膨脹劑在污水處理廠等池體超長結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

［摘  要］ 隨著城市大量污水處理廠工程的興建，與之有關(guān)的超長構(gòu)筑物的裂縫的控制越來越重要。本文針對污水處理廠工程鋼筋混凝土的技術(shù)特點(diǎn)，介紹了工程中常采用的四種設(shè)計(jì)與施工方法，工程應(yīng)用結(jié)果表明，采用補(bǔ)償收縮混凝土對控制污水處理廠工程池體混凝土的早期收縮和有害裂縫是有明顯的作用。

［關(guān)鍵詞］ 補(bǔ)償收縮混凝土；裂縫；無縫設(shè)計(jì)；限制膨脹率；膨脹加強(qiáng)帶

1  前言

     污水處理廠工程一般由四大區(qū)組成，即污水處理構(gòu)筑物（有污水進(jìn)水閘井、泵房、沉砂池、初沉淀池、二次沉淀池、曝氣池、配水池、調(diào)節(jié)池、生物反應(yīng)池、氧化溝、計(jì)量槽等），污泥處理構(gòu)筑物（有污泥濃縮池、污泥消化池、貯泥池等），污水處理廠建筑物（有鼓風(fēng)機(jī)房、污泥脫水機(jī)房、發(fā)電機(jī)房、變配電設(shè)備房、綜合辦公樓等），配套工程（有道路、照明、綠化、廠區(qū)給排水等）。其中施工難度最大、也是關(guān)鍵的是氧化溝（池）、終沉池等結(jié)構(gòu)部位；氧化池一般為長方形結(jié)構(gòu)，終沉池為圓形薄壁式結(jié)構(gòu)，其共同特點(diǎn)是屬超長鋼筋混凝土構(gòu)筑物。

    污水處理廠工程一般設(shè)計(jì)安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用期限為50年，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C25～C40，抗?jié)B等級為≥0.6MPa（即P6），外露的鋼筋混凝土構(gòu)筑物的混凝土應(yīng)具有良好的抗凍性能，抗凍等級在F50～F200?；炷潦┕し绞接鞋F(xiàn)場攪拌泵送或商品泵送混凝土；水灰（膠）比一般要求≤0.45，水泥單方用量不小于320Kg／m³,為了預(yù)防堿骨料反應(yīng)對結(jié)構(gòu)的破壞，混凝土中最大堿含量控制在3.0Kg／m³之內(nèi)；骨料宜選用中粗砂，砂子含泥量≤3%，石子級配要求合理，宜采用連續(xù)級配，石子含泥量≤1%；混凝土配合比的砂率宜為35%～40%，入泵坍落度要求控制在120±20mm，新拌混凝土的施工性能如和易性，粘聚性要好，不能出現(xiàn)離析、泌水和分層現(xiàn)象，混凝土配制強(qiáng)指標(biāo)28天要求達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；還有抗?jié)B、抗腐蝕，寒冷地區(qū)抗凍性能要求達(dá)到或大于設(shè)計(jì)技術(shù)要求。當(dāng)混凝土滿足抗?jié)B要求時(shí)，一般可不作其它防水、防腐處理，即混凝土采用剛性結(jié)構(gòu)自防水技術(shù)。

2  污水處理廠超長結(jié)構(gòu)（池體）的設(shè)計(jì)與施工措施

      混凝土結(jié)構(gòu)從施工之日起，就處在變化著的大氣環(huán)境中，這一點(diǎn)在結(jié)構(gòu)施工階段尤為明顯。由于物體的熱脹冷縮是永恒的自然規(guī)律，混凝土在大氣中硬化和干濕度變化發(fā)生的體積變化是材料的特性；因此，混凝土發(fā)生體積變化——溫度收縮變形是不可避免的客觀存在。由于混凝土結(jié)構(gòu)是處在約束條件之中，溫度收縮變形必然要產(chǎn)生約束力，當(dāng)約束應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時(shí)會成為有害的貫穿裂縫，過大的溫度收縮應(yīng)力是出現(xiàn)溫度收縮裂縫最本質(zhì)的原因，因此，結(jié)構(gòu)的尺寸超出一定的范圍，而約束又相對較為強(qiáng)勁的結(jié)構(gòu)抵抗溫度收縮裂縫的能力就會比較脆弱。所以,文獻(xiàn)^【1】從結(jié)構(gòu)溫度收縮應(yīng)力與結(jié)構(gòu)長度呈非線性關(guān)系的原理提出“抗與放”的設(shè)計(jì)方法來控制混凝土有害裂縫，通過設(shè)計(jì)、施工、材料等方面綜合技術(shù)措施將裂縫控制在無害的范圍內(nèi)；文獻(xiàn)^{【2、3、4】}從應(yīng)用補(bǔ)償收縮混凝土方面來解決混凝土早期收縮和有害裂縫的控制方法是比較成功的。

      在污水處理工程中，池體長寬尺寸超過現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的工程越來越多，由于這類結(jié)構(gòu)超長，溫度變化和收縮產(chǎn)生的變形應(yīng)力較大，很容易產(chǎn)生有害裂縫，并且池體結(jié)構(gòu)有防水抗?jié)B要求，如果出現(xiàn)有害裂縫，直接影響到池體構(gòu)筑物的安全和工程的耐久性，所以，當(dāng)池體等構(gòu)筑物超長時(shí)，規(guī)范要求設(shè)置能夠釋放變形的伸縮縫，在污水處理廠工程的設(shè)計(jì)中，往往采用如下四種設(shè)計(jì)措施解決混凝土溫度變化而形成的收縮裂縫。

2_·1設(shè)計(jì)方法之一：在構(gòu)筑物中設(shè)置永久收縮縫

      按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，將一個(gè)整體構(gòu)筑物（如水池）按要求分成兩段或多段，每段長度限制在規(guī)范規(guī)定的允許范圍之內(nèi)（如20m或30m之內(nèi)）。伸縮處鋼筋斷開，用遇水膨脹橡膠止水帶連接，施工完后用瀝青等材料填塞。該方法即為“放”的設(shè)計(jì)原則，這種縫的構(gòu)造相對復(fù)雜，施工難度較大，設(shè)計(jì)及施工均需要十分小心，否則容易造成連接縫處的滲漏。這種設(shè)計(jì)方法池體內(nèi)外還需要考慮增加建筑外防水或防腐功能，同時(shí)結(jié)構(gòu)的整體抗震能力也將受影響。

2_·2設(shè)計(jì)方法之二：在構(gòu)筑物中設(shè)置后澆帶

      為防止混凝土的各類收縮及溫濕度變形，若不設(shè)溫度伸縮逢時(shí)，每隔30m左右設(shè)一條后澆帶，后澆帶寬度為800mm～1000mm，它只是在施工期間保留的臨時(shí)性變形縫，此處的鋼筋可斷開也可貫通，后澆帶內(nèi)的混凝土待兩側(cè)澆筑完后二個(gè)月再用微膨脹混凝土回填。后澆帶只能解決混凝土在施工期間的收縮問題，并不能解決季節(jié)溫濕差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力問題。尤其對于暴露在地上的薄壁池體，隨著時(shí)間的延續(xù)，后澆帶也很難保證池體混凝土不發(fā)生開裂滲水。這也是“放”的設(shè)計(jì)方法。

2_·3設(shè)計(jì)方法之三：預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土技術(shù)

     在建筑工程中，采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)對解決混凝土開裂和減少伸縮縫，提高建筑物耐久性具有良好的應(yīng)用前景。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是以通過張拉后預(yù)應(yīng)力筋回彈擠壓，使混凝土截面受對內(nèi)壓力，以全部抵消荷載作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)基本或完全處于受壓狀態(tài)。于普通鋼筋混凝土相比，預(yù)應(yīng)力混凝土提高了結(jié)構(gòu)的抗裂度和鋼度，增加結(jié)構(gòu)的耐久性，同時(shí)還能充分發(fā)揮高強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)剛材性能，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。其特點(diǎn)還具有調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力和減少甚至取消大面積工程伸縮縫，防止開裂的技術(shù)特點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)方法方法在污水處理廠構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)中，在整體澆筑池壁等部位上纏繞高強(qiáng)度低松馳無粘結(jié)鋼絞線，沿縱向曲線布置，兩端張拉，張拉端用Ⅰ類夾片式錨具，固定端為Ⅰ類P型錨具，使池壁等環(huán)向處于受壓狀態(tài)，從而控制有害裂縫的產(chǎn)生概率，能提高整體構(gòu)件的抗裂性能和剛度，達(dá)到工程防裂抗?jié)B的目的。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)張拉時(shí)，需混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度85%以上才能施加預(yù)應(yīng)力，此期間正是混凝土最易出現(xiàn)收縮裂縫，在施加預(yù)應(yīng)力后，混凝土仍繼續(xù)收縮，會造成預(yù)應(yīng)力損失。而采用補(bǔ)償收縮混凝土與預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合，可以較好地解決施加預(yù)應(yīng)力前的混凝土收縮開裂和施加預(yù)應(yīng)力后的應(yīng)力損失。如中國市政工程華北設(shè)計(jì)院在污水處理廠的初沉池、二沉池等結(jié)構(gòu)部位廣泛采用后張拉無粘接預(yù)應(yīng)力和膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法防止池壁等構(gòu)件易出現(xiàn)的非結(jié)構(gòu)性裂縫。這種設(shè)計(jì)手段被工程界稱之為“抗”的設(shè)計(jì)方法。但劉志剛等人^【5】認(rèn)為水池等結(jié)構(gòu)不宜使用鈣礬石類的膨脹劑，認(rèn)為膨脹劑中的延遲鈣礬石生成現(xiàn)象會給水池等結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性的后果，而游寶坤等人^{【6】【7】}認(rèn)為摻膨脹劑的混凝土膨脹穩(wěn)定，強(qiáng)度無倒縮現(xiàn)象，到目前為止沒有發(fā)現(xiàn)一例因摻入膨脹劑后形成延遲鈣礬石膨脹破壞的工程事故，在污水處理池體、地下工程、大體積混凝土等結(jié)構(gòu)部位應(yīng)用補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是可靠安全的。GB50119-2003規(guī)范規(guī)定，鈣礬石類膨脹劑不得用于長期處于環(huán)境溫度大于80℃的鋼筋混凝土工程。作者通過長期工程實(shí)踐認(rèn)為，在污水處理廠池體等結(jié)構(gòu)部位應(yīng)用膨脹劑也是不會發(fā)生延遲鈣石膨脹破壞的，而且池體結(jié)構(gòu)不屬于大體積混凝土工程也不會長期處于80℃的環(huán)境中。

2_·4設(shè)計(jì)方法之四：超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)

     超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)施工方法是以補(bǔ)償收縮混凝土為結(jié)構(gòu)材料，以加強(qiáng)帶取代后澆縫（帶）連續(xù)澆筑施工的一種新技術(shù)和工藝。補(bǔ)償收縮混凝土中摻入膨脹劑后形成一種適度膨脹的混凝土，鋼筋對它的膨脹產(chǎn)生限制作用，鋼筋本身也因與混凝土一起膨脹而產(chǎn)生拉應(yīng)力，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng)力，以其膨脹來抵消混凝土的全部或大部分收縮，因而避免或大大減輕了混凝土的開裂。另一方面膨脹結(jié)晶體鈣礬石具有填充、阻塞毛細(xì)孔縫，改善孔結(jié)構(gòu)，使普通混凝土抗?jié)B能力得到大幅度提高，可以實(shí)現(xiàn)混凝土剛性結(jié)構(gòu)自防水，并且可以達(dá)到取消工程底板迎水面部位外防水的目的和作用。

     “無縫設(shè)計(jì)”是相對的，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)具體情況，可無縫或少縫。這里的“縫”指的是釋放收縮應(yīng)力的后澆帶或永久伸縮縫，它不包括沉降縫。其設(shè)計(jì)思路是“抗放兼?zhèn)洌钥篂橹鳌?，即在結(jié)構(gòu)區(qū)段長度超過規(guī)范規(guī)定的范圍時(shí)不設(shè)伸縮縫和后澆帶，而采用設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶替代后澆帶，膨脹加強(qiáng)帶寬2m，帶的兩側(cè)分別架設(shè)密孔鋼絲網(wǎng)，以免不同配比的混凝土流入加強(qiáng)帶內(nèi)，施工時(shí)帶外側(cè)混凝土為摻入一定量的膨脹劑，配制成補(bǔ)償收縮混凝土，到加強(qiáng)帶時(shí)更換高一強(qiáng)度等級大膨脹率填充性混凝土澆筑，之后繼續(xù)澆筑帶外側(cè)的補(bǔ)償收縮混凝土，并如此循環(huán)下去。

     在工程實(shí)際應(yīng)用中，可利用補(bǔ)償收縮混凝土產(chǎn)生的限制膨脹率（1.5～2.5）×10^－4，在配筋率µ=0.2～0.8%的鋼筋作用下，可在結(jié)構(gòu)中建立0.2～0.7MPa預(yù)應(yīng)壓力，這一預(yù)應(yīng)壓力大致可以補(bǔ)償混凝土在硬化過程中產(chǎn)生溫差和干縮的拉應(yīng)力，從而有效地防止混凝土收縮開裂，或把裂縫控制在無害裂縫范圍內(nèi)（小于0.2mm）?；谶@一“抗”的原理，采用補(bǔ)償收縮混凝土的后澆縫(帶)的最大間距可按GB50119—2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定延長至60m是安全的，比GB50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定20～30m增加一倍左右。這是無縫設(shè)計(jì)概念中“少縫”的含義，已成功應(yīng)用于污水處理廠、地下車庫、人防工程、地鐵、隧道、體育場看臺、大型設(shè)備基礎(chǔ)等工程中。

     上述幾種設(shè)計(jì)方法在工程中互相交叉使用，其目的是為了解決污水處理廠等工程中容易出現(xiàn)的有害裂縫，提高工程的質(zhì)量和耐久性，如上海市政工程設(shè)計(jì)研究院等應(yīng)用補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)自防水和超長結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)的新方法和新工藝來解決污水處理廠等池體早期有害裂縫。

3  補(bǔ)償收縮混凝土在工程中的應(yīng)用

      采用UEA-W膨脹劑配制成補(bǔ)償收縮混凝土解決工程裂縫的方法已成功應(yīng)用于眾多大型污水處理工程，如武漢凱迪、宜昌太平溪、宜昌沙河、廣州市獵德、上海臨江、上海奉賢亞東石化廠、懷化市、瑞市、惠州污水處理廠以及東莞市謝崗第三水廠、東莞市第六水廠、長沙星沙水廠、蘇州吳中區(qū)水廠擴(kuò)建工程、上海市嘉定水廠等超長池體等結(jié)構(gòu)工程中。

4  補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)要求和體會

4_·1混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及到設(shè)計(jì)、施工、材料和管理等各個(gè)方面。應(yīng)用UEA-W補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，在設(shè)計(jì)方面，要根據(jù)不同的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，采用“抗與放”的設(shè)計(jì)原則，文獻(xiàn)^【8】在論及超長結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工時(shí)指出：“應(yīng)根據(jù)工程的具體情況確定伸縮縫、后澆帶間距，特別要考慮結(jié)構(gòu)受限制的程度，限制程度高，伸縮縫、后澆帶間距要短，反之，則可長些。應(yīng)用情況表明，補(bǔ)償收縮混凝土在地下工程中應(yīng)用比較成功，在結(jié)構(gòu)受限制程度低，完工后能及時(shí)回填，溫差較小的工程中，通過采取“細(xì)而密”的配筋措施，可以做到不設(shè)永久伸縮縫，后澆帶間距以60m 左為宜。在北方寒冷地區(qū)，由于地表溫差很大，建議采用補(bǔ)償收縮混凝土與預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法等均可有效地避免或減少超長的大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫。文獻(xiàn)^［9］指出，特別在易裂的墻體（池體）等部位，由于所受的約束程度不同，建議采用0.4～0.6%左右的配筋率，水平筋的間距在100～150mm以內(nèi)，以增加混凝土的極限拉伸值，在墻體中部或頂部300～400mm范圍內(nèi)的水平筋間距改為80～100mm，形成一道“暗梁”，以平衡收縮應(yīng)力。工程應(yīng)用實(shí)踐表明,池體長度在40m以上的大型污水處理廠工程中，配筋率在0.5%左右的情況下，補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率要大于2.5×10^－4以上才有可能不發(fā)生有害裂縫，對于超長工程池體等薄壁結(jié)構(gòu)，可采用設(shè)計(jì)2m寬的后澆膨脹加強(qiáng)帶的形式解決，間距宜為40～50m，以釋放部分收縮應(yīng)力，待兩側(cè)的補(bǔ)償收縮混凝土澆筑完畢，14天后再用摻膨脹劑的大膨脹量混凝土回填，回填的補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率宜大于3.0×10^－4以上, UEA-W膨脹劑的摻量宜為12～14%,其它兩側(cè)摻量宜大于8%～10%即可。

4_·2補(bǔ)償收縮混凝土施工時(shí)，要針對工程特點(diǎn)和膨脹混凝土的特性，混凝土的振搗必須密實(shí)，不得漏振、欠振或過振。在混凝土終凝以前，要用人工或機(jī)械多次抹壓，防止表面沉縮裂縫的產(chǎn)生，以免影響外觀質(zhì)量。后澆膨脹加強(qiáng)帶中雜物必須清除干凈，充分預(yù)濕，然后以填充用膨脹混凝土澆筑;摻膨脹劑的混凝土要特別加強(qiáng)保護(hù)，膨脹結(jié)晶體鈣礬石生成需要水，補(bǔ)償收縮混凝土澆筑后早期7～14天濕養(yǎng)護(hù),才能發(fā)揮補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹效應(yīng)。底板等部位較易養(yǎng)護(hù)，能蓄水養(yǎng)護(hù)最好，也可用麻袋或草席等覆蓋，定期澆水養(yǎng)護(hù);池體等立面結(jié)構(gòu)，受外界溫度、濕度影響較大，容易發(fā)生豎向裂縫。工程實(shí)踐表明，混凝土澆筑完3～4天內(nèi)水化熱溫升最高，而抗拉強(qiáng)度很低，如果早拆模扳，墻體內(nèi)外溫差較大時(shí)而易開裂，因此，墻體模板拆除時(shí)間宜不早于3天。如果采用木模板，墻體澆筑完后，1～2天后可松開木模板螺栓，讓模板離墻體2mm間隙，在墻體頂部布置軟水管,或PVC管，并在軟水管兩側(cè)每隔20cm鉆出水小孔，噴淋澆水養(yǎng)護(hù)5～7天后拆除模扳，再采用淋水和掛濕麻袋或毛氈覆蓋，保濕保溫養(yǎng)護(hù)至14天；如采用鋼模板，也需帶模養(yǎng)護(hù)3～5天, 拆模后宜采用涂抹養(yǎng)護(hù)液等方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。但冬季施工時(shí)不能澆水，采用保溫養(yǎng)護(hù)措施不少于14天。混凝土入模坍落度不宜過大，以140～160mm為佳，反之會引起混凝土離析而造成墻體（池體）混凝土的勻質(zhì)性變差，造成其在硬化時(shí)收縮應(yīng)力不均而產(chǎn)生裂縫。對外墻體（池體）回填土宜盡快完成并夯實(shí)，特別是在秋冬季節(jié)施工應(yīng)引起重視, 以防止外界溫度驟降時(shí)引起較大溫差應(yīng)力而開裂。

4_·3采用補(bǔ)償收縮混凝土，在材料方面，關(guān)鍵措施是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，通過摻加膨脹劑、高效減水劑以及活性混合材料（如粉煤灰、礦粉等）最大限度地降低水泥用量，延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間，推遲混凝土水化熱峰值，使混凝土在開始降溫時(shí)，讓其抗拉強(qiáng)度能夠得到足夠的增長。夏季施工時(shí)混凝土入模溫度宜小于30℃，冬天施工時(shí)入模的溫度宜高于5℃。同時(shí)要根據(jù)工程的特點(diǎn)和使用部位，合理確定水泥品種，膨脹劑的摻量，配制出膨脹性能大，補(bǔ)償收縮性能好（按GB50119—2003要求，施工用補(bǔ)償收縮混凝土水中14天養(yǎng)護(hù)限制膨脹率≥1.5×10^－4，空氣中28ｄ的限制干縮率≤3.0×10^－4）,施工容易，強(qiáng)度有保證，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)補(bǔ)償收縮混凝土配合比是關(guān)鍵。

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［作者簡介］李  暉（1966- ） 男 ,高級工程師，武漢三源特種建材有限責(zé)任公司總工程師，長期從事混凝土與混凝土外加劑開發(fā)與工程應(yīng)用研究工作.

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