港口與航道工程大體積混凝土施工裂縫控制

曹文達

（中交第四航務工程局有限公司，廣州510200）

1 引言

港口與航道工程在建設過程中，面臨的施工環境復雜多變，為使得大體積混凝土的結構施工可以達到預期標準，除了要遵循相應的施工規范外，還需要結合工程現場的情況，進行流程優化和工藝創新，從溫度因素、施工因素、技術因素等方面著手，最大程度上降低大體積混凝土裂縫出現的概率。

2 港口與航道工程中大體積混凝土施工特點

港口航道工程的建設施工任務艱巨，大體積混凝土施工對工程功能和安全有著至關重要的影響。由于此類工程處于水環境中，結構構件長時間與水接觸或者受到水的侵蝕，如果依舊采用常規的混凝土施工技術，將無法達到預期的施工目標，而大體積混凝土施工作業恰好可以解決這些方面的問題。

大體積混凝土施工作業有以下幾個方面的施工特點：（1）體積龐大，這一結構特點使得在開展港口航道工程建設時，結構接觸面積相對較大，也就減少了斷面上的混凝土材料使用；（2）澆筑施工難度大，大體積混凝土與普通混凝土相比，其澆筑工作面臨著很多的難題，為提高澆筑施工效果，一般要遵循分量、分縫、分層的原則，以控制單次澆筑時的混凝土用量；（3）外界溫度對施工的影響巨大，為達到良好的施工效果，施工的全過程中往往要進行內外溫差的科學調整。

3 港航工程大體積混凝土產生裂縫的原因

3.1 外界氣溫變化

對于大體積混凝土結構而言，因為其結構體積龐大，在澆筑施工環節，澆筑溫度始終隨著外界氣溫的變化而出現明顯的波動，在氣溫急劇下降的情況下，混凝土內外部的溫差異常增大，而這種溫度差異將導致混凝土結構無法保持其完整性。在巨大的溫差條件下，勢必會導致大體積混凝土出現溫度變形，同步產生一定的溫度應力，在溫差越大的情況下，也意味著其溫度應力相對較大，出現裂縫的概率也相對較高[1]。

3.2 混凝土收縮

對大體積混凝土結構而言，在混凝土中大約有20%的水分是水泥硬化時的必需水分，而剩余的水分則要滿足蒸發需求，一旦存在多余的水分蒸發情況，大體積混凝土中將產生體積收縮的問題。從混凝土收縮的原因和機理來分析，當大體積混凝土出現了體積收縮現象，會導致在混凝土結構內部同步產生巨大的收縮應力，加劇混凝土裂縫的形成。而混凝土收縮性從源頭上是由水泥種類、混凝土配合比、外加劑種類和施工工藝等因素決定。

3.3 水泥水化熱

水泥是混凝土中不可或缺的材料。由于水泥的性質特殊，當其處于水化條件下時，勢必伴隨著巨大的熱量釋放。與常規的混凝土結構相比，大體積混凝土的結構斷面厚度大但其表面系數卻相對較小，這就使得其在水泥水熱化的過程中，所產生的熱量在結構內部過度聚集，而無法在短時間內散失出去，隨著熱量的集聚，混凝土的內外部溫差異常增大，從而伴隨著溫度應力、收縮應力的產生。大體積混凝土結構施工的結構裂縫正是降溫和收縮所導致。在降溫條件下，存在著一定的外部約束，將增大貫通裂縫的形成概率；而收縮將引起混凝土的自約束應力，引起表面裂縫。

3.4 約束條件

在大體積混凝土的施工作業中，混凝土澆筑后早期溫度急劇升高，混凝土膨脹勢必會受到巨大的地基約束而同步產生一定的壓應力，而在后期，溫度急劇下降，混凝土收縮同樣受到地基約束而形成拉應力。混凝土結構的抗壓性能超過其抗拉性能，使得混凝土在受壓的情況下幾乎不會出現裂縫，而在受拉情況下，因為拉應力高于抗拉強度，就會在混凝土結構中出現垂直裂縫。

4 港口與航道工程大體積混凝土的裂縫控制

4.1 設計措施

4.1.1 優化結構設計

為減少大體積混凝土中裂縫的出現，在開展大體積混凝土結構設計時，要以結構特點、使用環境和壽命要求等作為設計前提，選擇最符合港口航道工程的結構形式，并確保大體積混凝土結構構造措施、強度等級的科學性。港口航道工程為大規模項目，在開展總體的結構設計時，應采用相對簡單的結構形式，如果大體積混凝土的結構形式復雜，后續出現結構突變現象，可能會存在著應力集中的問題，導致基礎約束過大，增大裂縫出現的概率。即使在相對簡單的結構形式下，也應進行相應的變縫設置。結構優化設計的過程中，同樣要開展溫度場計算和溫度應力分析，根據這些因素對結構的直接影響，對結構中的薄弱部位進行對應的優化[2]。

4.1.2 合理進行溫控設計

溫控設計應注意以下要點：（1）大體積混凝土施工作業開始之前，應根據總體的施工標準和要求，選擇高性能、高質量的原材料，在配合比設計的過程中，始終堅持絕熱溫升低、抗裂性能好的原則；（2）在滿足混凝土性能的基本前提下，減少在單位范圍內的用水量；（3）所使用的混凝土應具備低砂率、低坍落度和低水膠比的特征，在混合料中添加一定的減水劑和高性能引氣劑；（4）減少混凝土中的水泥用量，摻加粉煤灰替代部分水泥的作用，控制水泥水化熱對混凝土造成的不利影響；（5）做好開裂敏感性試驗，根據試驗結果來采取恰當的方式，避免混凝土早期升溫速率過快[3]。溫控設計的過程中，可利用試驗或者有限元分析的方式，來對大體積混凝土的出機口溫度、澆筑溫度、內部最高溫度和溫度應力等參數加以精準計算，根據計算結果來采取相應的措施，將溫度控制在正常標準下，溫控措施可選用測溫元件、應變測試元件、冷卻水管等的埋設，塊石與減水劑的摻加等方式，使得在澆筑階段，澆筑溫度可以保持在5～30℃，而內外部溫差不超25℃。

4.2 施工措施

4.2.1 嚴把材料質量關和配比關系

港口航道工程的大體積混凝土施工作業中，材料質量是否達標，將直接影響大體積混凝土的結構性能。因此，在裂縫控制方面，既要從原材料的質量控制出發，還要結合結構要求，進行相應的配合比設計。施工企業在開展施工建設時，應加強對各種原材料的采購管理和質量驗收，質量驗收不通過的材料嚴禁被應用于混凝土施工，在材料采購時應選用性能合格的材料，比如，在水泥的選用方面，應使用中低熱水泥，嚴禁使用早強水泥，所選水泥的鋁酸三鈣含量和比表面積指標都應該處于限值范圍以內。在混凝土的配合比設計階段，應開展試配試驗，根據試驗結果的對比與分析來確定最佳的配合比，通過科學的配合比設計來控制混凝土的水灰比、坍落度等指標。在混凝土攪拌時，嚴格控制每種原材料的用量。為避免在混凝土施工中膠凝材料過細所引起的混凝土溫升問題和裂縫問題，在混凝土混合料中可摻加一定的Ⅲ級粉煤灰或者粒子化高爐礦渣，以改善混凝土性能。粗骨料作為混凝土中的關鍵材料，在粗骨料選擇上，應選用大粒徑粗骨料，并對含泥量和堿活性加以科學控制，通過使用線膨脹系數比較小的碎石，來減小混凝土的溫度應力。

4.2.2 混凝土施工溫度控制

施工溫度的控制可以在很大程度上起到裂縫預防的作用。具體的溫度控制可從以下方面來開展：（1）出機口溫度控制。如果港口航道大體積施工面臨的是熱天夜間的施工條件，需將水泥和骨料的溫度控制在較低的狀態下，通過低溫水、冰水攪拌的方式來實現；如果處于冷天施工，可通過料場遮蓋、拌和水加熱的方式；適當提高澆筑效率，以控制混凝土澆筑面的暴露時間。（2）內部最高溫度控制。對這一溫度參數的控制，可通過降低澆筑溫度、摻加緩凝劑、延長凝結時間、分層澆筑、冷卻水管埋設等方式來實現。（3）在無筋或者少筋的大體積混凝土中埋設塊石，但在受拉區域內嚴禁埋設，且埋設的塊石必須要沖洗干凈并做好潤濕處理，控制塊石的埋設總量。（4）加強對澆筑溫度、內部溫度、環境溫度等的監測，一旦發現異常情況，及時采取對應的溫控處理方式。

4.2.3 混凝土澆筑控制

大體積混凝土的澆筑環節，應結合振搗和入模條件，將分層厚度控制在正常標準內，嚴禁澆筑環節出現集中傾倒沖擊模板或者鋼筋骨架的現象。在初凝之前必須要完成混凝土的運輸、澆筑與振搗，整個澆筑工作要連續開展，嚴禁出現冷縫。工程實踐中，應該對模板加以檢查，根據檢查來判斷模板中是否存在變形、松動、跑漿、跑模等現象。混凝土振搗工作應規范開展，以提高混凝土密度，通過二次振搗工藝的應用，在初凝之前開展再次的振搗處理，在提升混凝土強度的同時提升其結構抗裂性[4]。通過二次抹面工藝的使用，在初凝之前在混凝土表面由專業人員開展二次抹面，并及時覆蓋保濕。

4.2.4 混凝土養護和測溫

養護是大體積混凝土施工不可忽視的環節。當澆筑作業全面完成以后，就要立即進入養護環節，以通過保溫處理的方式，來實現對混凝土塊體內外溫差的控制，降低塊體所存在的自約束應力，經由草席、塑料包裹和覆蓋，減小混凝土的降溫速率，使得混凝土濕度符合結構施工要求。蓄水、灑水和噴霧養護時，水溫和混凝土表面溫度應保持在15℃以內，養護時間應嚴格根據結構施工要求和混凝土性能來確定。

5 應用實例

以某港口工程為例，該工程的碼頭主體結構為現澆重力式碼頭，長1 000 m，碼頭底板厚、墻身高分別為1.1 m、11.1 m，屬于大體積混凝土施工作業。根據對碼頭工程現場的情況分析，最終選用的是圍堰干地施工方法，主體結構的施工中，施工周期漫長，跨越了汛期和冬季，裂縫頻發，在此工程中的裂縫控制是關鍵。

此工程項目實施中采用的是C25素混凝土，在混合料的配制中，選用的是P·O42.5水泥，并在其中摻加15%的Ⅰ級粉煤灰。為提高混凝土的各方面性能，在混凝土配制的過程中，將骨料的含泥量控制在正常的標準內，選用聚羧酸系高性能引氣減水劑。在冬季施工作業進行中，對混凝土的配合比加以適當調整，在混凝土中添加一定的防凍劑。底板、墻身的混凝土澆筑進行分段、分層實施，并嚴格根據總體的結構施工要求來進行施工縫的設置，并檢驗模板設計是否合理，結合對應的試驗結果來進行混凝土溫度應力的科學分析。

6 結語

大體積混凝土施工是港口航道工程中的重點和難點。為提高混凝土性能，降低混凝土裂縫出現的概率，在開展施工作業的過程中，工程人員應結合結構施工的具體要求，來進行對應的大體積混凝土結構設計優化，加強對各個環節施工工藝的選擇、質量控制，提升工程結構質量，推動我國航運事業的可持續發展。