展温度场计算和温度应力分析，根据这些因素对结构的直接影响，对结构中的薄弱部位进行对应的优化[2]。

4.1.2 合理进行温控设计

温控设计应注意以下要点：（1）大体积混凝土施工作业开始之前，应根据总体的施工标准和要求，选择高性能、高质量的原材料，在配合比设计的过程中，始终坚持绝热温升低、抗裂性能好的原则；（2）在满足混凝土性能的基本前提下，减少在单位范围内的用水量；（3）所使用的混凝土应具备低砂率、低坍落度和低水胶比的特征，在混合料中添加一定的减水剂和高性能引气剂；（4）减少混凝土中的水泥用量，掺加粉煤灰替代部分水泥的作用，控制水泥水化热对混凝土造成的不利影响；（5）做好开裂敏感性试验，根据试验结果来采取恰当的方式，避免混凝土早期升温速率过快[3]。温控设计的过程中，可利用试验或者有限元分析的方式，来对大体积混凝土的出机口温度、浇筑温度、内部最高温度和温度应力等参数加以精准计算，根据计算结果来采取相应的措施，将温度控制在正常标准下，温控措施可选用测温元件、应变测试元件、冷却水管等的埋设，块石与减水剂的掺加等方式，使得在浇筑阶段，浇筑温度可以保持在5～30℃，而内外部温差不超25℃。

4.2 施工措施

4.2.1 严把材料质量关和配比关系

港口航道工程的大体积混凝土施工作业中，材料质量是否达标，将直接影响大体积混凝土的结构性能。因此，在裂缝控制方面，既要从原材料的质量控制出发，还要结合结构要求，进行相应的配合比设计。施工企业在开展施工建设时，应加强对各种原材料的采购管理和质量验收，质量验收不通过的材料严禁被应用于混凝土施工，在材料采购时应选用性能合格的材料，比如，在水泥的选用方面，应使用中低热水泥，严禁使用早强水泥，所选水泥的铝酸三钙含量和比表面积指标都应该处于限值范围以内。在混凝土的配合比设计阶段，应开展试配试验，根据试验结果的对比与分析来确定最佳的配合比，通过科学的配合比设计来控制混凝土的水灰比、坍落度等指标。在混凝土搅拌时，严格控制每种原材料的用量。为避免在混凝土施工中胶凝材料过细所引起的混凝土温升问题和裂缝问题，在混凝土混合料中可掺加一定的Ⅲ级粉煤灰或者粒子化高炉矿渣，以改善混凝土性能。粗骨料作为混凝土中的关键材料，在粗骨料选择上，应选用大粒径粗骨料，并对含泥量和碱活性加以科学控制，通过使用线膨胀系数比较小的碎石，来减小混凝土的温度应力。

4.2.2 混凝土施工温度控制

施工温度的控制可以在很大程度上起到裂缝预防的作用。具体的温度控制可从以下方面来开展：（1）出机口温度控制。如果港口航道大体积施工面临的是热天夜间的施工条件，需将水泥和骨料的温度控制在较低的状态下，通过低温水、冰水搅拌的方式来实现；如果处于冷天施工，可通过料场遮盖、拌和水加热的方式；适当提高浇筑效率，以控制混凝土浇筑面的暴露时间。（2）内部最高温度控制。对这一温度参数的控制，可通过降低浇筑温度、掺加缓凝剂、延长凝结时间、分层浇筑、冷却水管埋设等方式来实现。（3）在无筋或者少筋的大体积混凝土中埋设块石，但在受拉区域内严禁埋设，且埋设的块石必须要冲洗干净并做好润湿处理，控制块石的埋设总量。（4）加强对浇筑温度、内部温度、环境温度等的监测，一旦发现异常情况，及时采取对应的温控处理方式。

4.2.3 混凝土浇筑控制

大体积混凝土的浇筑环节，应结合振捣和入模条件，将分层厚度控制在正常标准内，严禁浇筑环节出现集中倾倒冲击模板或者钢筋骨架的现象。在初凝之前必须要完成混凝土的运输、浇筑与振捣，整个浇筑工作要连续开展，严禁出现冷缝。工程实践中，应该对模板加以检查，根据检查来判断模板中是否存在变形、松动、跑浆、跑模等现象。混凝土振捣工作应规范开展，以提高混凝土密度，通过二次振捣工艺的应用，在初凝之前开展再次的振捣处理，在提升混凝土强度的同时提升其结构抗裂性[4]。通过二次抹面工艺的使用，在初凝之前在混凝土表面由专业人员开展二次抹面，并及时覆盖保湿。

4.2.4 混凝土养护和测温

养护是大体积混凝土施工不可忽视的环节。当浇筑作业全面完成以后，就要立即进入养护环节，以通过保温处理的方式，来实现对混凝土块体内外温差的控制，降低块体所存在的自约束应力，经由草席、塑料包裹和覆盖，减小混凝土的降温速率，使得混凝土湿度符合结构施工要求。蓄水、洒水和喷雾养护时，水温和混凝土表面温度应保持在15℃以内，养护时间应严格根据结构施工要求和混凝土性能来确定。

5 应用实例

以某港口工程为例，该工程的码头主体结构为现浇重力式码头，长1 000 m，码头底板厚、墙身高分别为1.1 m、11.1 m，属于大体积混凝土施工作业。根据对码头工程现场的情况分析，最终选用的是围堰干地施工方法，主体结构的施工中，施工周期漫长，跨越了汛期和冬季，裂缝频发，在此工程中的裂缝控制是关键。

此工程项目实施中采用的是C25素混凝土，在混合料的配制中，选用的是P·O42.5水泥，并在其中掺加15%的Ⅰ级粉煤灰。为提高混凝土的各方面性能，在混凝土配制的过程中，将骨料的含泥量控制在正常的标准内，选用聚羧酸系高性能引气减水剂。在冬季施工作业进行中，对混凝土的配合比加以适当调整，在混凝土中添加一定的防冻剂。底板、墙身的混凝土浇筑进行分段、分层实施，并严格根据总体的结构施工要求来进行施工缝的设置，并检验模板设计是否合理，结合对应的试验结果来进行混凝土温度应力的科学分析。