海工混凝土裂缝及其防治

　　海工混凝土裂缝及其防治海工混凝土建筑物的裂缝是最常见的一种病害，这些裂缝往往是结构物承载能力，耐久性及防水性能降低的主要原因。混凝土的裂缝是由于混凝土内部应力作用和外部荷载作用，以及温差变化等因素作用下形成的。一般桥梁结构构件中，裂缝宽度小于或等于0.05mm的那部分，对使用没多大危害，可允许其存在。但大于0.05mm的裂缝，终究会影响结构物的耐久性，并且有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，不断扩展，不但影响混凝土表面的美观、减小钢筋的混凝土保护层厚度、而且易引发混凝土面层剥落、加速钢筋的锈蚀、降低混凝土的抗冻性及耐久性、严重时甚至发生垮塌事故，所以必须加以控制 [1].
　　近年来大量裂缝的出现，并非与荷载作用有直接关系，而是由于变形所引起，包括温度变形（水泥的水化热、气温变化、环境产生的热）、收缩变形（塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩）及地基不均匀沉降（膨胀）变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混昆凝土的抗拉强度而导致的裂缝统称“变形作用引起的裂缝” [2].
　　产生裂缝的工程实例：
　　黄河小浪底水利枢纽工程在小浪底孔板（导流）洞闸室以下洞身段、排沙洞明流段、明流洞和溢洪道C70高标号硅粉混凝土施工过程中，混凝土都有不同程度的裂缝出现，裂缝宽度一般在0.4-0.8mm，最大宽度2mm，裂缝平均长度4m，掺加粉煤灰25％-40％尽量减少水泥用量，降低混凝土水化热温升，提高混凝土的后期强度及抗裂能力 [3].
　　恰甫其海水利枢纽工程用当地32.5普通硅酸盐水泥掺I级粉煤灰与优质外加剂配制的大流动度高性能混凝土；用当地42.5硅酸盐水泥与硅粉、粉煤灰并掺入膨胀剂、高效减水剂配制的大流动度、高强、高密实性、微膨胀补偿收缩混凝土。2000年已竣工的527m 导流洞与正在浇筑的300m冲砂洞发现二条长3m左右的微细裂缝；底板抗磨层C60高强混凝土发现若干条微细裂缝 [4].
　　法国的五座大坝发生了混凝土膨胀并由此引起大坝坝体变形和内部应力等问题，表现在坝体的升高、坝体自上游向下游或自下游向上游方向的位移和一些典型裂缝的形成，这些裂缝的特点表现在于其生成过程的缓慢性和渐进性 [5].
　　研究与应用：
　　裂缝出现后，就要对其进行修补，不但增加成本，而且对建筑物的耐久性产生影响，所以在保证基础工程设计所规定强度、耐久性等要求和满足施工工艺要求的前提下，应符合合理使用材料，减少水泥用量和降低混凝土的绝热温升的原则。使混凝土不产生裂缝，减少裂缝的另一个重要措施，就是在混凝土中掺人外加剂，它可以使混凝土提高密实程度，有效地提高混凝土抗碳化性，减少碳化收缩；另外它还可以增加混凝土的和易性，在表面形成微膜，减少水分蒸发，减少干燥收缩。如果掺加了减水防裂剂，在保证强度的前提下，可以减少混凝土中水泥用量的15％；另外，还可以改善水泥浆的稠度，减少泌水、沉缩变形。掺人减水剂后混凝土缓凝时间加长，有效地防止水泥迅速水化放热，避免了水泥长期不凝固带来的塑性收缩。
　　目前，国内外有关增强海工混凝土抗裂性的研究已取得一些成果，并且应用于工程实践。
　　地处深圳东海岸的福华德电厂和广东LNG天然气接收站工程，均为海工工程，有的部位甚至在浪溅区，福华德电厂还采用海水作为冷却塔的循环冷却水，在全国还是首创，因此，要求配制高性能海工砼。掺合料使用了大掺量粉煤灰和硅粉的混凝土应用于该海工工程，供应混凝土2万多立方时，仍未出现任何混凝土裂缝 [6].
　　大连“虎滩乐滩乐园水下世界”海工混凝土，经10年多海水浸泡和潮涨潮落的考验，混凝土表层不脱落、不裂、不渗、不漏，耐久性很好。结合工程程实例，作者研究了引气剂、膨胀剂、缓凝减水剂三者对混凝土耐久性的影响。结果表明：采用三种外加剂配制的混凝土具有优良的抗冻融、抗渗和抗裂性能，满足混凝土建筑物耐久性要求，为海工混凝土的配合比设计以及耐久性能研究提供了新的途径和应用经验 [7].
　　杭州湾跨海大桥Ⅷ合同项目部科技人员联合公司内的桥梁科学研究院，研制出了C50海工耐久混凝土，在混凝土抗裂、抗腐蚀性能研究方面取得重大突破。而二次张拉法的成功运用，最终解决了混凝土箱梁的裂缝问题.截止7月15日，已预制的51片70米箱梁无一产生明显裂缝 [8].
　　当混凝土暴露在海水或防冻盐里的氯离子时，钢筋就会被腐蚀。根据Herholdt 等人的观点，腐蚀产物可以是最初的钢量的6倍，从而产生足够的压力使混凝土开裂。Mehta和Gerwick研究了穿过旧金山海湾的San Mateo桥由高性能混凝土制作的桥梁的腐蚀损害。桥梁暴露在海水中17年后，蒸汽处理的梁由于腐蚀损坏必须进行修补。这篇文章叙述了对于混凝土的混合料配合比最优化设计，使其能够进行18小时的蒸汽养护 [9].
　　在混凝土中掺加丙乙烯纤维对暴露于氯离子的钢筋混凝土的腐蚀有两方面的影响。首先，通过减轻混凝土的开裂，推迟了被腐蚀的开始时间，可以在“典型”环境中生产出均匀的品质良好的混凝土。使用PFRC的第二个优点最为重要，即一旦腐蚀开始，它可以控制腐蚀速度或使其减弱.普通混凝土受氧化铁内张力的影响容易产生裂缝，同样，利用PFRC控制裂缝和控制裂缝扩展的现象也被证实。当腐蚀的副产品在混凝土内部产生张力时，使用具有此种性能的混凝土非常必要 [10].
　　为了延长州际大桥桥板的服务寿命，美国俄亥俄州交通局实行了材料评估计划，用钢纤维作为细骨料的候选者，掺加到微硅粉中来修饰混凝土，并且可增大超塑密度。研究发现，在混凝土中加入分散的钢纤维能够显著减少早期裂缝的形成和扩散 [11].
　　专利：
　　上海市建筑科学研究院2003年3月19日公开了CN1403400A高性能海工混凝土专用掺合料，以多元凝胶材料的相互叠加效应理论为指导，将矿渣微粉，粉煤灰，硅灰等工业活性外掺原料首次以合适的配比，通过混磨配制而成，该专用掺合料在混凝土的应用中表明，掺合有掺合料的混凝土的力学性能可与等凝胶材料用量的普通波特兰水泥混凝土相当，而且其和易性和耐久性都有大的提高 [12].
　　北京城建集团总公司混凝土分公司1998年9月16日公开了 CN1193662一种高性能混凝土的配制方法及施工技术，以硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥为主要成分，加入外加剂和8-30％的钙铝硅复合掺合料，其外加剂是含有保塑剂的复合减水剂或复合防冻剂，还加入8-15％的膨胀剂，强度等级达到C80—C120，密实性好，可避免混凝土表面裂缝，流动性好，可大规模泵送施工.较C40强度的混凝土自重减轻40％，造价降低16％；特别适用于大跨度铁路、公路桥梁，以及高层建筑的梁柱等 [13].
　　美国2002年8月15日公开了WO02/062719高弹性的混凝土材料，其成分包括：一种弹性聚合物，它的数量足以使最终的材料具有弹性；一种硅酯增加弹性聚合物和水泥之间的粘合力；具有低收缩和膨胀系数的水泥；填充物和水处理水泥，以及配制混凝土材料。这种材料还可以用来修补混凝土表面的裂缝 [14].