大型薄壁结构池体混凝土裂缝的控制

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　　摘要：根据市政建设工程的特点，污水处理厂氧化沟结构必须满足蓄水试验要求，因而对混凝土裂缝的控制显得尤其重要。
　　关键词：优化 混凝土 裂缝控制
　　 某污水处理厂扩建氧化沟工程为半地下室式钢筋混凝土水池，池总长×总宽为138.8m×102.8m，建筑面积14268.64m²。氧化沟底板厚250mm；池外壁厚300mm，内隔墙厚250mm，导流墙厚200mm；池壁高度为4.1m。混凝土强度等级为C25，抗渗等级为S6；池外壁配筋情况为外侧竖筋Ф14@200mm，内侧竖筋Ф16@100mm，水平筋为Ф12@200mm。现做以下分析：
　　一、混凝土裂缝的成因及分类
　　混凝土是由粗骨料及水泥石形成的多相体，由于在硬化过程中，水泥凝胶体体积缩小，在骨料骨面形成了许多缝隙，这些缝隙并不连续，但在受力或强迫位移作用下，互相连贯，延伸到混凝土表面，即形成裂缝。
　　根据受力状况来分，有受力裂缝和非受力裂缝之分。
　　由于混凝土体积收缩、温度变化、沉陷位移等非荷载的间接作用，在超静定结构中引起约束应力而造成的裂缝称为非受力裂缝。收缩裂缝、温度裂缝等均属于非受力裂缝。
　　近年对混凝土结构可见裂缝的调查表明，大部分裂缝为非受力裂缝，受力裂缝比例很少。
　　二、控制裂缝的措施
　　发生裂缝的原因是系统工程中的各个环节的因素综和构成，本工程存在如下特征：ａ、大跨度薄壁池体结构；ｂ、作为处理污水的半地下室构筑物，需满足蓄水试验要求；ｃ、浇筑时间在7月 ~ 9月份，正值高温天气，增加了混凝土裂缝控制的难度，针对以上特征，主要从以下几个方面着手：
　　1、优化混凝土的配合比：
　　本工程混凝土全部采用商品混凝土，为提高混凝土的综合性能，保证混凝土的抗渗性能，我们对商品混凝土先进行了试配，三组配合比参数如表1：
　　表1
　　
　　
　　
　　 根据试配数据和长期的实践经验，我们最后决定采用第二种配合比设计，并作适当调整，最后确定混凝土的配合比如表2：
　　 表2
　　
　　
　　2、选组成混凝土的原材料：
　　混凝土裂缝与水泥质量优劣、骨料粒径及含泥量大小、外掺料用量多少、外加剂使用得当与否都有一定的关系。
　　①采用安徽宁国水泥，其标准稠度用水量较小、凝结时间较长，是目前水化热相对较低、质量较稳定的普通硅酸盐水泥；
　　 ②粗骨料采用宜兴专供碎石，为级配良好、热膨胀系数较低、强度较高且未风化的花岗岩石子，以减少混凝土收缩及降低水泥用量；
　　 细骨料采用不含有机质的中粗砂，细度模数控制在2.5，砂率控制在40% ~ 50%，以减少混凝土的收缩，提高混凝土的极限拉伸强度；
　　 粗细骨料含泥量均控制在1%以内，实际施工时，抽样检查砂的含泥量为0.4%，碎石的含泥量为0.5%；
　　 ③混凝土中掺加水泥用量12%的粉煤灰替代水泥，采用华能一级粉煤灰，并严格控制其细度，这样就减少了单方水泥用量，降低水化热温升，减少收缩应力，有效的控制了温度裂缝；
　　 ④混凝土中掺加水泥用量7%的JM-3南京产微膨胀剂，考虑到非预应力混凝土会发生自缩，产生收缩裂缝，掺加6% ~ 8%的JM-3可以产生万分之三到万分之四的微膨胀来抵抗混凝土的自缩，以达到抗裂、防渗、增强的效果。外加剂由生产厂家根据单机拌量提供小包装，一机一袋，定量控制。
　　3、从施工方面着手：
　　（一）预控工程：
　　本工程采用温度应力计算进行预控，以往在进行此类计算时只计算最终（28d）温度应力与标准抗拉强度的比较，而未进行每个龄期的比较，但因某个龄期温度应力超过该龄期抗拉强度时，亦会产生裂缝，故本工程分三个龄期（3d、7d、28d）来进行验算：
　　A、混凝土的温度收缩应力σ（t）：
　　 σ（t）=E（t）αΔTS（t）R/（1-γ）（1）
　　 E（t）：各龄期混凝土弹性模量；
　　α：混凝土的线膨系数，取1.0×10-5；
　　ΔT：混凝土的最大综合温差；
　　S（t）：考虑徐变影响的松弛系数，取0.3；
　　R：混凝土的外约束系数，取0.25；
　　γ：混凝土的泊松比，取0.15。
　　E（t）=E0（1-e-0.09t）(2)
　　E0：混凝土的最终弹性模量，取2.80×104N/mm²；
　　e：常数，取2.718；
　　t：混凝土浇筑后至计算时的天数。
　　ΔT=T（t）+ T0-Th(3)
　　T（t）：混凝土浇筑完t段时间，混凝土的绝热温升值；
　　T0：混凝土的入模温度；
　　Th：混凝土浇筑后达到稳定时的温度。
　　T（t）=CQ（1-e-mt）/cρ （4）
　　C：每立方米混凝土水泥用量，取300kg/m³；
　　Q：每千克水泥水化热，3d取250J/kg、7d取271J/kg、28d取334J/kg；
　　m：经验系数，取0.2；
　　c：混凝土的热比，取0.96 J/kgk；
　　ρ：混凝土的质量密度，取2400kg/m³。
　　由（1）、（2）、（3）、（4）式计算得出：
　　混凝土的温度收缩应力σ（3）=0.132
　　 σ（7）=0.397
　　 σ（28）=1.16
　　 B、混凝土的极限拉伸值εp(t):
　　 εp(t)=f(t)(1+μ/d)×10-4lnt/ln28
　　 f(t):混凝土的抗拉强度设计值，取1.3N/mm²;
　　 μ：水平向配筋率，μ=0.48；
　　 d：水平向钢筋直径，d=1.2cm。
　　 ∴混凝土的极限拉伸值εp(3)= 0.6×10-4
　　 εp(7)=1.06×10-4
　　 εp(28)=1.82×10-4
　　 即混凝土的极限抗拉强度εp(3)×E（3）=0.4>σ(3)
　　 εp(7)×E（7）=1.378>σ(7)
　　 εp(28)×E（28）=4.677>σ(28)
　　经过上述计算可见，混凝土的极限抗拉强度大于可能产生的最大温度收缩应力，只要按照既定的方案来施工和养护，混凝土由温度引起的裂缝将得到有效的控制。
　　从上面的计算公式中可以看出，影响温度收缩应力的可控制因素就是混凝土的入模温度，即必须控制混凝土的出机温度；搅拌站堆料场设置遮阳棚；采用地下水搅拌混凝土；混凝土在运输过程中要求对滚筒采取水喷淋措施；混凝土输送管用麻袋包裹并经常用水浇湿，以减少辐射热和磨擦热的传导，达到降低入模温度的目的。
　　（二）浇筑过程：
　　本工程总长138.8m、总宽102.8m，整个底板设三条后浇带，底板和墙板共设七条伸缩缝，将底板和墙板分成70块，故决定采用分段跳仓技术浇筑，每块浇筑长度约20m，隔一块浇一块，相邻两块间隔时间不少于7d，以避开混凝土施工初期剧烈的温差及干缩作用。
　　采用保温性能较好的18mm厚胶合板模板，拼缝严实，与已浇混凝土接触部位用双面胶贴接密实，防止漏浆，并定位准确，在浇筑混凝土前浇水湿润。
　　浇筑混凝土时，采用“一个坡度、分层浇筑、循序推进、一次到顶”的浇筑工艺，分层厚度不得超过500mm，施工时必须连续进行，避免出现冷缝，合理控制二次振捣，确保足够的振动时间，使混凝土中多余的气体和水分排出，对混凝土表面出现泌水及时排干，池底表面在混凝土的初凝前应压实抹光，从而得到强度高、抗裂性能好、内实外光的混凝土。
　　（三）养护过程：
　　混凝土养护应保持湿润环境14d，防止混凝土表面因水分散失而产生干缩裂缝和减少混凝土的收缩量。
　　底板采用砌砖蓄水（10cm厚）养护，凸出50cm的墙板部位用麻袋覆盖，特别做好墙板插筋薄弱环节处的保湿、保温养护工作，确保混凝土无外露部位。
　　墙板养护采用带模养护与覆盖麻袋浇水养护相结合的办法，前期采用借模灌水的保养方法，待混凝土凝固后松动对拉螺栓，使墙体模板与混凝土面略微有点缝隙，于顶部浇水注入模板内，带模养护时间为5~7天，墙顶则覆盖麻袋浇水养护。
　　通过对混凝土的保湿、保温养护，使混凝土的水化热降温速率延缓，减少结构内外温差，防止产生过大的温度应力和产生温度裂缝。
　　三、效果
　　采用上述措施后，外墙拆模一个月后观察，外侧未见裂缝，整个工程墙壁感观良好，混凝土内实外光，达到清水混凝土标准，混凝土表面不再做抹灰处理。
　　目前蓄水高度已达2.8m（设计蓄水高度为3.6m），经观察，未发现渗漏现象，达到预期效果。
　　
　　作者简介：王亚民 （1970-4）男，贵州人，本科学历，中级职称，研究方向：现场施工、监理，从事项目咨询、监理
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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