中山港碼頭面板磨耗層裂縫控制關鍵技術研究

黃子其，章嘯，林典新，金宏程

（1. 保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620； 2. 武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

0 引言

中山碼頭磨耗層施工范圍為碼頭主體及上下游棧橋，總面積約為 5800m2。磨耗層設計標高為 +4.55m，設計厚度為梁處 450mm、板處 50mm，混凝土強度等級為 C35。

研究表明，碼頭磨耗層裂縫的成因可大體簡單的劃分為混凝土內部和外部影響因素兩個方面。內部因素主要是裂縫，外部因素有載荷、波浪對碼頭面板的沖擊 等[1-3]。磨耗層現澆混凝土厚度較薄、面積較大，習慣上也歸到大體積混凝土范疇。大體積混凝土所出現的裂縫主要是溫度裂縫和干縮裂縫。此外，混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的 1/10 左右，而且磨耗層板塊比較薄、面積較大，極其容易在受到外荷載或外部作用下產生裂縫。總得來說，碼頭磨耗層開裂現象較為普遍，其開裂的主要原因歸納如下：混凝土配合比設計不合理，導致混凝土收縮大；混凝土施工質量控制不良和養護不到位，導致混凝土頂面浮漿厚、收縮大；當磨耗層混凝土產生收縮（干縮和自收縮等）受到已澆筑碼頭面層的約束，混凝土極易因溫差較大產生的溫度應力和干縮引起的拉應力超過混凝土抗拉強度而開裂，從而對混凝土結構的使用功能、外觀質量和耐久性造成不良影響。目前磨耗層的防裂措施有：優化配合比及優選原材料、處理施工基面、混凝體中摻加纖維、控制混凝土的坍落度、合理布置收縮縫等[4-7]。

針對國內外碼頭磨耗層開裂較為普遍的技術難題，并結合本工程特點，優化混凝土施工配合比，擬采用高性能混凝土并摻入混合纖維的技術措施，以解決磨耗層混凝土易開裂的技術難題，并形成碼頭面板混凝土裂縫控制成套技術，為類似工程碼頭面板的施工提供參考和借鑒。

1 試驗

1.1 原材料

選用江門海螺牌 P·O42.5 水泥，Ⅱ級粉煤灰，西江中砂，5～10mm 和 10～25mm 兩級配花崗巖碎石，JN-ESA 緩凝高效減水劑，JS-BDC 聚乙烯醇纖維和 JSFXW 仿鋼纖維。

1.2 配合比設計要求與原則

磨耗層混凝土的設計要求如下：強度等級為 C35，坍落度控制在 120～160mm，1h 坍損≤20mm，初凝時間≥5h，終凝時間≤8h，無裂紋，無泌水。

為解決磨耗層混凝土的開裂通病，滿足結構耐久性要求，配合比設計以抗裂性為核心，工作性和力學性能并重，其他各項性能均衡發展為原則，應著重考慮：

（1）優選混凝土原材料：選用水化慢、延性較好的水泥以減小開裂；磨耗層混凝土采用級配良好的瓜米石；面層混凝土選用 5～10mm 和 10～25mm 兩級配花崗巖碎石；采用緩凝型高性能減水劑。

（2）混凝土要有良好的工作性，即流動性、粘聚性、穩定性和可塑性。

（3）磨耗層混凝土具有良好的耐磨性能，磨耗層混凝土不宜摻入影響混凝土耐磨性能的粉煤灰。

（4）面層混凝土應摻入適量優質粉煤灰，可有效降低單方水泥用量、砂率、單方用水量，防止混凝土早期強度過快增長，降低混凝土絕熱溫升。

（5）為提高混凝土耐磨性能，磨耗層混凝土宜采用純水泥，選取適合的膠凝材料用量，解決混凝土的溫度變形和化學收縮對早期混凝土開裂的影響。

（6）摻入 PVA 纖維和仿鋼纖維解決混凝土施工中、混凝土塑性收縮裂紋的產生。

2 試驗結果

考慮到現場面層和磨耗層一次性澆筑和分兩次澆筑的工況，分別設計 C35 混凝土配合比如表1。

表1 設計配合比 kg/m3

2.1 工作性能研究

表2 為 1#～6# 的工作性能表，從表2 中可以看出，1# 的初始坍落度為 150mm，符合設計要求的 120～160mm，1h 坍落度為 145mm，符合設計要求的 1h 坍落度損失小于 20mm，初凝時間和終凝時間均符合設計要求。2# 的 1h 坍落度低于 120mm，不符合設計要求，初凝時間和終凝時間符合要求。3# 的 1h 坍落度損失大于 20mm，不符合要求。4# 的初始坍落度為 145mm，符合設計要求的 120～160mm，1h 坍落度為 140mm，符合設計要求的 1h 坍落度損失小于 20mm，初凝時間和終凝時間均符合設計要求。5# 的初凝時間小于 5h，6# 的終凝時間大于 8h，均不符合要求。根據工作性能推薦配合比為 1# 和 4#。

表2 工作性能一覽表

2.2 力學性能研究

表3 為 1#、4# 抗壓強度和劈裂抗拉強度結果。

表3 抗壓、劈裂抗拉強度結果

從表3 中可以看出 1 # 的 7 d 抗壓強度已達 38.4MPa，超過設計強度 35MPa，符合設計要求；從劈裂抗拉強度來看， 其 7 d 劈裂抗拉強度已達 3.23MPa，28d 達到了 4.51MPa。4# 的 7d 抗壓強度已達 39.7MPa，超過設計強度 35MPa，符合設計要求；從劈裂抗拉強度來看，其 7d 劈裂抗拉強度已達 3.00MPa，28d 達到了 4.11MPa。從這兩項指標來看，1# 和 4# 均滿足設計要求。

2.3 混凝土收縮性能研究

收縮試驗按照 GB∕T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中的試驗方法進行。測量混凝土在無外力的作用下，在溫度 (20±2)℃，相對濕度 (60±5)% 的環境中的收縮值。試驗試件尺寸為 (100×100×515)mm3。試驗齡期分別為 1d、3d、7d、14d 和 28d。試驗結果見表4。

表4 干縮試驗結果

從表4 可以看出 4# 的干縮值大于 1#，這是因為加入纖維后，混凝土的塑性收縮受到一定的抑制，總收縮率降低，所以其干縮較小。

2.4 混凝土抗裂性能研究

面板磨耗層混凝土的早期抗裂性能將根據 GB∕T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，采用平板法進行測試。試件尺寸為 (800×600×100)mm3，試驗模具見圖1。

圖1 混凝土早期抗裂試驗模具

在環境溫度為 (20±1)℃、相對濕度為 (60±5)%條件下，進行混凝土的澆筑、振實、抹平過程，成型 30min 后，用風扇保持 (5±0.5)m/s 風速平行超高橋塔高性能混凝土表面與裂縫誘導器吹向試件；利用 ZBL-F101 裂縫寬度觀測儀測量試件從加水攪拌算起的第 24h 時開裂情況，包括裂縫數量、裂縫長度和寬度，并記錄混凝土初裂時間。結果見表5。

表5 抗裂性能

從表5 可以看出，1# 的初裂時間比 4# 長，裂縫最大寬度、平均開裂面積及單位面積上的總開裂面積均小于 4#。一方面是因為加入纖維后，混凝土的塑性收縮受到一定的抑制，總收縮率降低，由此產生的收縮應力減小，裂縫產生的驅動力減小；另一方面是因為，在產生微裂紋之后，由于纖維的亂向分布，可以有效阻止微裂紋的擴展，裂縫需要消耗大量的能量方可突破纖維對其的約束，因此，難以產生對混凝土力學性能與耐久性能有害的寬裂縫，而只能通過形成數量更多的對混凝土力學性能與耐久性能影響更小，甚至可以忽略的細微裂縫來釋放其收縮應力。

2.5 混凝土耐久性能研究

2.5.1 抗滲性能

目前用于檢測混凝土抗滲性能的試驗方法主要是快速氯離子遷移系數法（RCM 法）和電通量法，本研究將采用 RCM 法對面板磨耗層混凝土進行抗滲性能檢測。根據 GB/T 50082—2009 中的規定，混凝土養護齡期宜為 28d，也可根據設計要求選用 56d 或者 84d 養護齡期，試件為直徑 (100±1)mm，高度為 (50±2)mm 的圓柱體試件。本研究中試件養護齡期為 28d，試驗結果見表6。

由表6 數據可以看出，兩組試件 28d 氯離子遷移系數均介于 1.5×10-12～2.5×10-12m2/s 之間，抗滲等級達到 RCM-Ⅳ 級，抗滲性能良好。通過密實骨架堆積方法進行最緊密設計，使粗細集料和粉料之間實現最緊密堆積，同時通過摻加粉煤灰，充分利用其微集料效應與火山灰效應，細化混凝土的孔結構，降低孔隙率，提高其密實程度。從而可以有效阻斷 Cl-的滲透，提高混凝土的抗 Cl-滲透性能。

表6 混凝土氯離子遷移系數測試結果

2.5.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

當混凝土服役環境中硫酸鹽的濃度較大時，硫酸鹽離子將滲透到水泥石內部與一些固相成分發生化學反應，生成難溶的鹽類礦物，這些鹽類礦物一方面可以形成鈣礬石、石膏等膨脹性產物而導致混凝土發生膨脹、開裂和剝落病害，另一方面也將使硬化水泥石中的 Ca(OH)2和水化硅酸鈣等組分溶出或分解，混凝土強度損失，造成混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞。

本研究采用干濕循環法評定混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，以混凝土能夠經受的最大干濕循環次數來表示混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。試驗結果見表7。

表7 混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

從表7 結果可以看出，4# 較 1# 具有更加良好的抗硫酸鹽侵蝕性能，2# 摻加粉煤灰，提高了混凝土密實度，增加了 SO42-向混凝土內部擴散的難度；其次，因為硫酸鹽侵蝕是水泥水化產物中的水化鋁酸三鈣及 Ca(OH)2和 SO42-反應，當用粉煤灰取代部分水泥后，降低了水泥石中 C3A 的含量，減少了鈣礬石生成量。再者，摻入粉煤灰后，其二次水化反應將消耗部分 Ca(OH)2，水泥石中的 Ca(OH)2濃度降低，因此降低了 AFt 形成的可能性。最后，由于二次反應消耗了大量的 Ca(OH)2，水泥石中 Ca(OH)2減少，毛細孔中液相石灰濃度降低，使石膏型侵蝕受阻，即使在 SO42-濃度很高時，石膏結晶的數量也非常有限。

2.6 面板磨耗層混凝土高性能化機理

2.6.1 面板磨耗層水化產物物相分析

圖2 和圖3 分別為 1# 和 4# 在不同齡期的 XRD 圖譜，由圖2 可以看出，兩種混凝土在各齡期的水化產物大致相同，基本都由 Ca(OH)2、AFt、CaCO3等組成，同時還有部分尚未參與反應的 C3S 等水泥礦物。對比圖2 中兩組 XRD 圖譜，在相同齡期下，4# 混凝土的水化產物中，Ca(OH)2、AFt 及 CaCO3生成量均高于 1# 混凝土，而 C3S 的含量則明顯小于普通 C60 自密實混凝土，說明 4# 混凝土中水泥及其他礦物摻合料的水化程度要高于 1# 混凝土。再者，對比兩圖中的 1# 混凝土圖譜可以發現，隨著水化齡期的延長，混凝土中的 AFt 生成量逐漸增加，在水化后期仍然有較多的鈣礬石生成，對混凝土長期收縮起到補償的作用，降低混凝土收縮，減小收縮裂縫產生的可能性，提高混凝土耐久性。

圖2 7d 齡期不同混凝土的 XRD 圖譜

圖3 28d 齡期不同混凝土的 XRD 圖譜

2.6.2 面板磨耗層混凝土微結構研究

通過 SEM 測試手段，研究 28d 齡期兩種混凝土不同部位的微觀形貌特征，詳見圖4 和圖5。圖4 對比了漿體的密實程度，圖5 對比了鈣礬石的生成情況。

圖4 不同混凝土 28d 齡期 SEM 圖譜 1

圖5 不同混凝土 28d 齡期 SEM 圖譜 2

從圖4 可以看出，相較于 1# 混凝土，由于 4# 混凝土中采用摻加了粉煤灰，充分利用火山灰效應，提高漿體密實度，促進了水泥的水化，提高了其水化程度，也使得水化產物 C-S-H 凝膠的致密性更高，孔隙率明顯低于 1# 混凝土。

而圖5 中可以看出，1# 混凝土的孔隙中也有部分鈣礬石生成，但是其生成量明顯不如 4# 混凝土，在 1#混凝土中，鈣礬石對孔隙的填充明顯低于 4# 混凝土，可見鈣礬石的生成在一定程度上降低了混凝土孔隙率，減少了混凝土中大孔的數量，改善了混凝土的空隙結構，進而提高其耐久性。

3 面板磨耗層典型施工驗證

混凝土為自拌，直接運送至施工現場泵送。為滿足施工質量實際要求，磨耗層混凝土采用泵送，坍落度控制在 120～160mm。為了優化磨耗層的施工方法，共設計三種方案（表8），并做試驗段，選取裂紋控制良好，工程成本較低為最終施工方案。

表8 施工方案

方案一現澆面板和磨耗層分層施工，兩者施工間隔時間為≥7 天，僅磨耗層添加聚乙烯醇纖維和仿鋼纖維。方案二施工工藝與方案一相同，唯一區別是現澆面板和磨耗層的施工間隔時間從≥7 天改為≤2 天。方案三現澆面板和磨耗層同時施工，需全部摻入聚乙烯醇纖維+仿鋼纖維，施工方法與方案一基本相同（現澆面板鋼筋網保護層按 5cm 控制，面板保護層+磨耗層素混凝土厚度共計 10～13cm）。

試驗塊澆注完成并在 60d 齡期內，未發現有可直接目測的裂紋（檢查方法為水濕潤后待干觀察）。其中，方案一磨耗層在施工完成 2 個月后就陸續開始出現微細裂紋，1～2 周內發展到 4 條長 20～50cm、寬度≤0.2mm、深度≤5mm 的微細裂紋，之后不再發展。此方案未達到試驗效果，不建議使用。

方案二施工完成 100 天內未發現裂紋。此方案施工工藝較為復雜，但成本較低。方案三施工完成 100 天內未發現裂紋。此方案施工工藝最為成熟，但成本較高。綜合各方面因素，推薦使用方案二進行施工。

4 結語

針對中山港碼頭磨耗層開裂的技術難題并結合本工程特點，通過采用高性能混凝土并摻入纖維的技術措施，解決了磨耗層混凝土易開裂的技術難題，設計制備出工作性能、收縮性能、抗開裂性能符合要求的高性能混凝土，并通過典型施工驗證，推薦使用方案二進行施工，即現澆面板和磨耗層分層施工，兩者施工間隔時間為≤2 天，僅磨耗層添加聚乙烯醇纖維和仿鋼纖維。