高桩码头大型墩台防裂施工技术探讨

高桩码头大型墩台防裂施工技术探讨

曹颜 [1] 龚晨曦 [2]

1. 中国电建集团核电工程有限公司 山东 济南 250014

2. 2.中国电建集团山东电力建设有限公司 山东 济南 250014

摘要：防止大型墩台的有害裂缝，避免影响高桩码头的正常使用，本文结合国内外高桩码头大型墩台大体积混凝土施工防裂经验，对印尼地区高温、高湿环境下大型墩台混凝土的防裂施工进行研究，并通过工程实践予以验证。

主题词：高桩码头；大型墩台；大体积混凝土；防裂。

1. 引言

混凝土结构在建筑业中应用最为普遍，研究有效避免有害裂缝产生，控制裂缝的危害程度，满足设计及规范要求，具有重要意义。裂缝产生的因素，涉及到混凝土生产、使用全过程。可分为由外荷载引起的结构型裂缝及由材料本身特性引起的材料型裂缝。本文从施工角度探讨大型墩台混凝土结构由温度应力和混凝土收缩引起的材料型裂缝控制。

2. 大型墩台混凝土裂缝产生原因

1.1水化热影响

温差导致温度应力裂缝的产生，当内外温差所产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时，裂缝发生，可出现在温升或温降阶段。浇筑混凝土3-7天后，水化热反应致结构内部温升出现峰值，随龄期推移，温度应力影响因素从内部为主向外部为主转换，混凝土完全冷却后的晚期阶段，外界温度变化成为内外温差应力产生的主要因素。

1.2自身收缩变形

混凝土收缩可包括干燥收缩、塑性收缩、碳化收缩等。干燥收缩是指混凝土硬化后，在干燥的环境下，内部的水分不断向外散失，引起混凝土由外向内的干缩变形裂缝^[1][2]。

1.3其他情况

外界温度、湿度的变化，边界约束条件，设计断面有无应力集中区域，混凝土构筑物的体积，配筋率等均会影响裂缝的发展程度等。

3. 根据配合比进行裂缝控制验算

印度尼西亚某高桩墩台码头工程采用配比设计参数如下：水泥357kg、粉煤灰82kg、二级配碎石964kg、中粗砂654kg、水190kg，及外加剂若干。热工计算如下：

水化热绝热温升值 T（t）=m_C X Q X （1-e^-mt）/c/ρ

其中：m_C每立方米混凝土水泥用量（kg/m3）；Q 每公斤水泥水化热（J/kg）

C混凝土的比热（J/kgXK），一般取0.96；t 龄期（d）

ρ混凝土质量密度（2400kg/m3）；e常数，2.718

m与水泥品种、浇注温度有关的系数，0.2-0.4

本项目依据实际配比计算数据如下：

T（3）=357X289X（1-0.406）/0.96/2400=26.6℃

T（15）=357X289X（1-0.01）/0.96/2400=44.3℃

T（∝）=357X289X/0.96/2400=44.8℃

混凝土收缩变形值计算 εy（t）=εy（1-e^-0.01t）XM1XM2……Mn

εy标准状态下的最终收缩值，取3.24X10-4

M1，M2……Mn各种非标条件的修正系数

本项目依据实际配比计算数据如下：

εy（3）=2.06X10-5

εy（15）=9.64X10-5

收缩换算的当量温差计算Ty（t）=-εy（t）/α

εy（t）各龄期收缩相对变形值

α混凝土线膨胀系数，取1.0X10^-5

本项目依据实际配比计算数据如下：

Ty（3）=5℃

Ty（15）=9.64℃

各龄期混凝土弹性模量计算E（t）=EcX（1-e^-0.09t）

Ec混凝土最终弹性模量，可近似取28d弹性模量

本项目依据实际配比计算数据如下：

E（3）=7689N/mm2

E（15）=24073N/mm2

温度收缩应力计算σ=-E（t）XαX∆TXH（t）XR/（1-ν）

∆T最大综合温差（℃） ∆T=T0+2/3XT（t）+ Ty（t）-Th

T0混凝土入模温度（℃）；Th混凝土浇注后达到稳定时的温度

H（t）考虑徐变影响的松弛系数,取0.3~0.5

R混凝土外约束系数（本工程选用0.4）

ν混凝土泊松比，取0.15

本项目依据实际配比计算数据如下：

3d温度收缩应力：∆T=26.6X2/3X+5+10=32.73；σ3=0.36MPa

15d温度收缩应力：∆T=44.3X2/3X+9.64+10=49.17；σ15=1.67MPa

前期计算温度应力小于该龄期的混凝土抗拉强度与抗裂安全系数的比值，中期存在裂缝隐患，根据换算公式f（15）约32MPa，抗拉强度约1.8MPa，1.8/1.15=1.56<1.67，需增加其他措施。

根据工程经验，对结构最小截面尺寸超过1m的现浇层设置降温循环管网，利用循环水降温，可有效控制内部温度峰值。本次在2.5m层厚中间偏下布设一层管网，采用32mm管径不锈钢管，间距1m，循环间隔根据水温测量确定，按照T（∝）-（T进+T出）/2<25℃的原则控制。

4. 防裂措施

为防止有害材料型裂缝产生，可从控制混凝土温度、改善约束条件考虑，措施如下：

4.1 优选原材料

4.1.1水泥：采用早期水化热低的水泥，降低熟料中C3A和C3S的含量，选择低热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。满足水泥活性的情况下，为减缓放热速率，选用细度小的水泥。

4.1.2“三掺”即掺入粉煤灰、块石、外加剂

1）掺加粉煤灰：采用内掺法降低水泥直接用量，粉煤灰的水化热较低，升温历时长，可削减温升峰值，改善混凝土内部结构，使混凝土更加均匀致密，减少混凝土硬化后的收缩值。粉煤灰的比重较水泥小，浇筑时易上浮形成浮浆，影响表面强度，易产生塑形收缩裂缝，需要二次压光，掺量不易过多。

2）掺加块石：考虑到墩台受力不复杂，与设计院协商掺入5%块石，有效减少混凝土浇筑量，降低温升峰值。选用新制方正块石，最长边与最短边之比不大于2。投放块石前用淡水冲洗干净并保持湿润。

3）外加剂：加入外加剂可以改善混凝土的特性，对控制收缩开裂有一定的效果：

减水剂可改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土强度时减少水泥用量。缓凝剂可延缓混凝土放热峰值，随龄期增长，混凝土强度增大，可有效降低裂缝出现的机率；改善混凝土和易性，减少运输过程中的塌落度损失。

引气剂可改善混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土耐久性能，在一定程度上改进混凝土的抗裂性能^[3]。固体粉剂抗裂膨胀剂加入混凝土中，可以等量替换水泥，达到降低水泥用量进而降低水化热。其与水泥水化产物反应，使混凝土产生适度的膨胀，增加混凝土的密实度、产生内部压力，可抵消混凝土中的部分拉应力，有效补偿混凝土的收缩。

4.1.3改善粗细骨料级配：尽量扩大粗骨料的粒径，细骨料宜选用级配良好的中沙和中粗沙。可有效缩减骨料总表面积，降低水泥用量，降低水化热峰值，对防止裂缝有利。粗细骨料含泥量指标也是控制裂缝的敏感指标，需严格控制。

4.1.4根据需求及环境变化动态调整混凝土配合比，宜遵循“三低(低砂率、低坍落度，低水胶比）三掺(掺高效减水剂和高性能引气剂、块石）一高(高粉煤灰掺量）”的设计准则，设计中等弹性模量、低热和高极拉值的抗裂混凝土。

4.2采用适宜施工方法，有效增加各龄期抗拉强度

4.2.1混凝土的拌制、运输

1）混凝土浇筑时尽量避开高温天气，高温季节宜安排在傍晚及夜间，考虑到印尼多雨，需在现场备好防雨物资。

2）通过对混凝土热工计算数据进行分析，可知对混凝土出机温度影响最大的是粗骨料温度，细骨料影响次之，水泥的温度影响最小。采取以下措施改善混凝土出机温度：不同进场时间的水泥宜分罐储存，遵循先进场先使用的原则；采取遮阳等措施降低骨料温度，必要时喷洒水雾降温；或通过掺加冰块等措施。

3）根据掺加外加剂性能指标，严格控制搅拌时间，确保混凝土搅拌均匀。

4）拌和水量影响混凝土收缩裂缝的产生，满足和易性要求下宜降低坍落度。

5）罐车及泵车宜搭设遮阳棚或采取隔热措施，减轻运输及浇筑过程的温度影响

4.2.2混凝土浇注、拆模

1）浇筑前做好应急预案，确保混凝土供应的连续性，避免出现冷缝。

2）浇注时合理振捣，确保密实；浇注后，及时压实、抹平、二次压光，以防止表面裂缝。分层浇注，保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密，避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能^[4]。

3）强度达到设计值的75%以上，混凝土内外温差控制在25℃以内时方可拆模，拆模过早，易导致蒸发失水过快，出现塑性收缩裂缝。

4）潮湿养护可以提高混凝土的早期强度，增强抗裂性能。在混凝土初凝压光后，立即覆盖塑料薄膜，防止水分散失。并外覆土工布或草帘等，浇水进行保温保湿养护。对掺加膨胀剂的混凝土，必须保持表面湿润状态，养护期不少于14d。

5）做好施工缝接茬处理，将表层松散石子和软弱混凝土层凿除。接合面应提前充分湿润、清洗干净，不得有明水，宜铺适量高标号水泥砂浆，避免接茬处出现干缩裂缝。

4.3表面适当隔热保护，延缓降温速度，降低内外温差

混凝土表面裂缝主要是由内外温差过大引起。若混凝土结构受到冷空气侵袭，或过分通风散热，表面温降过大，极易导致裂缝产生。为减轻此类影响，采取有效的措施：

1）优选集料、配合比，改善混凝土自身温降速度。

2）昼夜温差较大季节，浇筑后应立即表面覆盖保护，防止表面降温过大，宜在模板表面挂双层草帘或土工布，按措施洒水保持草帘湿润；

当混凝土中心温度呈稳定下降趋势时，可拆除周围模板，用草帘覆盖，使用温水养护。

4.4 温控措施

影响混凝土水化温度的因素繁杂，涉及到分层浇筑、浇筑温度、施工间歇期、水化热的散发规律、养护方式、外界气温变化、混凝土的徐变等，通过热工计算，确定混凝土内外温差、相邻块体温差不超过20-25℃、混凝土最大降温速率不超过2.0℃／d为宜。

4.4.1 通水冷却

以印度尼西亚某高桩墩台码头工程为例，初期采用通温水降低混凝土最高温度峰值；通水时间不宜过长，否则会造成降温幅度过大而引起温度应力超标,以每天两次通水为宜，实时以动态测温结果作为水量和频次调整依据。

1）冷却水管及其布置：根据热工计算，确定控温标准；冷却水管采用管径32mm的热传导性能好的钢管，在混凝土中偏下即距离底板1.2米处均匀布设一层冷却管，间距为1米，预计可降低混凝土内部峰值温度8℃左右。

2）冷却水使用及控制：系统使用前进行试通水，防止管道漏水、阻塞，有足够的通水流量，根据混凝土内部温度设定进水温度，温差控制在20℃以内。在浇筑到冷却水管标高后即开始通水，利用测温系统测量内部温度，保证混凝土内外温差小于25℃，至温度监测确认内外温差小于20℃后停水，养护过程中根据进出水口的温差大小调整管内水流量。

3）养护过程中，为防止内外温差过大，节约资源，可充分利用冷却水管出口处的热水进行养护，防止混凝土内外温差过大造成的温度裂缝。

4.4.2 温度控制监测

为掌握温度异常情况并及时调整温控措施，需在墩台混凝土内部布设测温元件，动态监控内部温度变化。除监测内部温度外，还要对环境温度、冷却水管进出口水温等进行监测。气温骤然变化、模板拆除时要及时调整养护措施。

“核心区”（混凝土内部）布设4个测点，以监测混凝土内部最高温度；侧表面布置2个测点，以监测混凝土侧表面最低温度；底部、顶部的4个测点用来监测混每层凝土底部及上表面温度。温控监测在混凝土开始浇筑时即开始进行，连续不间断，直至混凝土温度改变值趋于稳定。若发现混凝土内外温差接近25℃，可加大冷却水流量，使温差减小。

4.5 其他改善混凝土裂缝状况的措施

1）当结构尺寸过大时，为防止一次浇筑产生较大的温度应力，应合理分层分段浇筑，或设置后浇带。

2）在应力集中部位合理增设金属网片，增加结构的抗拉能力。

3）采用二次投料的砂浆裹石或净浆裹石的搅拌方法，浇筑时对混凝土二次振捣、压光，提高混凝土的极限拉伸值。

4）合理安排混凝土浇筑间歇期，控制新老混凝土收缩徐变内力。

5）改善混凝土边界约束条件，适当设置滑动层、缓冲层等。

5. 结束语

通过详细热工计算，优化配比设计、优选原材料、合理调整施工工艺和方法，预先制定温控养护措施，动态管理实施温控措施，精心施工，保证了大体积墩台混凝土质量，达到了预期抗裂效果。

参考文献

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[2] 蔡宏辉. 房屋建筑结构设计中的现浇混凝土裂缝控制措施分析[J]. 中外建筑, 2010(05）:158-160.

[3] 彭志俊. 高桩码头预制砼构件表观质量问题与控制方法[J]. 珠江水运. 2020 (11）

[4] 张新华,纪彬. 高桩码头施工质量控制和管理探究[J]. 珠江水运. 2020 (14）