工業(yè)污水處理池設(shè)計(jì)中的裂縫控制

邢 凱

（臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 臨沂 276000）

工業(yè)污水處理池設(shè)計(jì)中的裂縫控制

邢 凱

（臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 臨沂 276000）

水池的設(shè)計(jì)、施工及使用不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致水池開裂。通過收集相關(guān)資料、選擇合理的結(jié)構(gòu)受力體系、結(jié)構(gòu)計(jì)算、采取合理的構(gòu)造措施、規(guī)范的施工養(yǎng)護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)全過程的裂縫控制。在介紹裂縫成因和設(shè)計(jì)中裂縫控制方法基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)例對(duì)裂縫控制進(jìn)行了進(jìn)一步闡述。結(jié)果表明,通過采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施可以有效避免或減小污水池裂縫發(fā)生的可能性。

水池設(shè)計(jì) 裂縫控制 收縮當(dāng)量 極限拉伸值

在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常會(huì)遇到鋼筋混凝土污水處理池，如沉淀池、降溫池、隔油池等，這些污水池若產(chǎn)生開裂會(huì)嚴(yán)重影響其使用功能。因此，在實(shí)際工程中需要在設(shè)計(jì)、施工等方面采取合理措施防止和控制水池裂縫的發(fā)生。本文主要研究在污水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何采取有效措施避免和控制裂縫的發(fā)生，并結(jié)合一個(gè)真實(shí)工程案例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 污水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)裂縫產(chǎn)生的影響和控制

1.1 外力作用

當(dāng)污水池結(jié)構(gòu)在外力作用下，因混凝土材料本身抗拉強(qiáng)度低，導(dǎo)致拉應(yīng)變超出了混凝土允許的極限拉應(yīng)變，從而在構(gòu)件表面產(chǎn)生裂縫，這種由外力作用在污水池表面引起的開裂稱為破壞性裂縫。

造成開裂的原因有：設(shè)計(jì)前相關(guān)資料不完整或有錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)參數(shù)取值不合理，以及結(jié)構(gòu)計(jì)算錯(cuò)誤等?？刂七@類裂縫的措施主要有以下兩個(gè)方面：一是收集完整、準(zhǔn)確的污水池相關(guān)設(shè)計(jì)資料；二是建立合理的污水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型，建立正確的荷載組合形式，從而保證結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的內(nèi)力和變形值和污水池在真實(shí)荷載下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形相符。

1.2 混凝土材料的質(zhì)量和構(gòu)造措施

混凝土是由膠凝材料（主要指水泥）、砂、石、水、外加劑等組成的?；炷敛牧系倪x用及材料的質(zhì)量對(duì)控制污水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性裂縫起著重要作用。因混凝土組成材料選用不當(dāng)或材料質(zhì)量缺陷而造成污水池后期出現(xiàn)開裂，會(huì)嚴(yán)重影響其使用。此外，污水池設(shè)計(jì)中采取的相關(guān)構(gòu)造措施不合理或錯(cuò)誤，也會(huì)使得結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與實(shí)際受力情況不一致，導(dǎo)致在污水池表面產(chǎn)生破壞性裂縫。

控制這類裂縫的主要措施包括：一是嚴(yán)格控制材料質(zhì)量，特別是水泥的質(zhì)量，嚴(yán)禁使用不合理的水泥；二是嚴(yán)格控制水灰比；三是選擇粒徑合適、級(jí)配良好的砂石骨料；四是嚴(yán)格控制骨料中的含泥量和泥塊含量；五是采取合理的構(gòu)造措施確保污水池結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與實(shí)際受力狀態(tài)吻合，并按其在結(jié)構(gòu)體系中的不同作用，分別采取相應(yīng)的構(gòu)造做法。

1.3 混凝土的變形

混凝土與其他固體材料一樣也存在熱脹冷縮現(xiàn)象。由于混凝土材料導(dǎo)熱能力低，水泥水化過程會(huì)釋放出大量的水化熱，這部分熱量會(huì)聚集在混凝土內(nèi)部，不容易散失，而混凝土構(gòu)件表面散熱較快，從而造成混凝土構(gòu)件內(nèi)外的溫差較大，在構(gòu)件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫。在混凝土后期的降溫過程中，受到的支座周圍約束也會(huì)在污水池混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，這在污水池的設(shè)計(jì)中一般表現(xiàn)為壁面溫（濕）差。

控制這類裂縫措施主要包括：一是嚴(yán)格按照混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程，控制混凝土各種組成材料的用量、規(guī)格；二是嚴(yán)格按照混凝土施工規(guī)程要求，對(duì)污水池混凝土進(jìn)行澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)；三是根據(jù)不同類型的污水池可以采取設(shè)置變形縫、后澆帶等構(gòu)造措施。

2 工程案例分析

工程實(shí)踐中，污水處理池通常布置在室外，池壁承受外界環(huán)境和大氣的各種作用，污水池池壁出現(xiàn)裂縫的事故屢見不鮮，其裂縫控制的難度也比較大。下面通過工程案例，說明工業(yè)污水池常見的池壁裂縫控制措施。

2.1 工程概況

該工程為山東省淄博市某工業(yè)污水處理池，平面尺寸為43 m×41.2m，底板厚800mm，池壁高7.8m，厚500～750mm，半地下式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比室外地坪高1.5m。污水池池壁的中部在縱橫兩個(gè)方向均有一條變形縫，選用混凝土材料等級(jí)為C25，混凝土材料的抗?jié)B等級(jí)為P6。污水池池壁水平方向的鋼筋為一級(jí)鋼筋，直徑為18mm，鋼筋間距為200mm，鋼筋的配筋率0.35%～0.50%，施工現(xiàn)場(chǎng)模板采用膠合板模板，施工現(xiàn)場(chǎng)狹窄，采用泵送混凝土。

2.2 裂縫控制的方法

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)裂縫控制措施，污水池的池壁最大伸縮縫間距用符號(hào)［Lmax］表示：

式中：εP—混凝土極限拉伸值，根據(jù)混凝土的級(jí)配情況、養(yǎng)護(hù)條件?。?.5～2）×10-4；

T—混凝土的總溫差，T=T1+T2+T3，T1—?dú)鉁夭?，T2—水化熱溫差；

T3—收縮當(dāng)量溫差，T3=εsh/α，εsh—收縮變形，α—混凝土的線膨脹系數(shù)，取1×10-5。

由上式可知，在α一定的情況下，伸縮縫間距決定于εP與T的大小，即：與εP的差值減小時(shí)，兩條伸縮縫之間的距離增大。當(dāng)時(shí)，不需要在污水池池壁上設(shè)置伸縮縫。該案例中污水池上伸縮縫的間距為21.5m，已經(jīng)大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中伸縮縫間距20m的要求，因此可以從減少混凝土的總溫差和提高混凝土極限拉伸值兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，進(jìn)一步控制裂縫。

2.3 裂縫控制的相關(guān)措施

2.3.1 減少水泥水化放熱

減少水泥水化放熱，應(yīng)采用水化熱較低的水泥，例如：礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥等。同時(shí)在滿足強(qiáng)度和耐久性要求的前提下，可以減少水泥用量。該工程采用泵送混凝土，屬于大流動(dòng)性混凝土。而大流動(dòng)性混凝土具有砂率大、水泥用量多、坍落度值大等特點(diǎn)，為減少水泥的水化放熱，必須減少水泥的用量。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，可以采取以下措施：（1）采用減水率為25%的EY-I型高效減水劑；（2）在水泥中摻加活性細(xì)摻合料，水泥取代率可達(dá)15%；（3）采用粒徑為5～40mm粗骨料，取代粒徑為5～25mm的粗骨料；（4）在滿足施工條件下，降低混凝土拌和物的坍落度值，該案例坍落度值采用120mm左右。

2.3.2 減少水泥收縮當(dāng)量溫度

水泥的干縮過程是較為復(fù)雜的。在污水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面大小和混凝土組成材料的類型確定的條件下，需要進(jìn)一步控制水泥漿的用量和水灰比的大小。在實(shí)際施工過程中，操作人員為操作方便，往往會(huì)增加混凝土單位用水量及水泥漿用量，從而獲得較大的坍落度值。這樣操作增大了日后污水池池壁開裂的概率。該案例水泥選用復(fù)合硅酸鹽水泥，同時(shí)加入粉煤灰、高效減水劑。每立方米混凝土中水泥用量為280kg，水泥漿量為18.8%。以28d水泥的干縮測(cè)定值為準(zhǔn)，該案例中混凝土收縮值比基準(zhǔn)混凝土減少8%左右。

2.3.3 提高混凝土材料的極限拉伸應(yīng)變

混凝土材料的極限拉伸應(yīng)變?chǔ)臥大小與操作人員的施工質(zhì)量好壞、徐變大小和配筋率大小等因素有關(guān)。當(dāng)混凝土施工、養(yǎng)護(hù)等操作規(guī)范時(shí)，混凝土緩慢降溫時(shí)可取2×10-4；取值范圍可以參考為1×10-4～1.5×10-4；當(dāng)混凝土施工、養(yǎng)護(hù)等操作不規(guī)范時(shí)，極限拉伸應(yīng)變?nèi)≈禐?.5×10-4～0.8×10-4。

該案例可以采取下列措施，從而提高限拉伸值：（1）確?；炷两M成材料的質(zhì)量。其中，砂子含泥量不超過1.5%，石子的含泥量不超過1%；（2）控制施工現(xiàn)場(chǎng)水灰比的大小，同時(shí)確保現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的混凝土拌合物坍落度值不超過120mm；（3）采取二次振搗技術(shù)。在污水池池壁澆筑下層混凝土后，開啟高頻振搗器，振動(dòng)一定時(shí)間，后停止振搗20～30min，澆筑上層混凝土，再次開啟高頻振搗器，振動(dòng)至混凝土表面無明顯氣泡逸出結(jié)束振搗；（4）加強(qiáng)后期混凝土的養(yǎng)護(hù)措施。采用兩層草簾，或者棉被，夏天用塑料薄膜包裹或者覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)。

2.4 裂縫值的計(jì)算

2.4.1 溫度差取值

溫度從高溫降至低溫（冬季平均最低溫度）時(shí)的溫差，將在混凝土池壁收到外部約束時(shí)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，根據(jù)氣象資料在山東省淄博地區(qū)的氣溫差：

2.4.2 水泥水化放熱溫度差計(jì)算

每立方混凝土材料中水泥用量：W=280kg/m3

混凝土重度：γ=2400kg/m3

材料比熱：C=1.0×103J/（kg·℃）

散熱量：Q=334×103J/kg

散熱系數(shù)：k=0.5

2.4.3 當(dāng)量溫差

混凝土干縮時(shí)：

式中：εsh（t）—任意齡期的混凝土收縮值；

t—混凝土澆注后到計(jì)算時(shí)的天數(shù)；

b—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.01，養(yǎng)護(hù)較差時(shí)取0.03；

M1·M2…M10—考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的修正系數(shù)。根據(jù)王鐵夢(mèng)《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》中表2-1～表2-5可知：

取b=0.01，按120d收縮量考慮：

則當(dāng)量溫差：

計(jì)算時(shí)取T3=17℃。

2.4.4 池壁混凝土總溫差

池壁最大伸縮縫間距計(jì)算：

該案例中兩條伸縮縫之間的距離為21.5m，小于計(jì)算的伸縮縫最大間距22.7m。因此污水池池壁混凝土不會(huì)發(fā)生裂縫。該污水池池壁施工完成后，直到土方回填前，施工現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員多次對(duì)池壁表面進(jìn)行了仔細(xì)觀察，均沒有發(fā)現(xiàn)污水池池壁有開裂，可見該案例所采取的裂縫控制措施是有效的。

3 結(jié)論

（1）工業(yè)污水池池壁表面混凝土裂縫是能夠避免的，可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取、施工質(zhì)量、混凝土養(yǎng)護(hù)等方面采取各項(xiàng)措施。即使對(duì)于超長(zhǎng)池壁的污水池結(jié)構(gòu)，只要采取合適措施也可以避免開裂發(fā)生。

（2）對(duì)于夏季施工的工業(yè)污水池結(jié)構(gòu)，必須考慮溫度的影響，采取補(bǔ)償收縮混凝土等措施來避免池壁的裂縫問題。

（3）在實(shí)際工程操作中，技術(shù)人員往往比較重視溫差引起的混凝土變形，卻忽視了對(duì)混凝土極限拉伸值的提高。通過不斷提高混凝土材料的密實(shí)度，加強(qiáng)后期混凝土的養(yǎng)護(hù)，可以使混凝土降溫速度變緩，有效提高了污水池池壁表面的抗裂能力■

（專欄編輯：顧 梅）