京溪污水厂的混凝土耐久性设计

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　　摘要：广州市京溪污水处理厂是广州市亚运会配套城市河涌改造项目，由于该工程是全地埋式膜生物反应器污水处理厂，因此设计过程中对混凝土的耐久性设计也就显得尤为重要，本文对此进行了介绍。
　　关键词：京溪污水厂；混凝土；耐久性；腐蚀
　　1 工程简介
　　广州市京溪污水处理厂是我国首座全地埋式膜生物反应器污水处理厂，也是广州市亚运会配套城市河涌改造项目。
　　厂区位于广州市天河区北部，沙太北路以东，犀牛南路以北，总占地约1.8公顷，日处理污水10万吨，采用全埋式两层地下结构，东西宽约81m，南北长约160m，地下室底板厚1200mm，外壁板厚1000mm至600mm，池内体壁板厚500mm不等。
　　2 污水处理厂中污水的腐蚀机理
　　2.1 污水的性质
　　污水处理厂收集的污水主要有三个方面的来源：生活污水、工业废水、部分降水[1]。
　　生活污水中含有大量的有机物（如蛋白质、碳水化合物、脂肪、尿素、氨氮等）和大量的病原微生物（如寄生虫卵和肠道传染病毒等）；工业废水则由于工厂性质的不同而具有不同的性质，但一般都富含腐蚀性很强的酸碱物质甚至含有重金属、氰化物、多氯联苯等毒性很大的污染物。
　　因此，在污水处理厂中，输送和处理污水的构筑物，常年受到各种腐蚀介质和微生物的侵蚀。在设计过程中，构筑物的耐久性设计就显得尤为重要了。
　　2.2混凝土结构被腐蚀的原因
　　钢筋混凝土是混凝土与钢筋的复合体，在污水厂特有的液态环境中，它的被腐蚀形态主要有以下三种。
　　（1）由于混凝土自身的耐久性不足，其自身被破坏，同时也由于钢筋的裸露、腐蚀而导致整个结构的破坏；
　　（2）微生物对钢筋混凝土的腐蚀作用。引起腐蚀的微生物有很多种，硫酸还原菌、真菌、蓝细菌、硝化细菌、几乎各种厌氧菌、真菌，这些细菌不仅造成混凝土的劣化，对其中的钢筋、铁件也造成强烈的腐蚀。
　　（3）工业废水中酸碱物质的腐蚀作用。由于高浓度酸碱物质的侵蚀，导致混凝土本身化学性质发生改变或引入了能激发钢筋腐蚀的离子，从而使钢筋表面的钝化作用丧失，引起钢筋的锈蚀。
　　2.3 本工程腐蚀的特殊性
　　由于本工程规模较大（日处理污水量达到10万吨），并且主体结构采用的是全埋式地下结构，因此通风效果相对会较常规污水处理厂差一些，有毒腐蚀性气体也相对会更容易对构筑物造成威胁。在京溪污水厂厂区内，尤以污泥脱水机房、膜清洗加药间及其周边区域气体对构筑物的腐蚀性最大，因为整个脱水机房全部位于地下，污泥脱水、输送的过程中散发的有毒有害气体易于聚集在脱水机房通风除臭的死区，散发气体中的硫化氢是酸性气体，其水溶液为氢硫酸，是一种二元酸，硫化氢酸性气体会对污水管道、建构筑物、污水泵、控制柜、设备等产生酸性腐蚀。所以在结构设计中，该区域混凝土的耐久性和构筑物的防腐的要求必须重点考虑。
　　3 规范中对混凝土耐久性及构筑物防腐方面的相关要求
　　在《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）[2]中，在混凝土的耐久性方面，有一些具体的相关规定，规范首先对混凝土结构所处的环境类别进行了定义，然后根据不同的环境类别，分别给出了结构混凝土耐久性的基本要求，紧接着又对在特定环境类别中、对结构使用年限有特别要求的工况，其具体的要求进行了补充说明，归纳起来主要是以下几方面：保护层厚度的要求，抗冻的要求，选择涂层的要求及采取专门防护措施的要求等。
　　在《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-2008）[3]中，对混凝土的耐久性及防腐蚀设计方面的要求，相对而言阐述得更为具体明确。规范首先是对腐蚀性介质按其性质、含量和环境条件进行腐蚀性等级进行划分定义，然后根据腐蚀性等级的划分，对混凝土结构的设计提出了一些具体的要求，例如结构及构件在选型方面的要求，防护层设置和维护的要求，计算分析方法的要求，最大裂缝宽度允许值方面的要求，混凝土保护层最小厚度的要求等等。另外，该规范对构筑物中的储槽、污水处理池单独有一节进行了详细的说明。
　　
　　4 本工程中主要采取的措施
　　4.1 水泥品种的选择、水泥用量和水灰比的确定
　　由于各种水泥的矿物质组份不同，因此它们对各种腐蚀性介质的耐腐蚀性能就有差异，正确选用水泥品种、水泥用量和水灰比，对保证工程的耐久性和节约投资，有重要意义，试验表明，适当增加水泥用量（300kg/m3），可降低砼渗透性，控制水灰比小于0.6，可保证砼的耐久性。
　　在本工程中，材料的选择主要有以下几方面：
　　（1）水泥：采用42.5R转窑普通硅酸盐水泥。
　　（2）骨料：使用花岗岩碎石和中砂，严禁含泥或石粉，骨料粒径视结构厚度经试验选择合理级配。
　　（3）砼：地下构筑物采用混凝土强度等级C30（特殊部位注明除外），抗渗等级为S6（注明除外），控制砂率在35～40%，水灰比小于0.50，每立方米砼水泥用量不大于360kg，不少于325kg；砼的含碱量≤3.0kg/m3，最大氯离子含量0.3％。
　　4.2保证足够的钢筋保护层厚度
　　研究表明，如果混凝土实际保护层厚度比要求的减少一半，碳化或氯离子侵入钢筋表面的时间就会提前3/4，《工业建筑防腐蚀设计规范》中，对腐蚀环境下，钢筋的混凝土保护层厚度，有明确的要求，详表1。
　　表1 混凝土保护层的最小厚度（mm）
　　
　　
　　本工程中，对混凝土保护层的最小厚度（a）取值如下：
　　（1）构筑物
　　侧墙(或池壁)、梁柱：a=35(迎水面)，a=30(背水面)；底板上层：a=35，底板下层：a=40；走道板：a=20。
　　（2）建筑物
　　基础、地梁：a=40；梁、柱:a=30；楼板：屋面：a=20，其余：a=15。
　　4.3 正确选用钢筋直径及间距
　　设计中如果钢筋直径过小、经过处理的钢筋以及持续拉应力大于400MPa的冷加工钢筋都会使构筑物的耐久性大打折扣，而钢筋的间距过小，也会导致施工过程中不易于混凝土的振捣，这也是不利于混凝土的耐久性的，《工业建筑防腐蚀设计规范》中，对污水处理池的钢筋直径大小及钢筋间距都有明确要求，如受力钢筋直径不宜小于10mm，间距不应大于200mm，主要承重构件的纵向受力钢筋直径不宜小于16mm等。本工程在设计过程中，对相应条款都有考虑。
　　4.4 合理选用防腐涂层
　　涂层法是目前最常见一种防腐方法，它通过在混凝土建筑物、构筑物上涂刷一层致密的耐腐蚀涂料，将构筑物混凝土与腐蚀性液体隔离，从而达到防腐的目的。这一方法具有节省投资、施工方便等特点。但是，一般涂料的粘度大，渗透性能差，若直接涂刷，其附着力差，此时的涂层，只把混凝土基层的毛细孔盖住，孔中的空气、水份等随着气温的升高而膨胀，当膨胀力超过附着力时，涂膜就会鼓泡，因此，防腐涂层的施工方法也是保证涂层效果的重要因素，本工程中，防腐涂层的施工要求主要有以下几点：
　　（1）构筑物防水涂料采用水泥基渗透结晶型(GB18445-2001)Ⅱ型防水涂料，涂刷部位为池体底板面、壁板迎水、背水面及面板底面。
　　（2）防水涂料施工前，混凝土结构表面应满刮一道素浆，将气孔、小孔洞堵塞平整。
　　（3）池体底板面、壁板迎水面做二底一面，厚度1.0mm，其余按一底一面做法，厚度0.8mm。
　　（4）涂料施工应遵守下列规定：a）涂料施工前，应将砼面接槎处用砂轮打磨平整。b）用滚子蘸料时，应先在料桶底部滚动并上下搅拌，不能有局部沉淀。c）涂刷时要均匀，每层之间的时间间隔以前一层涂膜干固为准。d）每层用量不过度，应按规定用量取料。e）施工温度不应低于5 C，雨天不宜施工。f）施工完毕后应进行养护不少于7d。
　　4.5 确保施工过程认真执行图纸设计意图
　　在设计图纸这一源头把好关后，建、构筑物的耐久性是否真的能与设计的意图想符，就与施工过程的质量密切相关了，因此本工程设计人员在保证了图纸的设计质量后，另一个关注的重点，就是紧密关注施工过程中出现的和可能出现的一系列问题，首先在图纸交底时，对容易出现问题的地方进行详细的说明，然后在施工进行中，经常下工地对施工质量进行考察，严格要求施工单位按照图纸设计上的各项要求进行施工，并按照国家颁布的相关施工规范手册中的要求进行施工质量控制，坚决杜绝施工中的偷工减料、材料掺假现象的出现。
　　5 结论
　　广州市京溪污水处理厂已于2010年亚运会开幕前实现通水。该工程是广州市亚运会配套城市河涌改造项目的一个重点项目，从施工到投入使用，过程都十分顺利，京溪污水厂的运行，为广州市的“天更蓝、水更清”贡献了重要的一页，也使得亚运会期间广州以全新的面貌展现在世界面前。事实证明，本工程的设计，是成功的，可作为以后相关项目设计的重要参考资料。
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