某船塢工程塢口大體積混凝土防裂措施

潘書才，張曉麗

（1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2.寧波市交通建設工程試驗檢測中心，浙江 寧波 315040）

1 工程概況

某船塢工程塢口為“U”形整體式現澆鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級C25P6。塢口尺寸長×寬為18 m×61 m。沿船塢縱向分為門內段8 m、門檻段4 m和門座段6 m。兩側塢墩寬均為8 m，兩塢墩之間凈距45 m，塢口結構總寬度61 m，塢墩前沿均向兩側伸出翼墻，長度為3 m，厚度自1.5 m過渡至0.6 m。塢口底板橫向45 m分為A板寬23 m 1塊、B板寬8 m 2塊，C板（閉合塊）寬3 m 2塊。塢口底板底標高均為-10.50 m，門內段和門座段頂標高為-8.00 m，門檻段頂標高為-7.20 m，塢墩頂標高為+6.00 m。塢口混凝土總量為6 724.5 m3，屬于大體積混凝土。

塢口底板下為25 cm厚C25素混凝土墊層。塢口樁基采用600 mm×600 mm預應力鋼筋混凝土空心方樁，樁長17.5～29.5 m。樁頂混凝土伸入底板結構50 mm，主筋伸入底板結構大于500 mm。

2 混凝土產生裂縫的類型及原因分析

混凝土的裂縫主要包括溫度裂縫、外力引起的裂縫和收縮裂縫。結合本工程的特點，進行科學的分析，認為以下幾點是容易造成混凝土裂縫的主要原因，也是塢口大體積混凝土防裂的困難所在，只有抓住這些主要矛盾，才能有效地做好防裂工作。

1）塢口混凝土體積大，并且從5月份開始施工，氣溫逐漸升高，又逢干旱少雨天氣，給混凝土溫度裂縫的產生防治帶來很大困難。

2）塢口結構尺寸大，基礎采用樁基結構，可能會因不均勻沉降導致混凝土出現裂縫。

3）船塢主體工程量大，按照總體計劃安排，在塢口施工的同時還要兼顧塢室墻體和底板的施工，因此對新老混凝土澆筑間歇期的控制有難度。

4）混凝土供應采用泵送工藝，具有較好的連續性，但同時要求混凝土的坍落度較大，用水較多，給混凝土防止收縮裂縫的產生帶來難度。

3 混凝土防裂措施

混凝土的裂縫主要是由溫差過大、混凝土的收縮和外力約束造成的，所以混凝土的防裂應從以下幾個方面著手：一是設法減小混凝土內外溫差；二是降低外界條件對混凝土變形的約束；三是提高混凝土的抗裂能力。

3.1 減小混凝土內外溫差的措施

3.1.1 合理地分段、分層澆筑混凝土

塢口混凝土體積大，合理地分段、分層進行澆筑，可以將水化熱從時間和空間上分散開來，增加了散熱面積，有效地降低混凝土的溫升，從而減小混凝土的內外溫差。考慮到基坑開挖對圍堰穩定性、安全性的影響，先進行兩側塢墩的施工，塢口底板澆筑按照B板、A板、C板的順序進行施工，并且B板與塢墩一層同時施工，閉合塊C板在兩側塢墩和A板結構完工后進行澆筑，塢口混凝土結構分段、分層澆筑見圖1。

圖1 塢口底板、塢墩分段分層圖

3.1.2 降低水化熱溫升

1）摻加粉煤灰。粉煤灰作為膠凝材料，采用內摻法可以取代部分水泥，降低水泥用量。雖然粉煤灰作為活性材料也釋放水化熱，但水化熱較低，且升溫歷時長，能起到降低水化熱溫升和削減溫升峰值的作用。經過市場調查和認真比選，本工程采用了北侖電廠的Ⅱ級粉煤灰。根據配合比試驗，確定粉煤灰取代水泥量為15%。

2）使用高效泵送劑。塢口混凝土采用泵送工藝，混凝土坍落度選用140 mm左右，這給降低水泥用量增加了難度。為了改善混凝土的和易性，降低水灰比，最大程度上降低水泥用量，采用外摻法加入了WG-Ⅱ高效泵送劑，摻量為1.68%（占膠凝材料重量），通過現場試驗得出主要技術性能如下：

①減水：在同配合比，同坍落度條件下，減水率為12%～20%，從而降低混凝土的泌水，提高抗滲能力。

②增塑：對水泥分散效果顯著，能大幅度提高混凝土的流動性，比基準混凝土坍落度增加11 cm左右，同時坍落度損失較小，60 min損失2 cm左右，有利于混凝土的泵送施工。

③緩凝和降低混凝土溫升：初凝時間延長2～4 h，水化熱降低20%左右。

3）摻加塊石。塊石體積穩定性好，可以減少混凝土的澆筑量，從而降低水化熱。選用新鮮塊石，大致呈方正形狀，最長邊與最短邊之比不大于2。塊石埋放前用淡水沖洗干凈并保持濕潤。由于受施工限制，塊石摻量僅為混凝土量的4%左右。

3.1.3 降低混凝土入模溫度

在混凝土水化熱溫升一定的情況下，為了降低混凝土內部溫度的峰值，控制混凝土的入模溫度是很有必要的。

1）控制部分原材料的溫度。碎石在白天用彩條布覆蓋遮陽，并進行灑水降溫。水泥提前出廠，經過施工現場水泥倉庫貯存降至自然溫度。攪拌用水采用自來水，邊攪拌邊供應。

2）混凝土澆筑盡量安排夜間施工。在夜間混凝土原材料的溫度都較白天偏低，根據現場實測結果，夜間混凝土的出機溫度一般比白天低3℃左右。

3.1.4 加強保溫，控制溫差

1）混凝土測溫。為了掌握混凝土內部溫度的變化情況，及時采取保溫、散熱等技術措施，對塢口混凝土結構進行了溫度監測。測點以真實反映混凝土塊體的內外溫差、降溫速率和環境溫度為原則。每段每層平面位置上測點不少于3點，垂直方向上不少于3點。測溫設備采用JDC-2建筑電子測溫儀。在混凝土澆筑前的指定位置埋設測溫元件，通過測溫導線與測溫儀連接，該方法簡便、準確、費用低。測溫時間從混凝土澆筑日起每隔2 h測溫1次，3 d后每隔4 h測溫1次。

2）保溫措施。根據以往施工經驗，混凝土中心溫度和表面溫度之差控制在20～30℃以內，一般可以防止有害裂縫的產生。按照JTJ268-96《水運工程混凝土施工規范》的規定，以內外溫差不超過25℃的標準采取保溫措施。在混凝土表面鋪掛1層塑料薄膜，然后是1層土工布，減少混凝土表面的熱擴散及延緩混凝土內部水化熱的降溫速率，以避免或減少溫差裂縫。

3.2 減小約束的措施

塢口混凝土所受的約束主要有兩種：一是不均勻沉降，二是新老混凝土之間的約束。

3.2.1 合理設置豎向施工縫

塢口底板長度為45 m，加上兩側塢墩各8 m，總計61 m，結構長度較大，又因基礎為樁基結構，塢墩與底板的混凝土量差值大，可能會引起不均勻沉降，產生貫穿裂縫。通過設置閉合塊（即C板，共2塊）的方法，進行分段澆筑，減小了混凝土一次澆筑的長度，并且閉合塊在塢墩、底板A段與B段完工沉降穩定后進行澆筑，降低了因不均勻沉降而引起的基底約束應力。

3.2.2 縮短混凝土澆筑的間歇期

混凝土的彈性模量隨著齡期的增長而增加，間歇期越長，對新澆混凝土的約束也越大。通過合理地組織生產，在下層混凝土的溫度峰值過后，盡快澆筑上層混凝土，以縮短間歇期，也起到了一定的效果。

3.3 提高混凝土的抗裂能力

塢口混凝土澆筑正值夏季，又逢干旱少雨天氣，環境溫度較高，給混凝土的防裂帶來了很大的難度。在混凝土水化熱溫升一定的情況下，提高混凝土的抗裂能力尤為關鍵。

3.3.1 摻加膨脹劑

通過市場調研，江西武冠新材料股份有限公司生產的WG-HEA抗裂膨脹劑對混凝土的抗裂防滲效果較好，所以在塢口大體積混凝土中采用內摻法加入了HEA抗裂膨脹劑。

1）HEA抗裂膨脹劑的特點。HEA抗裂膨脹劑為固體粉劑，是具有三膨脹源的新型防水材料，將其加入混凝土中，與水泥水化產物反應生成大量礦相，使混凝土膨脹，由于受到鋼筋等的限制，使鋼筋受拉產生0.2～0.8 MPa預應力，能有效補償混凝土的收縮。同時水化形成的大量礦相具有填充混凝土毛細孔縫的作用，使毛細孔變細、減少，增加了致密性，顯著提高了混凝土的抗裂防滲性能。

2）HEA抗裂膨脹劑的化學組成見表1。

表1 HEA抗裂膨脹劑化學組成 %

從表1可以看出，HEA中基本不含氯離子，對鋼筋無銹蝕作用，堿含量低，不會引起堿—集料反應。

3）HEA抗裂膨脹劑的水化反應。

①CaO+H2O→Ca（OH）2

②3CA+3CaSO4+38H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+2（Al2O3·3H2O）

③C4A3S+2CaSO4+38H2O→C3A·3CaSO4·32H2O+2（Al2O3·3H2O）

④MgO+H2O→Mg（OH）2

從上述水化反應方程式可知，早期膨脹源由煅燒鈣質成分提供，中期由鈣礬石產生膨脹，后期由煅燒的鎂質成分提供，三個膨脹源有機結合取長補短，可獲得較大的早期膨脹、適宜的中期膨脹和穩定的后期膨脹，較好地補償混凝土結構的收縮，提高建筑物的耐久性和使用安全性。

4）HEA抗裂膨脹劑在塢口大體積混凝土中應用的效果。

①采用內摻法以8%的HEA等量取代膠凝材料，一是可以降低水泥用量，從而降低水泥水化反應的水化熱；二是HEA的膨脹量不僅不降低混凝土強度，還略有提高。現場抽取的35組混凝土試塊28 d平均強度達到mfcu=33.9 MPa，強度最小值fcu，min=25.8 MPa，強度標準差sfcu=4.63 MPa，強度標準差的平均水平σ0=4.5 MPa，均能同時滿足mfcu－ sfcu≥fcu，k和 fcu，min≥fcu，k－ Cσ0的要求。

②HEA能改善混凝土的泌水性能，摻加后混凝土的泌水率降低5%～10%。對于泵送混凝土來說，泌水性能是一個很重要的指標，泌水性能差會導致混凝土的分離，影響混凝土的可泵性。

③HEA不會縮短混凝土的凝結時間。

④通過東塢墩底層與水泵房底層混凝土測點溫度的對比情況看（見表2、圖2、圖3），東塢墩測點溫度比水泵房更有利于混凝土不產生溫度裂縫，盡管東塢墩一層及B板的混凝土量975.5 m3較水泵房底層混凝土量1 366 m3少，并且加入了4%左右的塊石，但是東塢墩是一個實體，而水泵房底層平面尺寸大，隔墻多，散熱面積大，這說明HEA起了重要作用。HEA能使混凝土水化熱放熱峰值出現時間由原來的2～3 d延長到4～7 d，并使放熱峰值降低10～20℃。同時，在東塢墩混凝土因保溫不到位，致使內外溫差超過40℃時，混凝土沒有出現裂縫，說明了HEA使混凝土產生適度膨脹，抵抗了溫度應力的影響，并且補償了混凝土的收縮，避免出現收縮裂縫。

表2 東塢墩與水泵房底層混凝土測點溫度對比情況

圖2 東塢墩底層與水泵房底層混凝土溫度測點布置圖

圖3 東塢墩與水泵房底層混凝土測溫曲線圖

5）生成的針棒狀晶體隨著水泥石結構的形成過程，逐步地在水泥石構架中搭接延伸，有效地堵塞了空隙和切斷了毛細管通道，使結構更加致密而大大降低了滲透系數，提高混凝土的抗滲性能。經試塊檢測，混凝土的抗滲標號普遍提高2個等級以上，達到P8要求。

因此對大體積混凝土的收縮裂縫和溫差裂縫的控制，采用HEA抗裂膨脹劑是十分有效的技術措施。

3.3.2 設置抗裂鋼筋網片

塢口混凝土的凈保護層厚度為50 mm，為提高混凝土表面的抗拉能力，在（塢墩四周、頂面及底板頂面）結構主筋外側設置一層雙向φ6@100 mm×100 mm抗裂鋼筋網片，凈保護層為30 mm。

3.3.3 提高混凝土施工質量

1）掌握天氣的變化

混凝土施工盡量避開高溫階段，將時間放在傍晚及夜間，雷雨天氣不澆筑，并在現場備好防雨抽水設備。

2）做好施工準備與應急預案

為保證大體積混凝土供應的連續性，避免出現冷縫，施工前要做好各項準備工作。原材料儲備充足、檢測合格及降溫到位。攪拌設備、運輸設備能夠正常運行，并保證澆筑強度。泵送管線布置合理，無漏漿漏氣現象。施工用水、用電無故障。管理、施工及維修人員要有經驗、有能力，配備充足，堅持值班和旁站制度。同時，要有科學合理的應急備用方案，在各個環節出現問題的時候，能夠及時有效地排除解決，保障混凝土的供應，避免出現冷縫。

3）嚴格控制混凝土的攪拌時間

塢口混凝土供應采用現場設置的2臺750雙臥軸強制式和2臺500雙臥軸強制式攪拌機拌制，75 kW電動混凝土地泵和90 kW柴油混凝土地泵直接泵送工藝。按照JTJ268-96《水運工程混凝土施工規范》的規定，普通混凝土的攪拌時間為90 s，因摻加粉煤灰攪拌時間應延長60 s，摻加WG-Ⅱ高效泵送劑和HEA抗裂膨脹劑應延長30～60 s，所以混凝土的攪拌時間控制在3～3.5 min，確保混凝土攪拌均勻。

4）控制混凝土的坍落度

混凝土的坍落度越大，越便于施工，但拌和用水越多，混凝土的各種收縮裂縫必然越多，由收縮裂縫到干縮裂縫以致發展為貫通性有害裂縫的幾率就更大，直接影響到混凝土的抗滲性能，加速鋼筋的銹蝕，降低混凝土結構的耐久性。所以，在施工和易性允許的情況下，盡量降低混凝土的坍落度，以減少混凝土的收縮裂縫。

5）堅持二次振搗和二次抹面

施工時混凝土要振搗均勻，避免出現局部過振形成砂漿集中而導致出現塑性收縮裂縫和干燥收縮裂縫，同時，為了保證混凝土的均勻、密實，消除混凝土內部的缺陷，提高混凝土的抗裂能力，采取二次振搗的措施。在混凝土初凝前后，在水泥晶胚開始形成時進行二次振搗，不僅不會破壞混凝土結構，反而有利于以水泥晶胚為中心形成新的更密實的混凝土結構，有利于混凝土強度的發展。另外在混凝土初凝前后進行二次抹面，針對混凝土面的不同要求分別用木抹子或鐵抹子反復搓壓，使混凝土表面密實，防止因表面水分散失過快引起混凝土塑性收縮裂縫。

6）嚴格控制拆模時間

按照規范要求，在混凝土強度能保證其表面及棱角不因拆除模板而損壞時，方可拆除側模。如果拆模過早，導致蒸發失水過快，易出現塑性收縮裂縫。

7）加強養護

混凝土的水化需要潮濕的環境，潮濕養護可以提高混凝土的早期強度，增強抗裂能力。在混凝土初凝后，立即用塑料薄膜覆蓋，防止水分散失，薄膜上覆蓋土工布，并開始澆水進行保溫保濕養護。特別是對于摻加膨脹劑的混凝土，必須保持表面濕潤狀態，充分發揮膨脹作用，養護期不少于14 d。

8）做好施工縫接茬處理

對已凝結硬化的混凝土表面進行鑿毛，將水泥薄膜、松散石子和軟弱混凝土層鑿除。在繼續澆筑混凝土前，用水充分濕潤和清洗干凈，且不得有積水，再鋪1層高標號水泥砂漿，避免接茬處出現干縮裂縫。同時施工縫處的混凝土加強振搗，使新老混凝土緊密結合。

4 結語

本工程塢口大體積混凝土的防裂從減小混凝土內外溫差、降低外界條件對混凝土變形的約束和提高混凝土自身的抗裂能力等角度出發，在設計、施工中通過采取上述措施，有效地控制了混凝土裂縫的產生，未發現滲漏現象，可為類似工程所借鑒。

[1]TJT268-96，水運工程混凝土施工規范[S].

[2]TJT269-96，水運工程混凝土質量控制標準[S].