加纳渔港项目预制方块大体积混凝土裂缝防控

◎孙国辉 张皓铭 中国港湾西部非洲区域公司 中交一航局第五工程有限公司

1.研究背景

随着国家“一带一路”战略的提出和第七届中非合作论坛北京峰会的顺利召开，国家持续加大投资支持非洲基础设施的发展，带动了大批建筑企业走进非洲，各类大型项目纷纷提上日程，大体积混凝土作为大型建筑及设备等的基础，应用越发广泛。

大体积混凝土结构尺寸大、混凝土方量多，前期施工时不承受设计荷载，投入使用后由外荷载引起裂缝的可能性也很小。但在施工浇筑过程中，混凝土因水化热温升产生的温度应力、基底约束和混凝土收缩的共同作用，会产生一定的拉应力，当超过混凝土容许拉应力后将出现裂缝，进而影响结构使用的安全性和耐久性。采取适当措施，做好裂缝防控，是大体积混凝土施工质量控制的关键。

2.工程概况

加纳渔港项目是中加两国政府重点合作框架项目，主要工作内容为加纳沿海地区10处渔港的改扩建及后方配套渔业设施的修建，包括码头、防波堤、港池及航道疏浚、后方陆域回填、进场道路、房建及配套水电等施工。其中码头为重力式素混凝土方块码头，工程量约1800块，混凝土设计强度为C30。码头底部方块（最大）为F型，尺寸4.25m×2m×1m；顶部方块（最小）为A型，尺寸2m×2m×1m，方块最小截面尺寸为1m，属于大体积混凝土结构，其施工质量控制为本工程工作的重点与难点，施工前需进行大体积混凝土水化热计算。

本文以尺寸最大的F型方块为研究对象，使用Madas Civil建立有限元模型进行理论分析，并在施工过程中通过实际监测加以验证。

3.水化热计算

3.1 混凝土配合比设计

大体积混凝土配合比设计时应避免使用早强、水化热较高、C3A含量较高和细度过小，早期发热过快的水泥，宜优先选用水化热低的矿渣硅酸盐水泥，同时宜掺入粉煤灰/矿渣等胶凝材料来降低水泥用量；为提高混凝土耐久性和减少用水量，改善混凝土和易性，降低绝热温升，混凝土中应掺加适量的高效减水剂，减水剂的减水率应大于20%；骨料应没有碱活性并具有较低的热胀系数，宜采用石英岩卵石破碎成的砾石，所用砂子为石英砂。因加纳地区建材市场较为单一，本项目水泥选用普通硅酸盐水泥，同时掺入进口的Ⅱ级粉煤灰及高效减水剂。

根据项目技术规格书要求及前期委托加纳高速公路局试验室所做混凝土配合比试验结果，确定混凝土配合比（水胶比0.42）为：水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石（4～16mm）∶碎石（16～31.5mm）∶水∶高效减水剂=239kg∶103kg∶762kg∶340kg∶793k g∶144kg∶5kg。

3.2 混凝土材料特性

根据《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB 50010-2010）及查询相关资料，获得混凝土特性参数，见表1。

表1 混凝土特性参数

3.3 边界条件

本工程方块为预制构件，为降低底模对混凝土的约束作用及加块热量散播，底模及侧模均采用6mm厚钢模板，钢模板导热系数为：λ=163.29 kJ/（m·h·℃），钢模板表面光滑，按平均风速2m/s考虑，钢模板在空气中的放热系数为β=49.41 kJ/（m•h•℃），混凝土侧面与底面的等效放热系数为：

式中：h为钢模板厚度，m。

3.4 建模

根据以上参数及方块实体结构尺寸建立Midas Civil有限元模型，按全尺寸进行模拟。整个模型共3619个节点、2880个单元。方块为具有一定传热速率的结构，定义其浇筑的时间差距，根据计算结果观察其各个阶段方块内部的温度、应力变化。

3.5 计算结果分析

（1）温度变化分析。通过对实体有限元模型分析计算，可看出方块在浇筑40h左右，混凝土内部温度达到最高值55.8℃，满足温升不超过入模温度50℃的规范要求。方块内表最大温差约11℃，满足内表温差不大于25℃的规范要求。

（2）应力分析。混凝土的许用应力一直大于温度应力，表明温度应力的作用不会使混凝土产生裂缝。

4.施工方案

根据模型计算结果可知，此方块在未采取“内降外保”的措施下，内表温差及表面温度应力均满足规范要求，方块混凝土不会因温度应力发生裂缝。为确保实际施工条件与模拟条件相匹配、确保混凝土浇筑质量和控制混凝土浇筑后的内表温差，经分析讨论，决定采取以下措施：

（1）严格控制混凝土原材料质量，按技规要求对原材料进行送检，并不定期抽查料源地及拌合站原材质量和拌和设备性能，确保拌合物质量。

（2）降低原材料温度，水泥、粉煤灰前提前一周装入罐内，确保拌合前水泥温度不高于60℃；当气温较高时，采用搭凉棚，堆高骨料、底层取料和用凉水喷淋骨料等方法降低骨料温度，必要时掺加冰水拌和混凝土；加快运输和浇筑，减少混凝土在运输和浇筑过程中的温度回升，确保新伴混凝土入模温度满足技规要求。

（3）严格控制新拌混凝土坍落度，采用专用混凝土运输车以减少运输过程中的坍落度损失，确保混凝土和易性良好，杜绝发生分层、离析和泌水等现象。

（4）混凝土浇筑在下午四点后进行，避开高温时段；浇筑振捣时按照25cm一层，分四层连续浇筑。浇筑时埋设测温设备，监测混凝土内表温差，收集汇总实测数据，验证模拟计算效果。

（5）采用洒水并覆盖吸水土工布进行养护，在养护的同时对表层混凝土进行保温，混凝土养护时间不少于14d。

（6）为增大方块间的抗剪能力，混凝土终凝前，对方块顶面进行硬拉毛处理。

（7）现场配置备用发电机及振捣棒，确保浇筑振捣的连续不中断。

5.施工阶段测温监控

5.1 布设测温设备

测温设备选用海创高科生产的JDC-2手持式测温仪，按照《大体积混凝土温度测控技术规范》（GBT 51028-2015）要求，分别在方块测面及中心不同深度布置测温点，安排专人昼夜进行测温记录，浇筑前三天按照1h/次，三天后按照4h/次。技术人员按时收集汇总监测数据并绘制各测温点的温度变化曲线，及时进行分析，采取适当措施，控制混凝土表面与中心最大温差不大于25℃。

5.2 实测数据与模型计算数据对比

安排专人读取并记录各点实时温度情况，中心位置2#测温点混凝土温度最高。从实测数据绘制的温度曲线可以看出，中心混凝土温度在浇筑37h左右达到最高值60.5℃，此时内外温差最大，约13℃，模拟计算与实测数据基本吻合。

6.施工建议

大体积混凝土裂缝控制为一综合性课题，贯穿于施工的各个阶段。施工前在配合比设计时，采用低水化热水泥、掺加矿粉、粉煤灰、高效减水剂和掺加膨胀剂等措施降低水化热和混凝土收缩。施工时要严格控制入模温度和混凝土坍落度，并尽量减少底部混凝土约束；浇筑完成后及时采取保温措施，按时进行养护。通过采用Midas Civil软件模拟计算大体积混凝土水化热，根据计算结果确认“内降外保”的温度控制措施，对大体积混泥土裂缝控制具有很强的指导作用。

7.结语

本项目方块预制已完成1200块左右。经检查，未发现任何影响结构耐久性及安全性的裂缝，产品合格率为100%，表明以上一系列技术措施能够有效防控大体积混凝土裂缝产生，保证工程质量，可为类似工程提供经验借鉴。