膨脹劑在污水處理廠等池體超長結構工程中的應用

［摘 要］ 隨著城市大量污水處理廠工程的興建，與之有關的超長構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特點，介紹了工程中常采用的四種設計與施工方法，工程應用結果表明，采用補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。

［關鍵詞］ 補償收縮混凝土；裂縫；無縫設計；限制膨脹率；膨脹加強帶

1 前言

污水處理廠工程一般由四大區(qū)組成，即污水處理構筑物，污泥處理構筑物，污水處理廠建筑物，配套工程。其中施工難度最大、也是關鍵的是氧化溝、終沉池等結構部位；氧化池一般為長方形結構，終沉池為圓形薄壁式結構，其共同特點是屬超長鋼筋混凝土構筑物。

污水處理廠工程一般設計安全等級為二級，設計使用期限為50年，混凝土設計強度等級為C25～C40，抗?jié)B等級為≥0.6MPa，外露的鋼筋混凝土構筑物的混凝土應具有良好的抗凍性能，抗凍等級在F50～F200?；炷潦┕し绞接鞋F場攪拌泵送或商品泵送混凝土；水灰比一般要求≤0.45，水泥單方用量不小于320Kg／m3,為了預防堿骨料反應對結構的破壞，混凝土中最大堿含量控制在3.0Kg／m3之內；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，不能出現離析、泌水和分層現象，混凝土配制強指標28天要求達到設計強度要求；還有抗?jié)B、抗腐蝕，寒冷地區(qū)抗凍性能要求達到或大于設計技術要求。當混凝土滿足抗?jié)B要求時，一般可不作其它防水、防腐處理，即混凝土采用剛性結構自防水技術。

2 污水處理廠超長結構的設計與施工措施

混凝土結構從施工之日起，就處在變化著的大氣環(huán)境中，這一點在結構施工階段尤為明顯。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。由于混凝土結構是處在約束條件之中，溫度收縮變形必然要產生約束力，當約束應力超過混凝土的抗拉強度時，就會出現裂縫，嚴重時會成為有害的貫穿裂縫，過大的溫度收縮應力是出現溫度收縮裂縫最本質的原因，因此，結構的尺寸超出一定的范圍，而約束又相對較為強勁的結構抵抗溫度收縮裂縫的能力就會比較脆弱。所以,文獻【1】從結構溫度收縮應力與結構長度呈非線性關系的原理提出“抗與放”的設計方法來控制混凝土有害裂縫，通過設計、施工、材料等方面綜合技術措施將裂縫控制在無害的范圍內；文獻【2、3、4】從應用補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行設計規(guī)范的工程越來越多，由于這類結構超長，溫度變化和收縮產生的變形應力較大，很容易產生有害裂縫，并且池體結構有防水抗?jié)B要求，如果出現有害裂縫，直接影響到池體構筑物的安全和工程的耐久性，所以，當池體等構筑物超長時，規(guī)范要求設置能夠釋放變形的伸縮縫，在污水處理廠工程的設計中，往往采用如下四種設計措施解決混凝土溫度變化而形成的收縮裂縫。

2·1設計方法之一：在構筑物中設置永久收縮縫

按現行設計規(guī)范，將一個整體構筑物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。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”的設計原則，這種縫的構造相對復雜，施工難度較大，設計及施工均需要十分小心，否則容易造成連接縫處的滲漏。這種設計方法池體內外還需要考慮增加建筑外防水或防腐功能，同時結構的整體抗震能力也將受影響。

2·2設計方法之二：在構筑物中設置后澆帶

為防止混凝土的各類收縮及溫濕度變形，若不設溫度伸縮逢時，每隔30m左右設一條后澆帶，后澆帶寬度為800mm～1000mm，它只是在施工期間保留的臨時性變形縫，此處的鋼筋可斷開也可貫通，后澆帶內的混凝土待兩側澆筑完后二個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)溫濕差所產生的溫度應力問題。尤其對于暴露在地上的薄壁池體，隨著時間的延續(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”的設計方法。

2·3設計方法之三：預應力鋼筋混凝土技術

在建筑工程中，采用預應力技術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用前景。預應力混凝土結構是以通過張拉后預應力筋回彈擠壓，使混凝土截面受對內壓力，以全部抵消荷載作用產生的拉應力，使結構基本或完全處于受壓狀態(tài)。于普通鋼筋混凝土相比，預應力混凝土提高了結構的抗裂度和鋼度，增加結構的耐久性，同時還能充分發(fā)揮高強度混凝土和高強剛材性能，提高綜合經濟效益。其特點還具有調整結構內力和減少甚至取消大面積工程伸縮縫，防止開裂的技術特點。這種設計方法方法在污水處理廠構筑物的設計中，在整體澆筑池壁等部位上纏繞高強度低松馳無粘結鋼絞線，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生概率，能提高整體構件的抗裂性能和剛度，達到工程防裂抗?jié)B的目的。采用預應力技術張拉時，需混凝土達到設計的強度85%以上才能施加預應力，此期間正是混凝土最易出現收縮裂縫，在施加預應力后，混凝土仍繼續(xù)收縮，會造成預應力損失。而采用補償收縮混凝土與預應力技術相結合，可以較好地解決施加預應力前的混凝土收縮開裂和施加預應力后的應力損失。如中國市政工程華北設計院在污水處理廠的初沉池、二沉池等結構部位廣泛采用后張拉無粘接預應力和膨脹劑配制補償收縮混凝土相結合的設計方法防止池壁等構件易出現的非結構性裂縫。這種設計手段被工程界稱之為“抗”的設計方法。但劉志剛等人【5】認為水池等結構不宜使用鈣礬石類的膨脹劑，認為膨脹劑中的延遲鈣礬石生成現象會給水池等結構帶來災難性的后果，而游寶坤等人【6】【7】認為摻膨脹劑的混凝土膨脹穩(wěn)定，強度無倒縮現象，到目前為止沒有發(fā)現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、大體積混凝土等結構部位應用補償收縮混凝土結構穩(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踐認為，在污水處理廠池體等結構部位應用膨脹劑也是不會發(fā)生延遲鈣石膨脹破壞的，而且池體結構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設計方法之四：超長鋼筋混凝土結構無縫設計

超長鋼筋混凝土結構無縫設計施工方法是以補償收縮混凝土為結構材料，以加強帶取代后澆縫連續(xù)澆筑施工的一種新技術和工藝。補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，鋼筋對它的膨脹產生限制作用，鋼筋本身也因與混凝土一起膨脹而產生拉應力，同時產生相應的壓應力，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。另一方面膨脹結晶體鈣礬石具有填充、阻塞毛細孔縫，改善孔結構，使普通混凝土抗?jié)B能力得到大幅度提高，可以實現混凝土剛性結構自防水，并且可以達到取消工程底板迎水面部位外防水的目的和作用。

“無縫設計”是相對的，根據工程結構具體情況，可無縫或少縫。這里的“縫”指的是釋放收縮應力的后澆帶或永久伸縮縫，它不包括沉降縫。其設計思路是“抗放兼?zhèn)?，以抗為?rdquo;，即在結構區(qū)段長度超過規(guī)范規(guī)定的范圍時不設伸縮縫和后澆帶，而采用設置膨脹加強帶替代后澆帶，膨脹加強帶寬2m，帶的兩側分別架設密孔鋼絲網，以免不同配比的混凝土流入加強帶內，施工時帶外側混凝土為摻入一定量的膨脹劑，配制成補償收縮混凝土，到加強帶時更換高一強度等級大膨脹率填充性混凝土澆筑，之后繼續(xù)澆筑帶外側的補償收縮混凝土，并如此循環(huán)下去。

在工程實際應用中，可利用補償收縮混凝土產生的限制膨脹率×10－4，在配筋率µ=0.2～0.8%的鋼筋作用下，可在結構中建立0.2～0.7MPa預應壓力，這一預應壓力大致可以補償混凝土在硬化過程中產生溫差和干縮的拉應力，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?；谶@一“抗”的原理，采用補償收縮混凝土的后澆縫(帶)的最大間距可按GB50119—2003《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》規(guī)定延長至60m是安全的，比GB50010—2002《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定20～30m增加一倍左右。這是無縫設計概念中“少縫”的含義，已成功應用于污水處理廠、地下車庫、人防工程、地鐵、隧道、體育場看臺、大型設備基礎等工程中。

上述幾種設計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的有害裂縫，提高工程的質量和耐久性，如上海市政工程設計研究院等應用補償收縮混凝土結構自防水和超長結構無縫設計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 補償收縮混凝土在工程中的應用

采用UEA-W膨脹劑配制成補償收縮混凝土解決工程裂縫的方法已成功應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)水廠擴建工程、上海市嘉定水廠等超長池體等結構工程中。

4 補償收縮混凝土應用技術要求和體會

4·1混凝土結構的裂縫控制是一項系統(tǒng)工程，涉及到設計、施工、材料和管理等各個方面。應用UEA-W補償收縮混凝土時，在設計方面，要根據不同的鋼筋混凝土結構形式，采用“抗與放”的設計原則，文獻【8】在論及超長結構的設計與施工時指出：“應根據工程的具體情況確定伸縮縫、后澆帶間距，特別要考慮結構受限制的程度，限制程度高，伸縮縫、后澆帶間距要短，反之，則可長些。應用情況表明，補償收縮混凝土在地下工程中應用比較成功，在結構受限制程度低，完工后能及時回填，溫差較小的工程中，通過采取“細而密”的配筋措施，可以做到不設永久伸縮縫，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，建議采用補償收縮混凝土與預應力技術相結合的設計方法等均可有效地避免或減少超長的大型鋼筋混凝土結構產生的裂縫。文獻［9］指出，特別在易裂的墻體等部位，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，以增加混凝土的極限拉伸值，在墻體中部或頂部300～400mm范圍內的水平筋間距改為80～100mm，形成一道“暗梁”，以平衡收縮應力。工程應用實踐表明,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構，可采用設計2m寬的后澆膨脹加強帶的形式解決，間距宜為40～50m，以釋放部分收縮應力，待兩側的補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%,其它兩側摻量宜大于8%～10%即可。

4·2補償收縮混凝土施工時，要針對工程特點和膨脹混凝土的特性，混凝土的振搗必須密實，不得漏振、欠振或過振。在混凝土終凝以前，要用人工或機械多次抹壓，防止表面沉縮裂縫的產生，以免影響外觀質量。后澆膨脹加強帶中雜物必須清除干凈，充分預濕，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保護，膨脹結晶體鈣礬石生成需要水，補償收縮混凝土澆筑后早期7～14天濕養(yǎng)護,才能發(fā)揮補償收縮混凝土的膨脹效應。底板等部位較易養(yǎng)護，能蓄水養(yǎng)護最好，也可用麻袋或草席等覆蓋，定期澆水養(yǎng)護;池體等立面結構，受外界溫度、濕度影響較大，容易發(fā)生豎向裂縫。工程實踐表明，混凝土澆筑完3～4天內水化熱溫升最高，而抗拉強度很低，如果早拆模扳，墻體內外溫差較大時而易開裂，因此，墻體模板拆除時間宜不早于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，并在軟水管兩側每隔20cm鉆出水小孔，噴淋澆水養(yǎng)護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)護至14天；如采用鋼模板，也需帶模養(yǎng)護3～5天, 拆模后宜采用涂抹養(yǎng)護液等方法進行養(yǎng)護。但冬季施工時不能澆水，采用保溫養(yǎng)護措施不少于14天?；炷寥肽Ｌ涠炔灰诉^大，以140～160mm為佳，反之會引起混凝土離析而造成墻體混凝土的勻質性變差，造成其在硬化時收縮應力不均而產生裂縫。對外墻體回填土宜盡快完成并夯實，特別是在秋冬季節(jié)施工應引起重視, 以防止外界溫度驟降時引起較大溫差應力而開裂。

4·3采用補償收縮混凝土，在材料方面，關鍵措施是在滿足結構要求的前提下，通過摻加膨脹劑、高效減水劑以及活性混合材料最大限度地降低水泥用量，延緩混凝土的凝結時間，推遲混凝土水化熱峰值，使混凝土在開始降溫時，讓其抗拉強度能夠得到足夠的增長。夏季施工時混凝土入模溫度宜小于30℃，冬天施工時入模的溫度宜高于5℃。同時要根據工程的特點和使用部位，合理確定水泥品種，膨脹劑的摻量，配制出膨脹性能大，補償收縮性能好,施工容易，強度有保證，科學合理的設計補償收縮混凝土配合比是關鍵。

［參考資料］

[1]王鐵夢， 工程結構裂縫控制【M】北京：中國建筑工業(yè)出版社；2002年，P323。

[2]游寶坤，建筑物裂滲控制新技術【C】北京：中國建材工業(yè)出版社，1994。

[3] 游寶坤，建筑結構裂滲控制新技術【C】北京：中國建材工業(yè)出版社，1998。

[4] 游寶坤，混凝土膨脹劑及其應用【C】北京：中國建材工業(yè)出版社，2002。

[5] 劉志剛，張亞鋒等，大型水池A/O、SBR、氧化溝、清水池結構無溫度伸縫整體設計與施工，工程結構裂縫控制——“王鐵夢法”應用實例集【C】北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005，P556。

[6]游寶坤，李光明，大體積補償收縮混凝土的結構穩(wěn)定性問題，混凝土【J】，2001，5。

[7]游寶坤，席耀忠，鈣礬石的物理化學性能與混凝土的耐久性，混凝土膨脹劑及其應用【C】北京，中國建材工業(yè)出版社，2002，P77。

[8]趙順增，吳萬春等，使用補償收縮混凝土工程實踐，游寶坤主編?；炷僚蛎泟┘捌鋺谩綜】，中國建材工業(yè)出版社，2002，P41。

[9]混凝土外加劑應用技術規(guī)范【S】，中國建筑工業(yè)出版社，2002，P41。

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

［單位地址］武漢市武昌區(qū)中北路117號同成富苑A座1302號

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