中山港码头面板磨耗层裂缝控制关键技术研究!
［摘 要］通过采用高性能混掺聚乙烯醇纤维和仿钢纤维混凝土，采取优选混凝土原材料和优化混凝土配合比的技术措施，并结合试验段对施工工艺的不断改进和完善，成功地解决了中山港码头面板磨耗层混凝土存在的易开裂的技术难题。现场检测表明，施工完毕后码头面板未出现裂纹，达到了预期的效果，取得了良好的技术经济效益，为国内类似工程提供了技术借鉴。
［关键词］面板；磨耗层；防裂；纤维；施工
0 引言
中山码头磨耗层施工范围为码头主体及上下游栈桥，总面积约为 5800m2。磨耗层设计标高为 +4.55m，设计厚度为梁处 450mm、板处 50mm，混凝土强度等级为 C35。
研究表明，码头磨耗层裂缝的成因可大体简单的划分为混凝土内部和外部影响因素两个方面。内部因素主要是裂缝，外部因素有载荷、波浪对码头面板的冲击等[1-3]。磨耗层现浇混凝土厚度较薄、面积较大，习惯上也归到大体积混凝土范畴。大体积混凝土所出现的裂缝主要是温度裂缝和干缩裂缝。此外，混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的 1/10 左右，而且磨耗层板块比较薄、面积较大，极其容易在受到外荷载或外部作用下产生裂缝。总得来说，码头磨耗层开裂现象较为普遍，其开裂的主要原因归纳如下：混凝土配合比设计不合理，导致混凝土收缩大；混凝土施工质量控制不良和养护不到位，导致混凝土顶面浮浆厚、收缩大；当磨耗层混凝土产生收缩（干缩和自收缩等）受到已浇筑码头面层的约束，混凝土极易因温差较大产生的温度应力和干缩引起的拉应力超过混凝土抗拉强度而开裂，从而对混凝土结构的使用功能、外观质量和耐久性造成不良影响。目前磨耗层的防裂措施有：优化配合比及优选原材料、处理施工基面、混凝体中掺加纤维、控制混凝土的坍落度、合理布置收缩缝等[4-7]。
针对国内外码头磨耗层开裂较为普遍的技术难题，并结合本工程特点，优化混凝土施工配合比，拟采用高性能混凝土并掺入混合纤维的技术措施，以解决磨耗层混凝土易开裂的技术难题，并形成码头面板混凝土裂缝控制成套技术，为类似工程码头面板的施工提供参考和借鉴。
1 试验
1.1 原材料
选用江门海螺牌 P·O42.5 水泥，Ⅱ级粉煤灰，西江中砂，5～10mm 和 10～25mm 两级配花岗岩碎石，JN-ESA 缓凝高效减水剂，JS-BDC 聚乙烯醇纤维和 JS-FXW 仿钢纤维。
1.2 配合比设计要求与原则
磨耗层混凝土的设计要求如下：强度等级为 C35，坍落度控制在 120～160mm，1h 坍损≤20mm，初凝时间≥5h，终凝时间≤8h，无裂纹，无泌水。
为解决磨耗层混凝土的开裂通病，满足结构耐久性要求，配合比设计以抗裂性为核心，工作性和力学性能并重，其他各项性能均衡发展为原则，应着重考虑：
（1）优选混凝土原材料：选用水化慢、延性较好的水泥以减小开裂；磨耗层混凝土采用级配良好的瓜米石；面层混凝土选用 5～10mm 和 10～25mm 两级配花岗岩碎石；采用缓凝型高性能减水剂。
（2）混凝土要有良好的工作性，即流动性、粘聚性、稳定性和可塑性。
（3）磨耗层混凝土具有良好的耐磨性能，磨耗层混凝土不宜掺入影响混凝土耐磨性能的粉煤灰。
（4）面层混凝土应掺入适量优质粉煤灰，可有效降低单方水泥用量、砂率、单方用水量，防止混凝土早期强度过快增长，降低混凝土绝热温升。
（5）为提高混凝土耐磨性能，磨耗层混凝土宜采用纯水泥，选取适合的胶凝材料用量，解决混凝土的温度变形和化学收缩对早期混凝土开裂的影响。
（6）掺入 PVA 纤维和仿钢纤维解决混凝土施工中、混凝土塑性收缩裂纹的产生。
2 试验结果
考虑到现场面层和磨耗层一次性浇筑和分两次浇筑的工况，分别设计 C35 混凝土配合比如表 1。
表 1 设计配合比 kg/m3
2.1 工作性能研究
表 2 为 1#～6# 的工作性能表，从表 2 中可以看出，1# 的初始坍落度为 150mm，符合设计要求的 120～160mm，1h 坍落度为 145mm，符合设计要求的 1h 坍落度损失小于 20mm，初凝时间和终凝时间均符合设计要求。2# 的 1h 坍落度低于 120mm，不符合设计要求，初凝时间和终凝时间符合要求。3# 的 1h 坍落度损失大于 20mm，不符合要求。4# 的初始坍落度为 145mm，符合设计要求的 120～160mm，1h 坍落度为 140mm，符合设计要求的 1h 坍落度损失小于 20mm，初凝时间和终凝时间均符合设计要求。5# 的初凝时间小于 5h，6# 的终凝时间大于 8h，均不符合要求。根据工作性能推荐配合比为 1# 和 4#。
表 2 工作性能一览表
2.2 力学性能研究
表 3 为 1#、4# 抗压强度和劈裂抗拉强度结果。
表 3 抗压、劈裂抗拉强度结果
从表 3 中可以看出 1# 的 7d 抗压强度已达 38.4MPa，超过设计强度 35MPa，符合设计要求；从劈裂抗拉强度来看，其 7d 劈裂抗拉强度已达 3.23MPa，28d 达到了 4.51MPa。4# 的 7d 抗压强度已达 39.7MPa，超过设计强度 35MPa，符合设计要求；从劈裂抗拉强度来看，其 7d 劈裂抗拉强度已达 3.00MPa，28d 达到了 4.11MPa。从这两项指标来看，1# 和 4# 均满足设计要求。
2.3 混凝土收缩性能研究
收缩试验按照 GB∕T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中的试验方法进行。测量混凝土在无外力的作用下，在温度 (20±2)℃，相对湿度 (60±5)% 的环境中的收缩值。试验试件尺寸为 (100×100×515)mm3。试验龄期分别为 1d、3d、7d、14d 和 28d。试验结果见表 4。
表 4 干缩试验结果
从表 4 可以看出 4# 的干缩值大于 1#，这是因为加入纤维后，混凝土的塑性收缩受到一定的抑制，总收缩率降低，所以其干缩较小。
2.4 混凝土抗裂性能研究
面板磨耗层混凝土的早期抗裂性能将根据 GB∕T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用平板法进行测试。试件尺寸为 (800×600×100)mm3，试验模具见图 1。
图 1 混凝土早期抗裂试验模具
在环境温度为 (20±1)℃、相对湿度为 (60±5)%条件下，进行混凝土的浇筑、振实、抹平过程，成型 30min 后，用风扇保持 (5±0.5)m/s 风速平行超高桥塔高性能混凝土表面与裂缝诱导器吹向试件；利用 ZBL-F101 裂缝宽度观测仪测量试件从加水搅拌算起的第 24h 时开裂情况，包括裂缝数量、裂缝长度和宽度，并记录混凝土初裂时间。结果见表 5。
表 5 抗裂性能
从表 5 可以看出，1# 的初裂时间比 4# 长，裂缝最大宽度、平均开裂面积及单位面积上的总开裂面积均小于 4#。一方面是因为加入纤维后，混凝土的塑性收缩受到一定的抑制，总收缩率降低，由此产生的收缩应力减小，裂缝产生的驱动力减小；另一方面是因为，在产生微裂纹之后，由于纤维的乱向分布，可以有效阻止微裂纹的扩展，裂缝需要消耗大量的能量方可突破纤维对其的约束，因此，难以产生对混凝土力学性能与耐久性能有害的宽裂缝，而只能通过形成数量更多的对混凝土力学性能与耐久性能影响更小，甚至可以忽略的细微裂缝来释放其收缩应力。
2.5 混凝土耐久性能研究
2.5.1 抗渗性能
目前用于检测混凝土抗渗性能的试验方法主要是快速氯离子迁移系数法（RCM 法）和电通量法，本研究将采用 RCM 法对面板磨耗层混凝土进行抗渗性能检测。根据 GB/T 50082—2009 中的规定，混凝土养护龄期宜为 28d，也可根据设计要求选用 56d 或者 84d 养护龄期，试件为直径 (100±1)mm，高度为 (50±2)mm 的圆柱体试件。本研究中试件养护龄期为 28d，试验结果见表 6。
由表 6 数据可以看出，两组试件 28d 氯离子迁移系数均介于 1.5×10-12～2.5×10-12m2/s 之间，抗渗等级达到 RCM-Ⅳ 级，抗渗性能良好。通过密实骨架堆积方法进行最紧密设计，使粗细集料和粉料之间实现最紧密堆积，同时通过掺加粉煤灰，充分利用其微集料效应与火山灰效应，细化混凝土的孔结构，降低孔隙率，提高其密实程度。从而可以有效阻断 Cl- 的渗透，提高混凝土的抗 Cl- 渗透性能。
表 6 混凝土氯离子迁移系数测试结果
2.5.2 抗硫酸盐侵蚀性能
当混凝土服役环境中硫酸盐的浓度较大时，硫酸盐离子将渗透到水泥石内部与一些固相成分发生化学反应，生成难溶的盐类矿物，这些盐类矿物一方面可以形成钙矾石、石膏等膨胀性产物而导致混凝土发生膨胀、开裂和剥落病害，另一方面也将使硬化水泥石中的 Ca(OH)2 和水化硅酸钙等组分溶出或分解，混凝土强度损失，造成混凝土的硫酸盐侵蚀破坏。
本研究采用干湿循环法评定混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，以混凝土能够经受的最大干湿循环次数来表示混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。试验结果见表 7。
表 7 混凝土抗硫酸盐侵蚀性能
从表 7 结果可以看出，4# 较 1# 具有更加良好的抗硫酸盐侵蚀性能，2# 掺加粉煤灰，提高了混凝土密实度，增加了 SO42- 向混凝土内部扩散的难度；其次，因为硫酸盐侵蚀是水泥水化产物中的水化铝酸三钙及 Ca(OH)2 和 SO42- 反应，当用粉煤灰取代部分水泥后，降低了水泥石中 C3A 的含量，减少了钙矾石生成量。再者，掺入粉煤灰后，其二次水化反应将消耗部分 Ca(OH)2 ，水泥石中的 Ca(OH)2 浓度降低，因此降低了 AFt 形成的可能性。最后，由于二次反应消耗了大量的 Ca(OH)2 ，水泥石中 Ca(OH)2 减少，毛细孔中液相石灰浓度降低，使石膏型侵蚀受阻，即使在 SO4 2- 浓度很高时，石膏结晶的数量也非常有限。
2.6 面板磨耗层混凝土高性能化机理
2.6.1 面板磨耗层水化产物物相分析
图 2 和图 3 分别为 1# 和 4# 在不同龄期的 XRD 图谱，由图 2 可以看出，两种混凝土在各龄期的水化产物大致相同，基本都由 Ca(OH)2、AFt、CaCO3 等组成，同时还有部分尚未参与反应的 C3S 等水泥矿物。对比图 2 中两组 XRD 图谱，在相同龄期下，4# 混凝土的水化产物中，Ca(OH)2、AFt 及 CaCO2 生成量均高于 1# 混凝土，而 C3S 的含量则明显小于普通 C60 自密实混凝土，说明 4# 混凝土中水泥及其他矿物掺合料的水化程度要高于 1# 混凝土。再者，对比两图中的 1# 混凝土图谱可以发现，随着水化龄期的延长，混凝土中的 AFt 生成量逐渐增加，在水化后期仍然有较多的钙矾石生成，对混凝土长期收缩起到补偿的作用，降低混凝土收缩，减小收缩裂缝产生的可能性，提高混凝土耐久性。
图 2 7d 龄期不同混凝土的 XRD 图谱
图 3 28d 龄期不同混凝土的 XRD 图谱
通过 SEM 测试手段，研究 28d 龄期两种混凝土不同部位的微观形貌特征，详见图 4 和图 5。图 4 对比了浆体的密实程度，图 5 对比了钙矾石的生成情况。
图 4 不同混凝土 28d 龄期 SEM 图谱 1
图 5 不同混凝土 28d 龄期 SEM 图谱 2
从图 4 可以看出，相较于 1# 混凝土，由于 4# 混凝土中采用掺加了粉煤灰，充分利用火山灰效应，提高浆体密实度，促进了水泥的水化，提高了其水化程度，也使得水化产物 C-S-H 凝胶的致密性更高，孔隙率明显低于 1# 混凝土。
而图 5 中可以看出，1# 混凝土的孔隙中也有部分钙矾石生成，但是其生成量明显不如 4# 混凝土，在 1#混凝土中，钙矾石对孔隙的填充明显低于 4# 混凝土，可见钙矾石的生成在一定程度上降低了混凝土孔隙率，减少了混凝土中大孔的数量，改善了混凝土的空隙结构，进而提高其耐久性。
3 面板磨耗层典型施工验证
混凝土为自拌，直接运送至施工现场泵送。为满足施工质量实际要求，磨耗层混凝土采用泵送，坍落度控制在 120～160mm。为了优化磨耗层的施工方法，共设计三种方案（表 8），并做试验段，选取裂纹控制良好，工程成本较低为最终施工方案。
表 8 施工方案
方案一现浇面板和磨耗层分层施工，两者施工间隔时间为≥7 天，仅磨耗层添加聚乙烯醇纤维和仿钢纤维。方案二施工工艺与方案一相同，唯一区别是现浇面板和磨耗层的施工间隔时间从≥7 天改为≤2 天。方案三现浇面板和磨耗层同时施工，需全部掺入聚乙烯醇纤维+仿钢纤维，施工方法与方案一基本相同（现浇面板钢筋网保护层按 5cm 控制，面板保护层+磨耗层素混凝土厚度共计 10～13cm）。
试验块浇注完成并在 60d 龄期内，未发现有可直接目测的裂纹（检查方法为水湿润后待干观察）。其中，方案一磨耗层在施工完成 2 个月后就陆续开始出现微细裂纹，1～2 周内发展到 4 条长 20～50cm、宽度≤0.2mm、深度≤5mm 的微细裂纹，之后不再发展。此方案未达到试验效果，不建议使用。
方案二施工完成 100 天内未发现裂纹。此方案施工工艺较为复杂，但成本较低。方案三施工完成 100 天内未发现裂纹。此方案施工工艺最为成熟，但成本较高。综合各方面因素，推荐使用方案二进行施工。
4 结语
针对中山港码头磨耗层开裂的技术难题并结合本工程特点，通过采用高性能混凝土并掺入纤维的技术措施，解决了磨耗层混凝土易开裂的技术难题，设计制备出工作性能、收缩性能、抗开裂性能符合要求的高性能混凝土，并通过典型施工验证，推荐使用方案二进行施工，即现浇面板和磨耗层分层施工，两者施工间隔时间为≤2 天，仅磨耗层添加聚乙烯醇纤维和仿钢纤维。
为推动混凝土行业健康发展和科技进步，了解行业发展趋势与政策，交流行业最新成果和实用技术，学习品牌示范企业先进管理经验，推进全方位创新，强化风险防范，着力优质转型，实现混凝土行业可持续发展的目标，（国家）建筑材料工业技术情报研究所、中国散装水泥推广发展协会混凝土专业委员会定于2021年10月27-30日在杭州召开第十八届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2021中国商品混凝土年会。
“中国商品混凝土年会”已成为全国混凝土行业的年度盛会，论坛质量和效果得到商品混凝土生产企业及相关企事业单位的广泛认可，参会人数已连续多届突破1000人，年会的举办推动了国家政策的有效实施，先进技术的快速推广及管理水平的持续提升。本次年会以“让智慧为发展赋能 让安全为企业护航”为主题,会议将邀请国内外行业知名专家、行业主管领导、企业家及参与重大工程建设的相关专家做主题演讲和专题论坛，与近千名行业同仁共同探讨我国商品混凝土行业的可持续发展之道。
2020年会现场
会议同期将举办“中国商品混凝土行业企业专家委员会第四届第五次会议”、“绿色商砼暨产业链高质量发展产品展示会”、“2021年全国预拌混凝土行业智慧工厂”推介会、“行业标准及团体标准编制研讨会”、“混凝土产业链融合发展沙龙”、“2021年中国混凝土行业管理创新先进个人”、“中国商品混凝土行业最佳品牌示范企业”、“2021年度全国预拌(商品)混凝土行业优秀试验室主任”发布、“主题晚会”等活动。