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(xué)，湖北 武漢 430033；2.寧波市交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)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(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25P6。塢口尺寸長(zhǎng)×寬為18 m×61 m。沿船塢縱向分為門內(nèi)段8 m、門檻段4 m和門座段6 m。兩側(cè)塢墩寬均為8 m，兩塢墩之間凈距45 m，塢口結(jié)構(gòu)總寬度61 m，塢墩前沿均向兩側(cè)伸出翼墻，長(zhǎng)度為3 m，厚度自1.5 m過(guò)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(biāo)高均為-10.50 m，門內(nèi)段和門座段頂標(biāo)高為-8.00 m，門檻段頂標(biāo)高為-7.20 m，塢墩頂標(biāo)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(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心方樁，樁長(zhǎng)17.5～29.5 m。樁頂混凝土伸入底板結(jié)構(gòu)50 mm，主筋伸入底板結(jié)構(gòu)大于500 mm。

2 混凝土產(chǎn)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(jié)合本工程的特點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)的分析，認(rèn)為以下幾點(diǎn)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(chǎn)生防治帶來(lái)很大困難。

2）塢口結(jié)構(gòu)尺寸大，基礎(chǔ)采用樁基結(jié)構(gòu)，可能會(huì)因不均勻沉降導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。

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

4）混凝土供應(yīng)采用泵送工藝，具有較好的連續(xù)性，但同時(shí)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(chǎn)生帶來(lái)難度。

3 混凝土防裂措施

混凝土的裂縫主要是由溫差過(guò)大、混凝土的收縮和外力約束造成的，所以混凝土的防裂應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：一是設(shè)法減小混凝土內(nèi)外溫差；二是降低外界條件對(duì)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(nèi)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(jìn)行澆筑，可以將水化熱從時(shí)間和空間上分散開來(lái)，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(nèi)外溫差。考慮到基坑開挖對(duì)圍堰穩(wěn)定性、安全性的影響，先進(jìn)行兩側(cè)塢墩的施工，塢口底板澆筑按照B板、A板、C板的順序進(jìn)行施工，并且B板與塢墩一層同時(shí)施工，閉合塊C板在兩側(cè)塢墩和A板結(jié)構(gòu)完工后進(jìn)行澆筑，塢口混凝土結(jié)構(gòu)分段、分層澆筑見(jiàn)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(nèi)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(shí)長(zhǎng)，能起到降低水化熱溫升和削減溫升峰值的作用。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和認(rèn)真比選，本工程采用了北侖電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰。根據(jù)配合比試驗(yàn)，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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出主要技術(shù)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?jié)B能力。

②增塑：對(duì)水泥分散效果顯著，能大幅度提高混凝土的流動(dòng)性，比基準(zhǔn)混凝土坍落度增加11 cm左右，同時(shí)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(shí)間延長(zhǎng)2～4 h，水化熱降低20%左右。

3）摻加塊石。塊石體積穩(wěn)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(zhǎng)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(rùn)。由于受施工限制，塊石摻量?jī)H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(nèi)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(yáng)，并進(jìn)行灑水降溫。水泥提前出廠，經(jīng)過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)水泥倉(cāng)庫(kù)貯存降至自然溫度。攪拌用水采用自來(lái)水，邊攪拌邊供應(yīng)。

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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，夜間混凝土的出機(jī)溫度一般比白天低3℃左右。

3.1.4 加強(qiáng)保溫，控制溫差

1）混凝土測(cè)溫。為了掌握混凝土內(nèi)部溫度的變化情況，及時(shí)采取保溫、散熱等技術(shù)措施，對(duì)塢口混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)以真實(shí)反映混凝土塊體的內(nèi)外溫差、降溫速率和環(huán)境溫度為原則。每段每層平面位置上測(cè)點(diǎn)不少于3點(diǎn)，垂直方向上不少于3點(diǎn)。測(cè)溫設(shè)備采用JDC-2建筑電子測(cè)溫儀。在混凝土澆筑前的指定位置埋設(shè)測(cè)溫元件，通過(guò)測(cè)溫導(dǎo)線與測(cè)溫儀連接，該方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、費(fèi)用低。測(cè)溫時(shí)間從混凝土澆筑日起每隔2 h測(cè)溫1次，3 d后每隔4 h測(cè)溫1次。

2）保溫措施。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，混凝土中心溫度和表面溫度之差控制在20～30℃以內(nèi)，一般可以防止有害裂縫的產(chǎn)生。按照J(rèn)TJ268-96《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》的規(guī)定，以內(nèi)外溫差不超過(guò)25℃的標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)散及延緩混凝土內(nèi)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(shè)置豎向施工縫

塢口底板長(zhǎng)度為45 m，加上兩側(cè)塢墩各8 m，總計(jì)61 m，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較大，又因基礎(chǔ)為樁基結(jié)構(gòu)，塢墩與底板的混凝土量差值大，可能會(huì)引起不均勻沉降，產(chǎn)生貫穿裂縫。通過(guò)設(shè)置閉合塊（即C板，共2塊）的方法，進(jìn)行分段澆筑，減小了混凝土一次澆筑的長(zhǎng)度，并且閉合塊在塢墩、底板A段與B段完工沉降穩(wěn)定后進(jìn)行澆筑，降低了因不均勻沉降而引起的基底約束應(yīng)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(zhǎng)而增加，間歇期越長(zhǎng)，對(duì)新澆混凝土的約束也越大。通過(guò)合理地組織生產(chǎn)，在下層混凝土的溫度峰值過(guò)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(huán)境溫度較高，給混凝土的防裂帶來(lái)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(guān)鍵。

3.3.1 摻加膨脹劑

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，江西武冠新材料股份有限公司生產(chǎn)的WG-HEA抗裂膨脹劑對(duì)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(nèi)摻法加入了HEA抗裂膨脹劑。

1）HEA抗裂膨脹劑的特點(diǎn)。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(chǎn)物反應(yīng)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(chǎn)生0.2～0.8 MPa預(yù)應(yīng)力，能有效補(bǔ)償混凝土的收縮。同時(shí)水化形成的大量礦相具有填充混凝土毛細(xì)孔縫的作用，使毛細(xì)孔變細(xì)、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(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 HEA抗裂膨脹劑化學(xué)組成 %

從表1可以看出，HEA中基本不含氯離子，對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕作用，堿含量低，不會(huì)引起堿—集料反應(yīng)。

3）HEA抗裂膨脹劑的水化反應(yīng)。

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(yīng)方程式可知，早期膨脹源由煅燒鈣質(zhì)成分提供，中期由鈣礬石產(chǎn)生膨脹，后期由煅燒的鎂質(zhì)成分提供，三個(gè)膨脹源有機(jī)結(jié)合取長(zhǎng)補(bǔ)短，可獲得較大的早期膨脹、適宜的中期膨脹和穩(wěn)定的后期膨脹，較好地補(bǔ)償混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)用的效果。

①采用內(nèi)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(yīng)的水化熱；二是HEA的膨脹量不僅不降低混凝土強(qiáng)度，還略有提高。現(xiàn)場(chǎng)抽取的35組混凝土試塊28 d平均強(qiáng)度達(dá)到mfcu=33.9 MPa，強(qiáng)度最小值fcu，min=25.8 MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差sfcu=4.63 MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的平均水平σ0=4.5 MPa，均能同時(shí)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(duì)于泵送混凝土來(lái)說(shuō)，泌水性能是一個(gè)很重要的指標(biāo)，泌水性能差會(huì)導(dǎo)致混凝土的分離，影響混凝土的可泵性。

③HEA不會(huì)縮短混凝土的凝結(jié)時(shí)間。

④通過(guò)東塢墩底層與水泵房底層混凝土測(cè)點(diǎn)溫度的對(duì)比情況看（見(jiàn)表2、圖2、圖3），東塢墩測(cè)點(diǎn)溫度比水泵房更有利于混凝土不產(chǎn)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(gè)實(shí)體，而水泵房底層平面尺寸大，隔墻多，散熱面積大，這說(shuō)明HEA起了重要作用。HEA能使混凝土水化熱放熱峰值出現(xiàn)時(shí)間由原來(lái)的2～3 d延長(zhǎng)到4～7 d，并使放熱峰值降低10～20℃。同時(shí)，在東塢墩混凝土因保溫不到位，致使內(nèi)外溫差超過(guò)40℃時(shí)，混凝土沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明了HEA使混凝土產(chǎn)生適度膨脹，抵抗了溫度應(yīng)力的影響，并且補(bǔ)償了混凝土的收縮，避免出現(xiàn)收縮裂縫。

表2 東塢墩與水泵房底層混凝土測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比情況

圖2 東塢墩底層與水泵房底層混凝土溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 東塢墩與水泵房底層混凝土測(cè)溫曲線圖

5）生成的針棒狀晶體隨著水泥石結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，逐步地在水泥石構(gòu)架中搭接延伸，有效地堵塞了空隙和切斷了毛細(xì)管通道，使結(jié)構(gòu)更加致密而大大降低了滲透系數(shù)，提高混凝土的抗?jié)B性能。經(jīng)試塊檢測(cè)，混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)普遍提高2個(gè)等級(jí)以上，達(dá)到P8要求。

因此對(duì)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(shù)措施。

3.3.2 設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)片

塢口混凝土的凈保護(hù)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(jié)構(gòu)主筋外側(cè)設(shè)置一層雙向φ6@100 mm×100 mm抗裂鋼筋網(wǎng)片，凈保護(hù)層為30 mm。

3.3.3 提高混凝土施工質(zhì)量

1）掌握天氣的變化

混凝土施工盡量避開高溫階段，將時(shí)間放在傍晚及夜間，雷雨天氣不澆筑，并在現(xiàn)場(chǎng)備好防雨抽水設(shè)備。

2）做好施工準(zhǔn)備與應(yīng)急預(yù)案

為保證大體積混凝土供應(yīng)的連續(xù)性，避免出現(xiàn)冷縫，施工前要做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。原材料儲(chǔ)備充足、檢測(cè)合格及降溫到位。攪拌設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備能夠正常運(yùn)行，并保證澆筑強(qiáng)度。泵送管線布置合理，無(wú)漏漿漏氣現(xiàn)象。施工用水、用電無(wú)故障。管理、施工及維修人員要有經(jīng)驗(yàn)、有能力，配備充足，堅(jiān)持值班和旁站制度。同時(shí)，要有科學(xué)合理的應(yīng)急備用方案，在各個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，能夠及時(shí)有效地排除解決，保障混凝土的供應(yīng)，避免出現(xiàn)冷縫。

3）嚴(yán)格控制混凝土的攪拌時(shí)間

塢口混凝土供應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的2臺(tái)750雙臥軸強(qiáng)制式和2臺(tái)500雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制，75 kW電動(dòng)混凝土地泵和90 kW柴油混凝土地泵直接泵送工藝。按照J(rèn)TJ268-96《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》的規(guī)定，普通混凝土的攪拌時(shí)間為90 s，因摻加粉煤灰攪拌時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)60 s，摻加WG-Ⅱ高效泵送劑和HEA抗裂膨脹劑應(yīng)延長(zhǎng)30～60 s，所以混凝土的攪拌時(shí)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(fā)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?jié)B性能，加速鋼筋的銹蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)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(jiān)持二次振搗和二次抹面

施工時(shí)混凝土要振搗均勻，避免出現(xiàn)局部過(guò)振形成砂漿集中而導(dǎo)致出現(xiàn)塑性收縮裂縫和干燥收縮裂縫，同時(shí)，為了保證混凝土的均勻、密實(shí)，消除混凝土內(nèi)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(shí)進(jìn)行二次振搗，不僅不會(huì)破壞混凝土結(jié)構(gòu)，反而有利于以水泥晶胚為中心形成新的更密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)，有利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。另外在混凝土初凝前后進(jìn)行二次抹面，針對(duì)混凝土面的不同要求分別用木抹子或鐵抹子反復(fù)搓壓，使混凝土表面密實(shí)，防止因表面水分散失過(guò)快引起混凝土塑性收縮裂縫。

6）嚴(yán)格控制拆模時(shí)間

按照規(guī)范要求，在混凝土強(qiáng)度能保證其表面及棱角不因拆除模板而損壞時(shí)，方可拆除側(cè)模。如果拆模過(guò)早，導(dǎo)致蒸發(fā)失水過(guò)快，易出現(xiàn)塑性收縮裂縫。

7）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

混凝土的水化需要潮濕的環(huán)境，潮濕養(yǎng)護(hù)可以提高混凝土的早期強(qiáng)度，增強(qiáng)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(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。特別是對(duì)于摻加膨脹劑的混凝土，必須保持表面濕潤(rùn)狀態(tài)，充分發(fā)揮膨脹作用，養(yǎng)護(hù)期不少于14 d。

8）做好施工縫接茬處理

對(duì)已凝結(jié)硬化的混凝土表面進(jìn)行鑿毛，將水泥薄膜、松散石子和軟弱混凝土層鑿除。在繼續(xù)澆筑混凝土前，用水充分濕潤(rùn)和清洗干凈，且不得有積水，再鋪1層高標(biāo)號(hào)水泥砂漿，避免接茬處出現(xiàn)干縮裂縫。同時(shí)施工縫處的混凝土加強(qiáng)振搗，使新老混凝土緊密結(jié)合。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程塢口大體積混凝土的防裂從減小混凝土內(nèi)外溫差、降低外界條件對(duì)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(fā)，在設(shè)計(jì)、施工中通過(guò)采取上述措施，有效地控制了混凝土裂縫的產(chǎn)生，未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，可為類似工程所借鑒。

[1]TJT268-96，水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范[S].

[2]TJT269-96，水運(yùn)工程混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[S].