工業(yè)污水處理池設計中的裂縫控制

邢 凱

（

臨沂市水利勘測設計院 臨沂 276000）

在工業(yè)設計過程中經(jīng)常會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)生開裂會嚴重影響其使用功能。因此，在實際工程中需要在設計、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構設計中，如何采取有效措施避免和控制裂縫的發(fā)生，并結合一個真實工程案例進行驗證。

眾所周知，鋼筋混凝土結構在各種外力作用下產(chǎn)生裂縫是非常普遍的現(xiàn)象。例如：鋼筋混凝土構件在外力作用下產(chǎn)生的拉應力及溫度變化引起的溫度應力，都會使混凝土構件產(chǎn)生開裂。考慮到混凝土的抗拉強度僅有抗壓強度的1/10～1/20,要求普通混凝土結構完全不出現(xiàn)開裂是很難實現(xiàn)的。為了有效控制污水池結構裂縫的發(fā)展，對污水池結構易發(fā)生開裂的原因進行分析是很有現(xiàn)實意義的。

1 污水池結構設計對裂縫產(chǎn)生的影響和控制

1.1 外力作用

當污水池結構在外力作用下，因混凝土材料本身抗拉強度低，導致拉應變超出了混凝土允許的極限拉應變，從而在構件表面產(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：設計前相關資料不完整或有錯誤，設計時相關參數(shù)取值不合理，以及結構計算錯誤等?？刂七@類裂縫的措施主要有以下兩個方面，一是收集完整、準確的污水池相關設計資料；二是建立合理的污水池結構設計計算模型，建立正確的荷載組合形式，從而保證結構計算得到的內(nèi)力和變形值和污水池在真實荷載下產(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)量對控制污水池結構產(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或材料質(zhì)量缺陷而造成污水池后期出現(xiàn)開裂，會嚴重影響其使用。此外，污水池設計中采取的相關構造措施不合理或錯誤，也會使得結構計算模型與實際受力情況不一致，導致在污水池表面產(chǎn)生破壞性裂縫。

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

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。由于混凝土材料導熱能力低，水泥水化過程會釋放出大量的水化熱，這部分熱量會聚集在混凝土內(nèi)部不容易散失，而混凝土構件表面散熱較快，從而造成混凝土構件內(nèi)外的溫差較大，在構件表面產(chǎn)生拉應力，導致出現(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在污水池混凝土結構表面產(chǎn)生拉應力，這在污水池的設計中一般表現(xiàn)為壁面溫（濕）差。

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

2 工程案例分析

工程實踐中，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。下面通過一個工程案例，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43m×41.2m，底板厚800mm，池壁高7.8m，厚500～750mm，半地下式結構，結構比室外地坪高1.5m。污水池池壁的中部在縱橫兩個方向均有一條變形縫，選用混凝土材料等級為C25，混凝土材料的抗?jié)B等級為P6。污水池池壁水平方向的鋼筋為一級鋼筋，直徑為18mm，鋼筋間距為200mm，鋼筋的配筋率0.35%～0.50%，施工現(xiàn)場模板采用膠合板模板，施工現(xiàn)場狹窄，采用泵送混凝土。

2.2 裂縫控制的方法

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

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

T—混凝土的總溫差，T=T1+T2+T3，T1為氣溫差，T2為水化熱溫差；

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，兩條伸縮縫之間的距離增大。當時，不需要在污水池池壁上設置伸縮縫。該案例中污水池上伸縮縫的間距為21.5m，已經(jīng)大于《混凝土結構設計規(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方面進行考慮，進一步控制裂縫。

2.3 裂縫控制的相關措施

2.3.1 減少水泥水化放熱

減少水泥水化放熱應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。同時在滿足強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，屬于大流動性混凝土，而大流動性混凝土具有砂率大、水泥用量多、坍落度值大等特點。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，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摻合料，水泥取代率可達15%。

（3）采用粒徑為5～40mm粗骨料，取代粒徑為粒徑5～25mm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 減少水泥收縮當量溫度

水泥的干縮過程是較為復雜的。在污水池結構設計截面大小和混凝土組成材料的類型確定的條件下，需要進一步控制水泥漿的用量和水灰比的大小。在實際施工過程中，操作人員為操作方便，往往會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，增大了日后污水池池壁開裂的概率。該案例水泥選用復合硅酸鹽水泥，同時加入粉煤灰、高效減水劑。每立方混凝土中水泥用量為280kg，水泥漿量為18.8%。以28d水泥的干縮測定值為準，該案例中混凝土收縮值比基準混凝土減少8%左右。

2.3.3 提高混凝土材料的極限拉伸應變

混凝土材料的極限拉伸應變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。

當混凝土施工、養(yǎng)護等操作規(guī)范時，混凝土緩慢降溫時可取2×10-4；取值范圍可以參考為1×10-4～1.5×10-4；當混凝土施工、養(yǎng)護等操作不規(guī)范時，極限拉伸應變?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)場水灰比的大小，同時確?，F(xiàn)場測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。在污水池池壁澆筑下層混凝土后，開啟高頻振搗器，振動一定時間后停止振搗20～30min，澆筑上層混凝土，再次開啟高頻振搗器，振動至混凝土表面無明顯氣泡逸出結束振搗。

（4）加強后期混凝土的養(yǎng)護措施。冬季采用兩層草簾或者棉被覆蓋；夏天用塑料薄膜包裹或者覆蓋澆水養(yǎng)護。

2.4 裂縫值的計算

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）時的溫差，將在混凝土池壁收到外部約束時產(chǎn)生溫度應力，根據(jù)氣象資料，山東省淄博地區(qū)的氣溫差為T1=26℃。

2.4.2 水泥水化放熱溫度差計算

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 當量溫差

式中：εs（ht）—任意齡期的混凝土收縮值；

t—混凝土澆注后到計算時的天數(shù)；

b—經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.01，養(yǎng)護較差時取0.03；

M·1M2…M10—考慮各種非標準狀態(tài)下的修正系數(shù)。

由王鐵夢著《工程結構裂縫控制》中表2-1～表2-5可知：

取b=0.01，按120天收縮量考慮：

則當量溫差：

計算時取T3=17℃。

2.4.4 池壁混凝土總溫差

池壁最大伸縮縫間距計算：

該案例中兩條伸縮縫之間的距離為21.5m，小于計算的伸縮縫最大間距22.7m，因此污水池池壁混凝土不會發(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)場技術人員多次對池壁表面進行了仔細觀察，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，可以從結構設計、材料選取、施工質(zhì)量、混凝土養(yǎng)護等方面采取各項措施。即使是超長池壁的污水池結構，只要采取合適措施也可以避免池壁開裂。

（2）夏季施工時必須考慮溫度的影響，采取補償收縮混凝土等措施來考慮池壁的裂縫問題。

（3）在實際工程操作中，技術人員往往比較重視溫差引起的混凝土變形，卻忽視了對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度，加強后期混凝土的養(yǎng)護，可以使混凝土降溫速度變緩，從而有效提高污水池池壁表面的抗裂能力■