重力式碼頭胸墻面層約束裂縫防治施工技術(shù)

王剛 鹿平

摘 要：胸墻面層裂縫是重力式碼頭常見(jiàn)的質(zhì)量通病，既影響觀感質(zhì)量，又影響使用壽命。本文對(duì)胸墻面層約束裂縫產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，闡述了通過(guò)減少面層混凝土收縮量、增加混凝土抗拉強(qiáng)度、減小胸墻頂面間約束、在應(yīng)力集中處采取措施等手段，有效減少胸墻面層裂縫。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭 胸墻 面層 約束裂縫 防治

1.引言

重力式碼頭胸墻面層施工，由于不同結(jié)構(gòu)段沉降不均勻，一般預(yù)留20～30cm厚面層，待結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定后再施工。受已澆筑混凝土影響，面層混凝土澆注后會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。本文通過(guò)優(yōu)化唐山港曹妃甸港區(qū)通用散貨三期水工結(jié)構(gòu)工程碼頭胸墻面層施工工藝，達(dá)到了防治約束裂縫產(chǎn)生的目的。

2.工程概況

該工程擬建15萬(wàn)、10萬(wàn)及5萬(wàn)噸級(jí)泊位各1個(gè)，岸線長(zhǎng)855m。碼頭面層單段長(zhǎng)17.5m，寬5.55m，高0.25m。胸墻鋼筋與胸墻面層鋼筋分開，面層鋼綁獨(dú)立扎成上下兩層網(wǎng)片，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40F350。面層頂面預(yù)埋附屬設(shè)施有：系船柱、不銹鋼拖纜槽、軌道槽、排水溝、高壓接電箱井、上水栓井、門機(jī)預(yù)埋件等。

項(xiàng)目部將碼頭胸墻面層裂縫防治列為本工程重點(diǎn)攻關(guān)課題，為此我們對(duì)近年類似工程進(jìn)行了調(diào)研，情況如表1。

綜上可見(jiàn)，產(chǎn)生約束裂縫的因素主要是拌合質(zhì)量、切縫位置、分縫長(zhǎng)度、基層約束、施工季節(jié)等。胸墻面層約束裂縫防治主要從提高混凝土早期抗拉強(qiáng)度、減少收縮量、釋放界面約束應(yīng)力等方面入手。

3.碼頭胸墻面層裂縫機(jī)理

3.1混凝土收縮特性

3.1.1混凝土微觀裂縫

混凝土為復(fù)合型、非均質(zhì)材料，受外部環(huán)境影響逐步硬化的同時(shí)產(chǎn)生體積形變。由于形變是不均勻，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫。這些微裂縫在拉應(yīng)力作用下相互連通，這是混凝土產(chǎn)生裂縫的內(nèi)在原因。

3.1.2混凝土收縮變形特性

3.1.2.1混凝土自生收縮變形

普通硅酸鹽水泥混凝土自生體積變形是收縮變形，礦渣硅酸鹽水泥混凝土自生體積變形是膨脹變形。

3.1.2.2混凝土干縮變形

混凝土處于干燥環(huán)境，內(nèi)部毛細(xì)孔中水分和吸附水蒸發(fā)產(chǎn)生干燥收縮變形。隨著水分蒸發(fā)，濕度分布不均，從而產(chǎn)生收縮應(yīng)力，這是混凝土表面產(chǎn)生裂縫最常見(jiàn)的原因之一。另外，混凝土干縮變形因受到約束而產(chǎn)生約束應(yīng)力，進(jìn)而引起深層裂縫和貫穿裂縫。

3.2混凝土面層裂縫形成機(jī)理

3.2.1混凝土自身特性

混凝土硬化過(guò)程中形成微觀裂縫，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低；混凝土收縮特性導(dǎo)致產(chǎn)生收縮應(yīng)力；水泥發(fā)熱特性使混凝土產(chǎn)生溫度變形，溫差消除后應(yīng)力依然存在。

3.2.2混凝土面層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

混凝土面層是在已澆筑混凝土上澆筑的大面積薄層結(jié)構(gòu)，厚度與長(zhǎng)度比很小，下部已澆筑結(jié)構(gòu)對(duì)面層混凝土收縮變形產(chǎn)生較強(qiáng)約束。一方面，面層由于大面積暴露，水分蒸發(fā)快，干縮變形大；另一方面，胸墻混凝土相對(duì)剛度大，限制了面層混凝土干縮變形，因此在面層產(chǎn)生較大收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度便形成裂縫。

3.2.3混凝土應(yīng)力集中裂縫

坑井是應(yīng)力集中處，也是某個(gè)方向抵抗應(yīng)力薄弱處。混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生徐變，預(yù)埋件受溫度影響在邊角處產(chǎn)生應(yīng)力，超出混凝土極限抗拉強(qiáng)度后即形成裂縫。

4.胸墻面層約束防裂措施

項(xiàng)目部在施工過(guò)程中主要從四個(gè)方面進(jìn)行控制，減小面層和胸墻間約束應(yīng)力、減小并釋放徐變產(chǎn)生的應(yīng)力、增大面層整體抗拉強(qiáng)度、對(duì)應(yīng)力集中處進(jìn)行處理。

4.1減小面層和胸墻間約束應(yīng)力

本工程胸墻面層不承受重載，將碼頭胸墻面層與胸墻主體結(jié)構(gòu)分開，將碼頭胸墻底段鋼筋標(biāo)高下調(diào)25cm。面層鋼筋單獨(dú)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，預(yù)留25cm碼頭面層按照板式配筋。胸墻主體頂面抹平后不鑿毛，以減少胸墻面層約束力。 以上措施降低了混凝土界面約束力，有效保證了胸墻結(jié)構(gòu)整體性。

4.2減小并釋放徐變應(yīng)力

在混凝土水化熱、溫度和日照等影響下，面層混凝土溫度隨著澆筑時(shí)間的差異在不同時(shí)刻出現(xiàn)波峰和波谷。

從圖中可看出下午澆筑的混凝土在0～10h升溫區(qū)間內(nèi)，氣溫正在逐步降低，由于面層屬薄板結(jié)構(gòu)，不存在內(nèi)外溫差過(guò)大的情況，可以認(rèn)為氣溫的降低中和了部分混凝土水化熱的升溫，水化熱峰值相應(yīng)降低。實(shí)驗(yàn)證明，上午澆筑混凝土的情況正好與之相反，氣溫的升高增大了混凝土水化熱峰值。所以上午澆筑面層產(chǎn)生裂縫的概率要大于下午。

綜上所述，第10個(gè)小時(shí)是裂縫最佳控制時(shí)間，最好在下午氣溫逐步下降時(shí)進(jìn)行澆筑，保證0～10h升溫區(qū)間內(nèi)梯度盡量小，應(yīng)變和應(yīng)力隨之減小。同時(shí)切縫必須在混凝土水化熱降溫前進(jìn)行。切縫要在混凝土強(qiáng)度達(dá)到8～10MPa時(shí)進(jìn)行，鋸縫深度為厚度的三分之一，本工程為8cm。

4.3增大面層整體抗拉強(qiáng)度

面層混凝土內(nèi)部設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，增加面層抗拉強(qiáng)度，抵抗胸墻徐變產(chǎn)生的應(yīng)力和面層使用期所產(chǎn)生的應(yīng)力。

4.4減小應(yīng)力集中影響

在坑井預(yù)埋件邊角處設(shè)置切縫，增設(shè)鋼筋網(wǎng)，加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)鋼筋豎向布設(shè)，垂直可能產(chǎn)生裂縫的方向，放置在兩層鋼筋網(wǎng)之間，有效減少邊角處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂縫。

4.5設(shè)置公路防裂貼

胸墻屬于大體積混凝土，施工中會(huì)在頂面產(chǎn)生裂縫，而胸墻整體水化熱和徐變時(shí)間較長(zhǎng)。限于工期要求，面層施工無(wú)法等到胸墻徐變完成后進(jìn)行，故新澆筑面層與仍在徐變的胸墻間產(chǎn)生應(yīng)力。

本工程借鑒公路工程中通常使用的防裂貼，防裂貼工作原理如下：

（1）應(yīng)力吸收作用：促進(jìn)胸墻垂直裂縫向水平方向發(fā)展，減慢裂縫擴(kuò)散到面層的時(shí)間。

（2）抗裂作用：起到抗拉作用，減小裂縫寬度，降低裂縫尖端拉應(yīng)力集中，延緩裂縫向上反射。

（3）隔離作用：將開裂的胸墻與面層隔離，避免開裂面與面層直接接觸，裂縫拉應(yīng)力無(wú)法向上傳遞到面層。

4.6嚴(yán)格控制混凝土拌合物及澆筑質(zhì)量

4.6.1優(yōu)化混凝土配合比

混凝土配合比設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度、耐久性以及施工要求外，還必須考慮混凝土面層裂縫控制等基本要求。混凝土宜選用低熱水泥，水泥用量宜選擇在300kg/m3左右，水灰比宜選擇在0.45以下，細(xì)骨料應(yīng)采用天然中粗砂，避免使用細(xì)砂，取消粉煤灰、礦渣粉等輕質(zhì)摻合料，同時(shí)加入膨脹劑并摻加聚丙烯纖維，減小混凝土收縮，一般混凝土坍落度宜選用30～50mm。

4.6.2嚴(yán)格混凝土澆筑程序

混凝土澆筑應(yīng)避開高溫季節(jié)，若因工期要求需在夏季施工，應(yīng)采取在骨料堆場(chǎng)搭遮陽(yáng)棚和選擇夜間施工等措施。面層澆筑前應(yīng)將胸墻表面用空壓機(jī)吹干凈，并用淡水沖洗覆蓋土工布濕潤(rùn)6小時(shí)以上，使表面達(dá)到飽和面干的狀態(tài)。混凝土攪拌時(shí)間必須滿足《水運(yùn)工程施工規(guī)范》的要求，同時(shí)應(yīng)在混凝土攪拌前將聚丙烯纖維分批灑入罐內(nèi)，攪拌時(shí)間延長(zhǎng)4～5分鐘。運(yùn)輸采用翻斗車運(yùn)輸，道路應(yīng)平整，盡量縮短運(yùn)距，避免混凝土離析。

現(xiàn)場(chǎng)采用人工分灰，不允許出現(xiàn)局部石子過(guò)多或過(guò)少的現(xiàn)象。用滾杠提漿木抹子找平，鐵抹子壓漿抹面。壓漿抹面次數(shù)要根據(jù)混凝土硬化時(shí)間具體確定，硬化時(shí)間越長(zhǎng)，壓漿抹面次數(shù)就要越多，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，不少于4-5次，直至混凝土達(dá)到初凝，聚丙烯纖維壓入混凝土內(nèi)為止。然后用土工布或麻袋片覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)，保證面層始終處于濕潤(rùn)狀態(tài)，避免面層表面干濕交替。

5.防裂效果評(píng)價(jià)

通過(guò)上述措施，胸墻混凝土面層約束防裂效果十分明顯，除護(hù)輪坎出現(xiàn)少數(shù)裂縫外，整個(gè)胸墻面層未出現(xiàn)裂縫，2017年投入使用至今未出現(xiàn)裂縫。

6.結(jié)語(yǔ)

碼頭胸墻混凝土面層約束裂縫的機(jī)理是面層混凝土的干縮變形受到下層已澆筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)約束而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)約束應(yīng)力超過(guò)了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，最終導(dǎo)致面層混凝土開裂。通過(guò)實(shí)踐證明，采取適當(dāng)措施，碼頭胸墻混凝土面層約束裂縫是可以控制和基本消除的，類似工程可借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃沛，金秀坤，王新剛，等.天津港高樁碼頭面層砼裂縫成因分析及裂縫控制技術(shù)措施[J]中國(guó)港灣建設(shè)，2009， （1）：22-24.

[2]肖維，王迎飛.重力式碼頭胸墻面層砼裂縫形態(tài)及控制措施[J]水運(yùn)工程，2015（10）：196-200.