ACCROPODETMII 型護(hù)面塊體開裂原因研究

王明軍 龔照龍 吳建平

（1 中交四航工程研究院有限公司)

(2 水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

(3 中交四航局第三工程有限公司）

0 前言

護(hù)面塊體常用于港口碼頭的防波堤，其功能是消浪和護(hù)面。使用功能決定了塊體外形比較復(fù)雜、肢桿較多，加之預(yù)制工程用量大，施工過程中容易出現(xiàn)氣泡、麻面、砂紋以及裂縫等質(zhì)量問題，直接影響混凝土外觀質(zhì)量及使用壽命[1]。尤其是混凝土的裂縫問題，一但混凝土出現(xiàn)有害裂縫，且當(dāng)混凝土處于水位變動(dòng)區(qū)或者水下區(qū)時(shí)，水分、氯鹽等將滲透到混凝土內(nèi)部，在潮水的作用下混凝土將產(chǎn)生浸析作用，在有凍融環(huán)境時(shí)，可能導(dǎo)致凍融破壞；對鋼筋混凝土，則可能導(dǎo)致銹蝕破壞，從而大大降低混凝土的使用壽命。目前國內(nèi)對類似護(hù)面塊體等無筋或者少筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制尚無規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，一但產(chǎn)生裂縫問題，各方的看法也不一。本文針對加納特碼新集裝箱碼頭ACCROPODETMⅡ型護(hù)面塊體，在預(yù)制過程中出現(xiàn)的裂縫問題進(jìn)行了分析總結(jié)，并就減少和防止產(chǎn)生這種裂縫的措施提出了一些看法，也可為同類工程提供一些借鑒。

1 原材料和配合比

原材料及主要指標(biāo)如下：

⑴水泥：GHACEM PORTLAND CEMENT 42.5N，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27%，比表面積294m2/kg，初凝時(shí)間162min，終凝時(shí)間258min，2d 強(qiáng)度25.3MPa，28d 強(qiáng)度50.4MPa；

⑵粉煤灰：顆粒密度176kg/m3，45μm 方孔篩篩余22.3%，Al2O3+Fe2O3+SiO2為90.81%；

⑶砂：表觀密度2.57g/cm3，亞甲藍(lán)值2.8，氯離子含量（NaCl）0.005%，堿活性0.07%，吸水率0.45%；

⑷碎石：4mm～16mm 碎石和16mm～31.5mm 碎石，表觀密度2.89g/cm3，氯離子含量（NaCl）0.002%，堿活性0.06%，針片狀含量17%，洛杉磯磨耗率（LAA）29%，吸水率0.31%；

⑸減水劑：廣州四航材料科技有限公司，聚羧酸減水劑（HSP-V），減水率19%，1d 抗壓強(qiáng)度比172%，28d 抗壓強(qiáng)度比134%；

⑹水：飲用水。

膠凝材料的理化性能及混凝土配合比分別見表1和表2 所示。

2 護(hù)面塊體預(yù)制情況

表1 膠凝材料的理化性能

表2 混凝土配合比

加納特碼新集裝箱碼頭位于非洲最大的人造海港——加納特馬港的西側(cè)，屬熱帶雨林氣候，年最高氣溫在2 月份，約34℃，最低氣溫在8 月，約15℃。全年平均降雨量約2000mm。碼頭防波堤采用ACCROPODETMⅡ型護(hù)面塊體作為擋浪塊體，該塊體采用C30 素混凝土結(jié)構(gòu)，單個(gè)體積約2m3，重量約5t，預(yù)制數(shù)量達(dá)3.7 萬件，通過塊體的環(huán)環(huán)連鎖安裝，能起到良好的消浪和抗沖擊效果。

ACCROPODETMⅡ型護(hù)面塊體強(qiáng)健性好、消浪性好、穩(wěn)定性強(qiáng)，并可單層施工，應(yīng)用非常廣泛，是迄今為止全球最為流行的人工護(hù)面塊體。ACCROPODETMⅡ型護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)尺寸及實(shí)物圖見圖1 所示。

圖1 ACCROPODETMⅡ型護(hù)面塊體

護(hù)面塊體多次澆筑拆模后，除發(fā)現(xiàn)部分氣泡、砂紋等質(zhì)量問題外，每次均發(fā)現(xiàn)在下肢與中部銜接處的內(nèi)角重復(fù)出現(xiàn)裂縫，有時(shí)出現(xiàn)在塊體的一側(cè)，有時(shí)塊體的兩側(cè)均有。經(jīng)測量，該裂縫的長度約為40cm～50cm，抽芯測得的裂縫深度為2mm～8mm，裂縫位置及裂縫形態(tài)見圖2 所示。

圖2 ACCROPODETMⅡ型護(hù)面塊體開裂情況

3 開裂原因討論

為了尋找護(hù)面塊體在同一位置處重復(fù)出現(xiàn)裂縫的原因，達(dá)到減少或者消除固定位置重復(fù)出現(xiàn)裂縫的目的，從混凝土配合比優(yōu)化、溫度場分析與溫度控制、施工工藝優(yōu)化等方面，詳細(xì)探討了開裂的可能原因。

3.1 配合比

通過分析原混凝土配合比發(fā)現(xiàn)，C30 的混凝土水泥用量大、砂率較大，混凝土的28d 強(qiáng)度值富余較多，這可能導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生較大的干縮，由于本護(hù)面塊體是素混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，有可能造成混凝土的開裂。基于此，對混凝土配合比進(jìn)行了初步的調(diào)整。結(jié)果見表3 所示。

原材料中的水泥摻量較大，可能導(dǎo)致混凝土的溫升高。因此在保證砼強(qiáng)度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的前提下，保持膠材總量不變，將粉煤灰的摻量提高到33%，能有效降低混凝土的溫升值；考慮適當(dāng)減小砂率，提高粗骨料用量，能降低混凝土收縮，因此在原配比基礎(chǔ)上減少2%砂率，并優(yōu)化了小石和大石的摻配比例；由于原配合比的強(qiáng)度富余較大，因此在滿足規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書的前提下，適當(dāng)增大了水膠比，增加了單方用水量，降低了外加劑的摻量。經(jīng)優(yōu)化后，混凝土的工作性能及強(qiáng)度均滿足施工和技術(shù)要求。

表3 C30 護(hù)面塊體配合比調(diào)整前后的對比

配合比優(yōu)化后，雖然塊體混凝土的外觀質(zhì)量得到一定改善，但是護(hù)面塊體仍然在相同位置處出現(xiàn)開裂，裂縫的寬度和長度與采用原配合比的護(hù)面塊體差別不大。可知，此裂縫的出現(xiàn)可能與混凝土配合比關(guān)系不大。

15例研究組患者治愈10例（66.66%），有效4例（26.67%），無效1例（6.67%）；15例對照組患者治愈6例（40.00%），有效6例（40.00%），無效3例（20.00%）；研究組臨床有效率為93.33%，對照組臨床有效率為80.00%，研究組的臨床有效率高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。說明在保留灌腸法治療潰瘍性結(jié)腸炎中應(yīng)用舒適護(hù)理，有利于患者的痊愈。

3.2 溫度場及溫控措施

現(xiàn)場施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，混凝土的入模溫度較高，達(dá)到35.9℃，這可能與混凝土原材料的溫度較高有關(guān)。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，水泥入罐溫度高達(dá)69.2℃，粗細(xì)集料溫度在44℃左右，澆筑后測得護(hù)面塊體內(nèi)部最高溫度達(dá)71.7℃，結(jié)果見圖3 所示。

圖3 混凝土中心溫度監(jiān)測結(jié)果

若原材料的入機(jī)溫度較高，就可能導(dǎo)致混凝土的中心溫度較高。由于混凝土在降溫階段將產(chǎn)生溫降收縮，每降低10℃約產(chǎn)生100μξ，當(dāng)混凝土從70℃降至環(huán)境溫度（25℃）時(shí)，約產(chǎn)生450μξ（不考慮徐變變形），而在超慢速荷載條件下（幾天至數(shù)月達(dá)到抗拉強(qiáng)度的速率），考慮徐變變形，混凝土極限拉伸大致在250～300μξ[2]。可見，若降溫速率過快時(shí)，混凝土的降溫收縮產(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就可能導(dǎo)致混凝土的開裂。

為了降低混凝土的內(nèi)部最高溫度，從控制水泥和粗細(xì)集料的入機(jī)溫度入手，盡量控制入模溫度不超過30℃，混凝土內(nèi)部最高溫度不宜大于70℃；采取溫控措施后的混凝土內(nèi)部最高溫度見圖4 所示。

圖4 調(diào)整溫控措施后混凝土中心溫度監(jiān)測結(jié)果

圖5 護(hù)面塊體的模型與溫度場云圖

表4 C30 護(hù)面塊體內(nèi)約束應(yīng)力及抗裂安全系數(shù)

圖6 護(hù)面塊體內(nèi)部溫度模擬值

采用原材料降溫措施后，混凝土的內(nèi)部最高溫度得到了一定程度的降低，但是護(hù)面塊體依然在同一位置處出現(xiàn)裂縫。

為了得到在目前原材料溫度下，混凝土護(hù)面塊體由于自約束應(yīng)力導(dǎo)致的開裂風(fēng)險(xiǎn)，采用midas 軟件對護(hù)面塊體進(jìn)行建模，并得到塊體的內(nèi)部溫度云圖，結(jié)果見圖5 所示。

圖6 所示為護(hù)面塊體的最高溫度、表面溫度和內(nèi)表溫度的模擬值。根據(jù)護(hù)面塊體混凝土內(nèi)表溫差的模擬計(jì)算結(jié)果，計(jì)算內(nèi)表溫差導(dǎo)致的混凝土內(nèi)約束應(yīng)力，最后得到各齡期內(nèi)約束應(yīng)力的抗裂安全系數(shù)Kz，結(jié)果見表4所示。

可以看出，護(hù)面塊體的7d 內(nèi)約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)均大于1.15，內(nèi)約束應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)較小。

雖然實(shí)測的ACC148-167 護(hù)面塊體內(nèi)部的最高溫度為71.7℃，降溫速率為16.1℃/d，均超出了水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程JTS 202-1－2010中的最高溫度不大于70℃，降溫速率不大于2.0℃/d的規(guī)定[3]。但經(jīng)midas 軟件建模模擬分析可知，混凝土的自約束應(yīng)力導(dǎo)致的開裂風(fēng)險(xiǎn)較低。可見，此護(hù)面塊體固定位置處的裂縫與混凝土的內(nèi)部溫度場關(guān)系不大。

3.3 施工工藝

經(jīng)過大量裂縫控制措施的試驗(yàn)，包括優(yōu)化混凝土配合比、降低入模溫度等措施，塊體的外觀質(zhì)量得到較大的改善，但塊體下肢與中部連接處裂縫仍重復(fù)出現(xiàn)。可見，該裂縫與混凝土的配合比以及混凝土內(nèi)部的溫度場變化關(guān)系不大。由于護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塊體多棱角，且存在多處變截面部位，初步分析該裂縫的出現(xiàn)可能與塊體下肢與中部連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中有關(guān)。

如圖7 所示，開有圓孔和帶有切口的構(gòu)件，當(dāng)其受軸向拉伸時(shí)，在圓孔和切口附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力的數(shù)值劇烈增加，而在離開這一區(qū)域稍遠(yuǎn)的地方，應(yīng)力迅速降低而趨于均勻。這種現(xiàn)象，稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中是由于構(gòu)件截面驟然變化（或幾何外形局部不規(guī)則）而引起的局部應(yīng)力驟增現(xiàn)象[4]。

圖7 構(gòu)件應(yīng)力集中示意圖

本工程中的護(hù)面塊體，由于上肢混凝土和中肢混凝土的自重原因，將荷載傳遞到下肢，由于在中肢部位發(fā)生了截面的變化，塊體的下肢與中部結(jié)合部位將產(chǎn)生背向的拉應(yīng)力，尤其是此部位處混凝土多棱角，更容易導(dǎo)致應(yīng)力在此部位集中，當(dāng)此拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，塊體就會(huì)在此部位出現(xiàn)開裂。

因此，決定改裝2 套模板進(jìn)行試驗(yàn)。將塊體模板下肢與中部連接處進(jìn)行切割，切割尺度為長80cm，寬15cm，并重新用鋼板焊接打磨，使原模板下肢與中部連接處交角由159°調(diào)整為170°，以達(dá)到平緩過渡、減少應(yīng)力集中，模板改裝見圖8。

圖8 塊體模板改裝示意圖

圖9 塊體模板改裝效果圖

采用改裝后的模板進(jìn)行塊體預(yù)制，拆模后發(fā)現(xiàn)塊體中部及下肢相接的位置無裂縫產(chǎn)生。反復(fù)試驗(yàn)10 次均無裂縫產(chǎn)生，遂對現(xiàn)場120 套塊體模板全部進(jìn)行改造，改造后的塊體預(yù)制質(zhì)量達(dá)到預(yù)期要求，塊體的外觀質(zhì)量見圖10 所示。

圖10 模板改裝前后裂縫對比圖

將原模板下肢與中部連接處交角由159°調(diào)整為170°，達(dá)到了平緩過渡、減少應(yīng)力集中的作用，從而避免了此部位的應(yīng)力集中，減少了裂縫在此出現(xiàn)的概率。因此，對可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位進(jìn)行倒角處理或者平滑過渡，將有助于分散應(yīng)力，降低應(yīng)力裂縫出現(xiàn)的概率。

4 結(jié)語

對于護(hù)面塊體，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)制數(shù)量大，出現(xiàn)一些表面缺陷，屬正常現(xiàn)象。混凝土的氣泡、砂紋等缺陷可通過調(diào)整配比等措施解決。但是，對于在塊體預(yù)制過程中出現(xiàn)的開裂問題，有時(shí)很難一下子就確定是哪種原因?qū)е碌模@就需要在施工中不斷的去摸索、分析、總結(jié)產(chǎn)生裂縫的原因。這也將對以后的施工作業(yè)起到較好的指導(dǎo)作用。

針對混凝土的應(yīng)力集中裂縫，除了將產(chǎn)生應(yīng)力集中 的部位進(jìn)行倒角或者平緩過渡處理外，對有配筋的混凝土構(gòu)件，還可采用在應(yīng)力集中的部位增設(shè)鋼筋網(wǎng)片或者與裂縫方向垂直的構(gòu)造鋼筋來減少或者消除應(yīng)力集中裂縫。