膨胀剂在污水处理厂等池体超长结构工程中的应用

［摘  要］ 随着城市大量污水处理厂工程的兴建，与之有关的超长构筑物的裂缝的控制越来越重要。本文针对污水处理厂工程钢筋混凝土的技术特点，介绍了工程中常采用的四种设计与施工方法，工程应用结果表明，采用补偿收缩混凝土对控制污水处理厂工程池体混凝土的早期收缩和有害裂缝是有明显的作用。

［关键词］ 补偿收缩混凝土；裂缝；无缝设计；限制膨胀率；膨胀加强带

1  前言

     污水处理厂工程一般由四大区组成，即污水处理构筑物（有污水进水闸井、泵房、沉砂池、初沉淀池、二次沉淀池、曝气池、配水池、调节池、生物反应池、氧化沟、计量槽等），污泥处理构筑物（有污泥浓缩池、污泥消化池、贮泥池等），污水处理厂建筑物（有鼓风机房、污泥脱水机房、发电机房、变配电设备房、综合办公楼等），配套工程（有道路、照明、绿化、厂区给排水等）。其中施工难度最大、也是关键的是氧化沟（池）、终沉池等结构部位；氧化池一般为长方形结构，终沉池为圆形薄壁式结构，其共同特点是属超长钢筋混凝土构筑物。

    污水处理厂工程一般设计安全等级为二级，设计使用期限为50年，混凝土设计强度等级为C25～C40，抗渗等级为≥0.6MPa（即P6），外露的钢筋混凝土构筑物的混凝土应具有良好的抗冻性能，抗冻等级在F50～F200。混凝土施工方式有现场搅拌泵送或商品泵送混凝土；水灰（胶）比一般要求≤0.45，水泥单方用量不小于320Kg／m³,为了预防碱骨料反应对结构的破坏，混凝土中最大碱含量控制在3.0Kg／m³之内；骨料宜选用中粗砂，砂子含泥量≤3%，石子级配要求合理，宜采用连续级配，石子含泥量≤1%；混凝土配合比的砂率宜为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，不能出现离析、泌水和分层现象，混凝土配制强指标28天要求达到设计强度要求；还有抗渗、抗腐蚀，寒冷地区抗冻性能要求达到或大于设计技术要求。当混凝土满足抗渗要求时，一般可不作其它防水、防腐处理，即混凝土采用刚性结构自防水技术。

2  污水处理厂超长结构（池体）的设计与施工措施

      混凝土结构从施工之日起，就处在变化着的大气环境中，这一点在结构施工阶段尤为明显。由于物体的热胀冷缩是永恒的自然规律，混凝土在大气中硬化和干湿度变化发生的体积变化是材料的特性；因此，混凝土发生体积变化——温度收缩变形是不可避免的客观存在。由于混凝土结构是处在约束条件之中，温度收缩变形必然要产生约束力，当约束应力超过混凝土的抗拉强度时，就会出现裂缝，严重时会成为有害的贯穿裂缝，过大的温度收缩应力是出现温度收缩裂缝最本质的原因，因此，结构的尺寸超出一定的范围，而约束又相对较为强劲的结构抵抗温度收缩裂缝的能力就会比较脆弱。所以,文献^【1】从结构温度收缩应力与结构长度呈非线性关系的原理提出“抗与放”的设计方法来控制混凝土有害裂缝，通过设计、施工、材料等方面综合技术措施将裂缝控制在无害的范围内；文献^{【2、3、4】}从应用补偿收缩混凝土方面来解决混凝土早期收缩和有害裂缝的控制方法是比较成功的。

      在污水处理工程中，池体长宽尺寸超过现行设计规范的工程越来越多，由于这类结构超长，温度变化和收缩产生的变形应力较大，很容易产生有害裂缝，并且池体结构有防水抗渗要求，如果出现有害裂缝，直接影响到池体构筑物的安全和工程的耐久性，所以，当池体等构筑物超长时，规范要求设置能够释放变形的伸缩缝，在污水处理厂工程的设计中，往往采用如下四种设计措施解决混凝土温度变化而形成的收缩裂缝。

2_·1设计方法之一：在构筑物中设置永久收缩缝

      按现行设计规范，将一个整体构筑物（如水池）按要求分成两段或多段，每段长度限制在规范规定的允许范围之内（如20m或30m之内）。伸缩处钢筋断开，用遇水膨胀橡胶止水带连接，施工完后用沥青等材料填塞。该方法即为“放”的设计原则，这种缝的构造相对复杂，施工难度较大，设计及施工均需要十分小心，否则容易造成连接缝处的渗漏。这种设计方法池体内外还需要考虑增加建筑外防水或防腐功能，同时结构的整体抗震能力也将受影响。

2_·2设计方法之二：在构筑物中设置后浇带

      为防止混凝土的各类收缩及温湿度变形，若不设温度伸缩逢时，每隔30m左右设一条后浇带，后浇带宽度为800mm～1000mm，它只是在施工期间保留的临时性变形缝，此处的钢筋可断开也可贯通，后浇带内的混凝土待两侧浇筑完后二个月再用微膨胀混凝土回填。后浇带只能解决混凝土在施工期间的收缩问题，并不能解决季节温湿差所产生的温度应力问题。尤其对于暴露在地上的薄壁池体，随着时间的延续，后浇带也很难保证池体混凝土不发生开裂渗水。这也是“放”的设计方法。

2_·3设计方法之三：预应力钢筋混凝土技术

     在建筑工程中，采用预应力技术对解决混凝土开裂和减少伸缩缝，提高建筑物耐久性具有良好的应用前景。预应力混凝土结构是以通过张拉后预应力筋回弹挤压，使混凝土截面受对内压力，以全部抵消荷载作用产生的拉应力，使结构基本或完全处于受压状态。于普通钢筋混凝土相比，预应力混凝土提高了结构的抗裂度和钢度，增加结构的耐久性，同时还能充分发挥高强度混凝土和高强刚材性能，提高综合经济效益。其特点还具有调整结构内力和减少甚至取消大面积工程伸缩缝，防止开裂的技术特点。这种设计方法方法在污水处理厂构筑物的设计中，在整体浇筑池壁等部位上缠绕高强度低松驰无粘结钢绞线，沿纵向曲线布置，两端张拉，张拉端用Ⅰ类夹片式锚具，固定端为Ⅰ类P型锚具，使池壁等环向处于受压状态，从而控制有害裂缝的产生概率，能提高整体构件的抗裂性能和刚度，达到工程防裂抗渗的目的。采用预应力技术张拉时，需混凝土达到设计的强度85%以上才能施加预应力，此期间正是混凝土最易出现收缩裂缝，在施加预应力后，混凝土仍继续收缩，会造成预应力损失。而采用补偿收缩混凝土与预应力技术相结合，可以较好地解决施加预应力前的混凝土收缩开裂和施加预应力后的应力损失。如中国市政工程华北设计院在污水处理厂的初沉池、二沉池等结构部位广泛采用后张拉无粘接预应力和膨胀剂配制补偿收缩混凝土相结合的设计方法防止池壁等构件易出现的非结构性裂缝。这种设计手段被工程界称之为“抗”的设计方法。但刘志刚等人^【5】认为水池等结构不宜使用钙矾石类的膨胀剂，认为膨胀剂中的延迟钙矾石生成现象会给水池等结构带来灾难性的后果，而游宝坤等人^{【6】【7】}认为掺膨胀剂的混凝土膨胀稳定，强度无倒缩现象，到目前为止没有发现一例因掺入膨胀剂后形成延迟钙矾石膨胀破坏的工程事故，在污水处理池体、地下工程、大体积混凝土等结构部位应用补偿收缩混凝土结构稳定性是可靠安全的。GB50119-2003规范规定，钙矾石类膨胀剂不得用于长期处于环境温度大于80℃的钢筋混凝土工程。作者通过长期工程实践认为，在污水处理厂池体等结构部位应用膨胀剂也是不会发生延迟钙石膨胀破坏的，而且池体结构不属于大体积混凝土工程也不会长期处于80℃的环境中。

2_·4设计方法之四：超长钢筋混凝土结构无缝设计

     超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法是以补偿收缩混凝土为结构材料，以加强带取代后浇缝（带）连续浇筑施工的一种新技术和工艺。补偿收缩混凝土中掺入膨胀剂后形成一种适度膨胀的混凝土，钢筋对它的膨胀产生限制作用，钢筋本身也因与混凝土一起膨胀而产生拉应力，同时产生相应的压应力，以其膨胀来抵消混凝土的全部或大部分收缩，因而避免或大大减轻了混凝土的开裂。另一方面膨胀结晶体钙矾石具有填充、阻塞毛细孔缝，改善孔结构，使普通混凝土抗渗能力得到大幅度提高，可以实现混凝土刚性结构自防水，并且可以达到取消工程底板迎水面部位外防水的目的和作用。

     “无缝设计”是相对的，根据工程结构具体情况，可无缝或少缝。这里的“缝”指的是释放收缩应力的后浇带或永久伸缩缝，它不包括沉降缝。其设计思路是“抗放兼备，以抗为主”，即在结构区段长度超过规范规定的范围时不设伸缩缝和后浇带，而采用设置膨胀加强带替代后浇带，膨胀加强带宽2m，带的两侧分别架设密孔钢丝网，以免不同配比的混凝土流入加强带内，施工时带外侧混凝土为掺入一定量的膨胀剂，配制成补偿收缩混凝土，到加强带时更换高一强度等级大膨胀率填充性混凝土浇筑，之后继续浇筑带外侧的补偿收缩混凝土，并如此循环下去。

     在工程实际应用中，可利用补偿收缩混凝土产生的限制膨胀率（1.5～2.5）×10^－4，在配筋率µ=0.2～0.8%的钢筋作用下，可在结构中建立0.2～0.7MPa预应压力，这一预应压力大致可以补偿混凝土在硬化过程中产生温差和干缩的拉应力，从而有效地防止混凝土收缩开裂，或把裂缝控制在无害裂缝范围内（小于0.2mm）。基于这一“抗”的原理，采用补偿收缩混凝土的后浇缝(带)的最大间距可按GB50119—2003《混凝土外加剂应用技术规范》规定延长至60m是安全的，比GB50010—2002《混凝土结构设计规范》规定20～30m增加一倍左右。这是无缝设计概念中“少缝”的含义，已成功应用于污水处理厂、地下车库、人防工程、地铁、隧道、体育场看台、大型设备基础等工程中。

     上述几种设计方法在工程中互相交叉使用，其目的是为了解决污水处理厂等工程中容易出现的有害裂缝，提高工程的质量和耐久性，如上海市政工程设计研究院等应用补偿收缩混凝土结构自防水和超长结构无缝设计的新方法和新工艺来解决污水处理厂等池体早期有害裂缝。

3  补偿收缩混凝土在工程中的应用

      采用UEA-W膨胀剂配制成补偿收缩混凝土解决工程裂缝的方法已成功应用于众多大型污水处理工程，如武汉凯迪、宜昌太平溪、宜昌沙河、广州市猎德、上海临江、上海奉贤亚东石化厂、怀化市、瑞市、惠州污水处理厂以及东莞市谢岗第三水厂、东莞市第六水厂、长沙星沙水厂、苏州吴中区水厂扩建工程、上海市嘉定水厂等超长池体等结构工程中。

4  补偿收缩混凝土应用技术要求和体会

4_·1混凝土结构的裂缝控制是一项系统工程，涉及到设计、施工、材料和管理等各个方面。应用UEA-W补偿收缩混凝土时，在设计方面，要根据不同的钢筋混凝土结构形式，采用“抗与放”的设计原则，文献^【8】在论及超长结构的设计与施工时指出：“应根据工程的具体情况确定伸缩缝、后浇带间距，特别要考虑结构受限制的程度，限制程度高，伸缩缝、后浇带间距要短，反之，则可长些。应用情况表明，补偿收缩混凝土在地下工程中应用比较成功，在结构受限制程度低，完工后能及时回填，温差较小的工程中，通过采取“细而密”的配筋措施，可以做到不设永久伸缩缝，后浇带间距以60m 左为宜。在北方寒冷地区，由于地表温差很大，建议采用补偿收缩混凝土与预应力技术相结合的设计方法等均可有效地避免或减少超长的大型钢筋混凝土结构产生的裂缝。文献^［9］指出，特别在易裂的墙体（池体）等部位，由于所受的约束程度不同，建议采用0.4～0.6%左右的配筋率，水平筋的间距在100～150mm以内，以增加混凝土的极限拉伸值，在墙体中部或顶部300～400mm范围内的水平筋间距改为80～100mm，形成一道“暗梁”，以平衡收缩应力。工程应用实践表明,池体长度在40m以上的大型污水处理厂工程中，配筋率在0.5%左右的情况下，补偿收缩混凝土的限制膨胀率要大于2.5×10^－4以上才有可能不发生有害裂缝，对于超长工程池体等薄壁结构，可采用设计2m宽的后浇膨胀加强带的形式解决，间距宜为40～50m，以释放部分收缩应力，待两侧的补偿收缩混凝土浇筑完毕，14天后再用掺膨胀剂的大膨胀量混凝土回填，回填的补偿收缩混凝土的限制膨胀率宜大于3.0×10^－4以上, UEA-W膨胀剂的掺量宜为12～14%,其它两侧掺量宜大于8%～10%即可。

4_·2补偿收缩混凝土施工时，要针对工程特点和膨胀混凝土的特性，混凝土的振捣必须密实，不得漏振、欠振或过振。在混凝土终凝以前，要用人工或机械多次抹压，防止表面沉缩裂缝的产生，以免影响外观质量。后浇膨胀加强带中杂物必须清除干净，充分预湿，然后以填充用膨胀混凝土浇筑;掺膨胀剂的混凝土要特别加强保护，膨胀结晶体钙矾石生成需要水，补偿收缩混凝土浇筑后早期7～14天湿养护,才能发挥补偿收缩混凝土的膨胀效应。底板等部位较易养护，能蓄水养护最好，也可用麻袋或草席等覆盖，定期浇水养护;池体等立面结构，受外界温度、湿度影响较大，容易发生竖向裂缝。工程实践表明，混凝土浇筑完3～4天内水化热温升最高，而抗拉强度很低，如果早拆模扳，墙体内外温差较大时而易开裂，因此，墙体模板拆除时间宜不早于3天。如果采用木模板，墙体浇筑完后，1～2天后可松开木模板螺栓，让模板离墙体2mm间隙，在墙体顶部布置软水管,或PVC管，并在软水管两侧每隔20cm钻出水小孔，喷淋浇水养护5～7天后拆除模扳，再采用淋水和挂湿麻袋或毛毡覆盖，保湿保温养护至14天；如采用钢模板，也需带模养护3～5天, 拆模后宜采用涂抹养护液等方法进行养护。但冬季施工时不能浇水，采用保温养护措施不少于14天。混凝土入模坍落度不宜过大，以140～160mm为佳，反之会引起混凝土离析而造成墙体（池体）混凝土的匀质性变差，造成其在硬化时收缩应力不均而产生裂缝。对外墙体（池体）回填土宜尽快完成并夯实，特别是在秋冬季节施工应引起重视, 以防止外界温度骤降时引起较大温差应力而开裂。

4_·3采用补偿收缩混凝土，在材料方面，关键措施是在满足结构要求的前提下，通过掺加膨胀剂、高效减水剂以及活性混合材料（如粉煤灰、矿粉等）最大限度地降低水泥用量，延缓混凝土的凝结时间，推迟混凝土水化热峰值，使混凝土在开始降温时，让其抗拉强度能够得到足够的增长。夏季施工时混凝土入模温度宜小于30℃，冬天施工时入模的温度宜高于5℃。同时要根据工程的特点和使用部位，合理确定水泥品种，膨胀剂的掺量，配制出膨胀性能大，补偿收缩性能好（按GB50119—2003要求，施工用补偿收缩混凝土水中14天养护限制膨胀率≥1.5×10^－4，空气中28ｄ的限制干缩率≤3.0×10^－4）,施工容易，强度有保证，科学合理的设计补偿收缩混凝土配合比是关键。

［参考资料］

[1]王铁梦， 工程结构裂缝控制【M】北京：中国建筑工业出版社；2002年，P323。

[2]游宝坤，建筑物裂渗控制新技术【C】北京：中国建材工业出版社，1994。

[3] 游宝坤，建筑结构裂渗控制新技术【C】北京：中国建材工业出版社，1998。

[4] 游宝坤，混凝土膨胀剂及其应用【C】北京：中国建材工业出版社，2002。

[5] 刘志刚，张亚锋等，大型水池A/O、SBR、氧化沟、清水池结构无温度伸缝整体设计与施工，工程结构裂缝控制——“王铁梦法”应用实例集【C】北京：中国建筑工业出版社，2005，P556。

[6]游宝坤，李光明，大体积补偿收缩混凝土的结构稳定性问题，混凝土【J】，2001，5。

[7]游宝坤，席耀忠，钙矾石的物理化学性能与混凝土的耐久性，混凝土膨胀剂及其应用【C】北京，中国建材工业出版社，2002，P77。

[8]赵顺增，吴万春等，使用补偿收缩混凝土工程实践，游宝坤主编。混凝土膨胀剂及其应用【C】，中国建材工业出版社，2002，P41。

[9]混凝土外加剂应用技术规范（GB50119-2003）【S】，中国建筑工业出版社，2002，P41。

［作者简介］李  晖（1966- ） 男 ,高级工程师，武汉三源特种建材有限责任公司总工程师，长期从事混凝土与混凝土外加剂开发与工程应用研究工作.

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