港航工程中大体积混凝土裂缝控制技术研究与应用

1 引言

港航工程是国家 “一带一路” 及沿海经济带建设的重要支撑，其大体积混凝土结构（单次浇筑量通常超 1000m³ ，最小断面尺寸⩾1m ）是码头、航道、防波堤等设施的核心承载单元。与民用建筑、市政工程相比，港航工程大体积混凝土面临更严苛的服役环境：一方面，海水的氯离子、硫酸盐会加速混凝土碳化与钢筋锈蚀，微小裂缝会成为侵蚀介质的 “通道”，导致结构强度衰减；另一方面，波浪冲击、船舶靠泊荷载、潮汐涨落带来的交变应力，会使裂缝持续扩展，最终引发结构渗漏、承载能力下降等安全事故。

2 港航工程大体积混凝土的工程特性

2.1 海洋环境的强侵蚀性

港航混凝土长期接触海水或处于潮汐区，海水中的 Cl⁻ 浓度可达 1500-2500mg/L ，是淡水环境的 50-100 倍。这种高浓度氯离子具有极强的渗透性，能穿透混凝土保护层，破坏钢筋表面钝化膜，引发锈蚀膨胀（钢筋锈蚀后体积增大 2-3 倍），进而导致混凝土出现“锈胀裂缝”。研究数据表明，在氯离子侵蚀环境下，钢筋混凝土结构的使用寿命可缩短 30%-50% 。

​2.2 荷载作用的复杂性

港航混凝土结构长期处于复杂的受力环境，承受的多重荷载叠加对结构安全影响显著。扩写时先阐述荷载特点，再结合实际案例、数据细化各类荷载，最后说明应力集中与裂缝关系，增强专业性与说服力。港航混凝土结构需承受多重荷载叠加，其受力状态的复杂性远超一般民用建筑。在永久荷载方面，除结构自重外，港口码头堆货荷载具有分布集中、持续作用的特点。

2.3 施工环境的特殊性

港航工程多位于沿海滩涂或离岸区域，施工受潮汐、风浪影响显著。在潮汐作用方面，由于浇筑窗口受限，当潮汐涨幅超 0.5m 时，水下混凝土浇筑必须暂停。这种频繁的中断极易造成施工缝处理不当，而施工缝处是混凝土结构的薄弱环节，若处理不好，后期在荷载和环境作用下，裂缝极易从施工缝处萌生并扩展。在原材料运输环节，面临着巨大挑战。砂石料若露天堆放，极易受海水浸泡。

​3 港航工程大体积混凝土裂缝成因分析

3.1 内在因素：温度应力主导

港航工程大体积混凝土（如沉箱、码头承台）的水泥用量通常为 300-350kg/m³ ，水化热释放集中，内部最高温度可达 60-75°C ，而表面受海风、海水冷却影响，温度仅 25-30^∘C ，内外温差可达35-45°C 。根据热胀冷缩原理，混凝土内部膨胀受表面约束，产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，会引发 “温度收缩裂缝”—— 这类裂缝多为纵向或斜向，宽度 0.2-0.5mm ，深度可达50-100cm ，是港航工程最常见的裂缝类型。此外，港航混凝土的后期降温过程若速率过快（如夜间海风骤强，降温速率超 2% ），会产生 “降温收缩应力”，进一步加剧裂缝扩展。

3.2 外在因素：环境与施工协同作用

Cl⁻ 与 SO₄^2- 的侵蚀会导致混凝土内部结构疏松，降低抗拉强度，使原本未贯穿的微裂缝在荷载作用下快速扩展为贯通裂缝。从化学侵蚀机理来看，Cl⁻ 能够穿透混凝土表面钝化膜，与水化产物发生络合反应，生成不致密的 Friedel 盐，破坏水泥石结构；而 SO₄^2- 会与水化铝酸钙反应生成钙矾石，在结晶过程中产生膨胀应力，加速微裂缝发育。某港口码头检测数据显示：受海水侵蚀 3 年后，混凝土抗拉强度下降 15%-20% ，裂缝扩展速率较淡水环境快 2-3 倍。进一步分析发现，在潮汐变动区，由于干湿交替作用加剧了侵蚀介质的渗透，裂缝扩展速率比长期浸水区域高出 40%-60% 。

​4 港航工程大体积混凝土裂缝控制关键技术

4.1 材料优化技术：低热化与抗侵蚀适配

4.1.1 胶凝材料选型

优先选用低热矿渣硅酸盐水泥（ P⋅S⋅A42.5 ），其 3d 水化热⩽230kJ/kg ，7d 水化热 ⩽270kJ/kg ，较普通硅酸盐水泥降低 20% -25% ；同时掺加Ⅰ 级粉煤灰（掺量 25%-30% ）与S95 级矿渣粉（掺量 15%-20% ），利用 “二次水化反应” 延缓水化热释放，降低内部最高温度。

4.1.2 抗侵蚀外加剂与骨料控制

外加剂：选用聚羧酸系高性能减水剂（减水率 ⩾25% ），减少水泥用量（每减少 10kg/m³ 水泥，水化热降低 5%-8% ）；同时掺加阻锈剂（如氨基醇类阻锈剂，掺量 2%-3% ），在钢筋表面形成保护膜，阻断 Cl⁻ 侵蚀。骨料：选用花岗岩碎石（粒径 5-31.5mm ，连续级配），其线膨胀系数小（ 6×10^-6/^c ），可降低温度收缩；细骨料采用洁净河砂（含泥量 ⩽1% ，泥块含量 ⩽0.5% ），避免海砂直接使用（若使用海砂，需经淡水冲洗至 Cl⁻ 含量 ⩽0.03% ）。

4.2 施工过程控制技术：分层控温与动态监测

4.2.1 分层浇筑与振捣管控

结合港航工程施工窗口（如平潮期），采用 “斜面分层法” 浇筑，分层厚度控制在 30-40cm ，浇筑速度 ⩽2m³/min ，确保上下层混凝土浇筑间隔≤初凝时间（一般为 4-6h）。振捣采用插入式振捣器（振捣半径 50cm ），振捣时间 15-20s，至混凝土表面泛浆无气泡为止，避免漏振或过振。

4.2.2 智能化温度监测与温控措施

内部降温：预埋 Φ50mm 冷却水管，通入 20-25°C 循环水（流量 1.5-2m³/h ），每降低 1℃内部温度需通水 24-36h；

表面保温：浇筑完成后 2h 内覆盖阻燃保温被（厚度 5-8cm ），并在保温层下铺设塑料薄膜保湿，减少表面散热速率。

4.3 结构设计优化技术：应力释放与荷载适配

4.3.1 设置抗裂构造

在沉箱、墩台等结构的转角处设置圆弧过渡段（半径⩾30cm ），减少应力集中；

沿结构长度方向每 20-30m 设置后浇带（宽度 80-100cm ），待两侧混凝土收缩稳定后（一般 28d 后），采用补偿收缩混凝土（膨胀率 0.02%-0.03% ）浇筑；

4.3.2 荷载优化设计

通过有限元软件（如 ANSYS）模拟船舶靠泊、波浪荷载对混凝土的应力影响，优化结构断面尺寸：例如将码头胸墙的悬臂长度从 1.5m 缩短至 1.2m ，减少悬臂端的弯矩应力；在防波堤迎浪面设置消波孔，降低波浪冲击力（可减少 30%-40% 的冲击应力）。

4.4 养护与修复技术：适配海洋环境

4.4.1 海洋环境专项养护

潮汐区结构：采用 “蓄水养护 + 塑料薄膜包裹”，蓄水深度10-15cm ，养护期 ⩾14d ，避免海水直接接触新浇筑混凝土；离岸结构（如沉箱）：出运前在表面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料（厚度 1.5-2mm ），形成封闭防水层，同时采用喷淋养护（每 2h 喷淋 1次，每次 30min ）。

4.4.2 裂缝修复技术

针对已出现的裂缝，根据裂缝宽度与位置选择修复方案：

表面裂缝（宽度 <0.2mm ）：采用环氧树脂砂浆封闭，涂抹厚度 2-3mm ，增强表面抗侵蚀能力；深层裂缝（宽度 0.2-0.5mm ）：采用低压灌浆技术，注入环氧树脂浆液（压力 0.2-0.3MPa ），灌浆后养护 7d；水下裂缝（如码头水下墩台）：采用水下环氧灌浆料，配合潜水作业施工，灌浆后采用沙袋压载固化。

参考文献

[1] 符业晃 ， 代应刚 ， 李泳龙 . 船闸工程大体积混凝土裂缝控制施工技术 [J]. 水运工程 ，2023，（10）：99-103+114.

[2] 王鹏辉 ， 许琼鸽 . 大体积混凝土裂缝控制技术在建筑工程中的应用 [J]. 建筑结构 ，2022，52（S02）：1015-1018.

[3] 于占秋 . 港口航道工程大体积混凝土裂缝施工控制技术研究 [J]. 珠江水运 ，2025，（08）：138-140.