加納漁港項(xiàng)目預(yù)制方塊大體積混凝土裂縫防控

◎?qū)O國(guó)輝 張皓銘 中國(guó)港灣西部非洲區(qū)域公司 中交一航局第五工程有限公司

1.研究背景

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的提出和第七屆中非合作論壇北京峰會(huì)的順利召開(kāi)，國(guó)家持續(xù)加大投資支持非洲基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，帶動(dòng)了大批建筑企業(yè)走進(jìn)非洲，各類大型項(xiàng)目紛紛提上日程，大體積混凝土作為大型建筑及設(shè)備等的基礎(chǔ)，應(yīng)用越發(fā)廣泛。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大、混凝土方量多，前期施工時(shí)不承受設(shè)計(jì)荷載，投入使用后由外荷載引起裂縫的可能性也很小。但在施工澆筑過(guò)程中，混凝土因水化熱溫升產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、基底約束和混凝土收縮的共同作用，會(huì)產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)混凝土容許拉應(yīng)力后將出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)使用的安全性和耐久性。采取適當(dāng)措施，做好裂縫防控，是大體積混凝土施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

2.工程概況

加納漁港項(xiàng)目是中加兩國(guó)政府重點(diǎn)合作框架項(xiàng)目，主要工作內(nèi)容為加納沿海地區(qū)10處漁港的改擴(kuò)建及后方配套漁業(yè)設(shè)施的修建，包括碼頭、防波堤、港池及航道疏浚、后方陸域回填、進(jìn)場(chǎng)道路、房建及配套水電等施工。其中碼頭為重力式素混凝土方塊碼頭，工程量約1800塊，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30。碼頭底部方塊（最大）為F型，尺寸4.25m×2m×1m；頂部方塊（最?。锳型，尺寸2m×2m×1m，方塊最小截面尺寸為1m，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量控制為本工程工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)，施工前需進(jìn)行大體積混凝土水化熱計(jì)算。

本文以尺寸最大的F型方塊為研究對(duì)象，使用Madas Civil建立有限元模型進(jìn)行理論分析，并在施工過(guò)程中通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)加以驗(yàn)證。

3.水化熱計(jì)算

3.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免使用早強(qiáng)、水化熱較高、C3A含量較高和細(xì)度過(guò)小，早期發(fā)熱過(guò)快的水泥，宜優(yōu)先選用水化熱低的礦渣硅酸鹽水泥，同時(shí)宜摻入粉煤灰/礦渣等膠凝材料來(lái)降低水泥用量；為提高混凝土耐久性和減少用水量，改善混凝土和易性，降低絕熱溫升，混凝土中應(yīng)摻加適量的高效減水劑，減水劑的減水率應(yīng)大于20%；骨料應(yīng)沒(méi)有堿活性并具有較低的熱脹系數(shù)，宜采用石英巖卵石破碎成的礫石，所用砂子為石英砂。因加納地區(qū)建材市場(chǎng)較為單一，本項(xiàng)目水泥選用普通硅酸鹽水泥，同時(shí)摻入進(jìn)口的Ⅱ級(jí)粉煤灰及高效減水劑。

根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書要求及前期委托加納高速公路局試驗(yàn)室所做混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果，確定混凝土配合比（水膠比0.42）為：水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石（4～16mm）∶碎石（16～31.5mm）∶水∶高效減水劑=239kg∶103kg∶762kg∶340kg∶793k g∶144kg∶5kg。

3.2 混凝土材料特性

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）》（GB 50010-2010）及查詢相關(guān)資料，獲得混凝土特性參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 混凝土特性參數(shù)

3.3 邊界條件

本工程方塊為預(yù)制構(gòu)件，為降低底模對(duì)混凝土的約束作用及加塊熱量散播，底模及側(cè)模均采用6mm厚鋼模板，鋼模板導(dǎo)熱系數(shù)為：λ=163.29 kJ/（m·h·℃），鋼模板表面光滑，按平均風(fēng)速2m/s考慮，鋼模板在空氣中的放熱系數(shù)為β=49.41 kJ/（m?h?℃），混凝土側(cè)面與底面的等效放熱系數(shù)為：

式中：h為鋼模板厚度，m。

3.4 建模

根據(jù)以上參數(shù)及方塊實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸建立Midas Civil有限元模型，按全尺寸進(jìn)行模擬。整個(gè)模型共3619個(gè)節(jié)點(diǎn)、2880個(gè)單元。方塊為具有一定傳熱速率的結(jié)構(gòu)，定義其澆筑的時(shí)間差距，根據(jù)計(jì)算結(jié)果觀察其各個(gè)階段方塊內(nèi)部的溫度、應(yīng)力變化。

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

（1）溫度變化分析。通過(guò)對(duì)實(shí)體有限元模型分析計(jì)算，可看出方塊在澆筑40h左右，混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最高值55.8℃，滿足溫升不超過(guò)入模溫度50℃的規(guī)范要求。方塊內(nèi)表最大溫差約11℃，滿足內(nèi)表溫差不大于25℃的規(guī)范要求。

（2）應(yīng)力分析。混凝土的許用應(yīng)力一直大于溫度應(yīng)力，表明溫度應(yīng)力的作用不會(huì)使混凝土產(chǎn)生裂縫。

4.施工方案

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可知，此方塊在未采取“內(nèi)降外保”的措施下，內(nèi)表溫差及表面溫度應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，方塊混凝土不會(huì)因溫度應(yīng)力發(fā)生裂縫。為確保實(shí)際施工條件與模擬條件相匹配、確保混凝土澆筑質(zhì)量和控制混凝土澆筑后的內(nèi)表溫差，經(jīng)分析討論，決定采取以下措施：

（1）嚴(yán)格控制混凝土原材料質(zhì)量，按技規(guī)要求對(duì)原材料進(jìn)行送檢，并不定期抽查料源地及拌合站原材質(zhì)量和拌和設(shè)備性能，確保拌合物質(zhì)量。

（2）降低原材料溫度，水泥、粉煤灰前提前一周裝入罐內(nèi)，確保拌合前水泥溫度不高于60℃；當(dāng)氣溫較高時(shí)，采用搭涼棚，堆高骨料、底層取料和用涼水噴淋骨料等方法降低骨料溫度，必要時(shí)摻加冰水拌和混凝土；加快運(yùn)輸和澆筑，減少混凝土在運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中的溫度回升，確保新伴混凝土入模溫度滿足技規(guī)要求。

（3）嚴(yán)格控制新拌混凝土坍落度，采用專用混凝土運(yùn)輸車以減少運(yùn)輸過(guò)程中的坍落度損失，確?；炷梁鸵仔粤己?，杜絕發(fā)生分層、離析和泌水等現(xiàn)象。

（4）混凝土澆筑在下午四點(diǎn)后進(jìn)行，避開(kāi)高溫時(shí)段；澆筑振搗時(shí)按照25cm一層，分四層連續(xù)澆筑。澆筑時(shí)埋設(shè)測(cè)溫設(shè)備，監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)表溫差，收集匯總實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬計(jì)算效果。

（5）采用灑水并覆蓋吸水土工布進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)的同時(shí)對(duì)表層混凝土進(jìn)行保溫，混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14d。

（6）為增大方塊間的抗剪能力，混凝土終凝前，對(duì)方塊頂面進(jìn)行硬拉毛處理。

（7）現(xiàn)場(chǎng)配置備用發(fā)電機(jī)及振搗棒，確保澆筑振搗的連續(xù)不中斷。

5.施工階段測(cè)溫監(jiān)控

5.1 布設(shè)測(cè)溫設(shè)備

測(cè)溫設(shè)備選用海創(chuàng)高科生產(chǎn)的JDC-2手持式測(cè)溫儀，按照《大體積混凝土溫度測(cè)控技術(shù)規(guī)范》（GBT 51028-2015）要求，分別在方塊測(cè)面及中心不同深度布置測(cè)溫點(diǎn)，安排專人晝夜進(jìn)行測(cè)溫記錄，澆筑前三天按照1h/次，三天后按照4h/次。技術(shù)人員按時(shí)收集匯總監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并繪制各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線，及時(shí)進(jìn)行分析，采取適當(dāng)措施，控制混凝土表面與中心最大溫差不大于25℃。

5.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

安排專人讀取并記錄各點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度情況，中心位置2#測(cè)溫點(diǎn)混凝土溫度最高。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的溫度曲線可以看出，中心混凝土溫度在澆筑37h左右達(dá)到最高值60.5℃，此時(shí)內(nèi)外溫差最大，約13℃，模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

6.施工建議

大體積混凝土裂縫控制為一綜合性課題，貫穿于施工的各個(gè)階段。施工前在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，采用低水化熱水泥、摻加礦粉、粉煤灰、高效減水劑和摻加膨脹劑等措施降低水化熱和混凝土收縮。施工時(shí)要嚴(yán)格控制入模溫度和混凝土坍落度，并盡量減少底部混凝土約束；澆筑完成后及時(shí)采取保溫措施，按時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。通過(guò)采用Midas Civil軟件模擬計(jì)算大體積混凝土水化熱，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確認(rèn)“內(nèi)降外?！钡臏囟瓤刂拼胧瑢?duì)大體積混泥土裂縫控制具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

7.結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目方塊預(yù)制已完成1200塊左右。經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)任何影響結(jié)構(gòu)耐久性及安全性的裂縫，產(chǎn)品合格率為100%，表明以上一系列技術(shù)措施能夠有效防控大體積混凝土裂縫產(chǎn)生，保證工程質(zhì)量，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。