摘要:本文结合连云港市某水厂水处理构筑物工程实例，介绍了在水厂建设过程中,控制混凝土裂缝所采取的技术预防措施和过程控制措施，浅述了混凝土布硬管喷淋降温养护施工工艺,同时对拉螺栓、混凝土浇筑振捣、拆模时间、施工缝、混凝土保护层等易出现渗漏的环节制定了针对性措施,有效控制了混凝土裂纹。
关键词:连云港市;水厂;水处理构筑物;混凝土结构
连云港市某水厂是连云港市十一五发展规划的明星工程,该工程的单位工程多为净水处理构筑物,结构底板、池壁均设计为混凝土自防水。主体结构混凝土等级为c30,抗渗等级为p6,最大池壁厚度为750mm,混凝土一次浇筑最大高度为6.4m。为控制混凝土裂缝,在项目施工前,项目部会同各施工单位对其他水厂构筑物进行现状调查,确定主控因素,制定针对性对策,并在施工过程中严格执行。
1现状调查
1.1水厂水池渗漏调查
在施工前,调查了连云港市自来水集团有限公司其他已建自来水厂的水池,搜集曾经出现的裂纹、渗漏资料,如表1所示。由表1可知,池壁裂纹、施工缝、对拉螺栓的质量控制均会严重影响构筑物的使用功能,为a类问题,需重点管理;混凝土漏振为b类问题,会产生较大影响,需进行次重点管理;预留洞口处及结构断面变化处节点处理为c类问题,应按照常规适当加强管理。
表1渗漏部位
开裂、渗漏部位 类型 出现次数 所占比例/%
池壁中部 竖向裂纹 30 44.1
水平施工缝 水平缝渗漏 11 16.2
对拉螺栓 点渗漏 7 10.3
池壁漏振部位 片渗漏、点渗漏 12 17.6
预留洞口边 竖向裂纹 4 5.9
结构断面变化处 竖向裂纹 4 5.9
1.2要因确定
通过分析,造成混凝土开裂、渗漏和影响混凝土外观效果的主要因素如表2所示。
表2影响混凝土开裂渗漏的主要因素
序号 因素 影响后果
1 混凝土配合比 混凝土配合比是影响混凝土质量的首要因素,直接影响混凝土的强度、和易性、耐久性能、温度性能等
2 混凝土坍落度 坍落度偏大,一方面会造成和易性差,容易产生离析现象;另一方面会造成混凝土干燥后收缩量大而开裂
3
混凝土温度控制 在养护期间绝对温升值高容易导致在降温后产生收缩裂纹;温度变化梯度差大、内外温度差大时会因应力变化大产生裂纹
4 混凝土浇筑质量 浇筑顺序不合理、分层控制不好会造成混凝土浇筑混乱、上下层混凝土接茬质量差;振捣不到位会造成漏振,不仅影响结构安全,还会导致渗漏
5 混凝土养护 养护不到位会使前期混凝土过早失水,造成收缩开裂
6 施工缝和对拉螺栓处理 施工缝和对拉螺栓节点处理不到位容易产生渗漏
7 模板安装质量 模板质量差会造成混凝土表面粗糙,失水速度快,导致混凝土收缩开裂;模板加固不牢会造成混凝土浇筑时约束降低,产生变形,影响混凝土密实度,易造成开裂、渗漏,并影响混凝土外观
8 拆模时间 拆模过早容易造成对拉螺栓松动而渗水;拆模过晚则会使混凝土表面补水困难,造成收缩裂纹
9 钢筋施工质量 钢筋间距、保护层控制不好易产生裂纹
10 施工组织管理 施工组织不到位会造成施工过程混乱,影响混凝土正常施工,甚至会出现冷缝等质量问题,导致混凝土渗漏
1.3混凝土防裂纹措施分析
水泥水化过程中会释放水化热,当结构截面尺寸较小时,热量散失比较快,水化热对结构应力的影响较小。但对于大体积混凝土或截面尺寸较大的构件,混凝土凝固过程中积聚在内部的热量散失较慢,导致温度峰值较高,构件内外部温差较大,混凝土内部冷却时会发生收缩,从而使混凝土内部产生拉应力。当内部拉应力超过混凝土的抗拉强度时会产生内部裂缝,而这些内部裂缝可能会与外部的干缩裂缝连通,从而导致渗漏甚至结构破坏［1-4］。
因此,为了保障混凝土不渗、不裂,拟从以下方面进行控制。
①加强混凝土的养护,使混凝土表面始终处于湿润状态,避免混凝土表面出现干缩裂缝。
②严格控制混凝土水化过程中混凝土构件的内外温差,以控制混凝土内部拉应力的上限值。
③在混凝土配合比设计中加入适量膨胀剂,以缓解混凝土冷却时产生的收缩变形,减弱内部拉应力对混凝土的影响;通过掺加粉煤灰等胶凝材料降低水泥用量,以减少水化热量。采用早强普硅水泥,提高混凝土早期强度和早期抗拉能力。
2措施的制定
2.1混凝土配合比
2.1.1混凝土掺合料
在混凝土中适量掺加胶凝材料(掺合料)不但能节约水泥用量,降低水化热量,而且能大大提高混凝土的耐久性。《混凝土结构耐久性设计规范》(gb/t50476—2008)严格规定了单位体积混凝土胶凝材料的用量。
2.1.2混凝土膨胀剂
混凝土膨胀剂可以对混凝土冷却过程中因温度变化产生的收缩进行补偿,对混凝土前期抗裂很重要。在施工过程中,选取高性能混凝土膨胀剂(highperformancecalciumsulphoaluminate,hcsa)。单位体积混凝土中膨胀剂的掺加量通过实验室确定。连云港市该水厂水处理构筑物工程池壁混凝土采用c30,掺加量为35kg/m3。
2.1.3实际混凝土配合比
该水厂深度处理工程底板、池壁均采用c30p6混凝土,其配比见表3。
表3c30p6混凝土配合比
项目 水泥 细骨料 粗骨料 粉煤灰 外加剂 膨胀剂 水
重量/kg 210 710 1125 90 8 35 180
百分比 8.9 30.1 47.7 3.8 0.4 1.5 7.6
比热容/kj•kg-1•k-1) 0.536 0.745 0.708 4.187
2.2混凝土的降温养护
在施工过程中,采取布管喷淋不仅能为混凝土的养护提供保障,喷淋在模板表面的水还可以带走部分混凝土水化热,使水化热量及时散失,从而达到控制混凝土构件绝对温度的目的,最大限度减小内部拉应力对结构构件的影响。同时,喷淋水可以起到对混凝土补水的作用,较好地解决了人工养护的随意性,保证了混凝土养护的质量。
3喷淋的实施
3.1喷水量的计算
3.1.1混凝土技术参数
工程中底板、池壁均采用c30p6混凝土,计算得出:混凝土密度p=2358kg/m3,混凝土比热c=0.896kj/(kg•k),混凝土导热系数λ=2.46w/(m2•k),混凝土扩散系数a=1.126m2/h。
3.1.2喷淋管管径
假设水泥水化热全部转化成温度的升高,则水化期间最大绝对温升值tmax=mcq/cρ,式中mc为每立方米混凝土的水泥用量;q为每千克水泥的水化热量,取377kj/kg;c为混凝土的比热容;ρ为混凝土的密度。计算得出tmax=37.47℃。
根据前期试验中池壁的测温记录(无喷淋降温措施),温度上升的峰值为58℃,入模温度为24℃左右,实际温升值为34℃,与计算结果相差不大。温度峰值出现在混凝土浇筑完毕后26h,环境平均温度为31℃。以长1m、高1m、厚0.75m的池壁为理论计算模型。根据混凝土温度变化曲线,混凝土在浇筑完毕后的26h内,平均每小时升温1.31℃,控制混凝土每小时平均温升值为0.77℃。计算得出:在长1m、高1m、厚0.75m的池壁范围内,每小时需带走的水化放热总量为855.67kj。按照放热与排热平衡的原则,每小时通过喷水带走的热量也应为855.67kj。水的比热为4.187kj/(kg•k),考虑使用前水温为20℃,使用后为30℃,则每小时用水量为20.44kg。为了确保喷水降温效果,支管上小孔眼间距按100mm考虑,孔眼直径为2mm,水流速度假设为1m/s。则根据每次混凝土浇筑高度,按照每排管覆盖3.5m高度考虑,计算得出支管管径d=5.1mm。为了减少接头数量,按支管最大可能长度40m考虑,则支管管径面积不应小于所有孔眼面积总和,支管管径以不小于20mm为宜。
3.2施工操作要点
①喷淋管材质及位置
喷淋主管采用钢管,直径为50mm,采用焊接方式连接。喷淋分支管采用pvc管,管径为20mm。若池壁一次浇筑高度不大于3.5m,则布置一道支管,位置在池壁上端下200mm;若池壁一次浇筑高度大于3.5m,则布置两道支管,一道在池壁中,另一道在池壁上端下200mm。
②喷淋分支管开孔
喷淋分支管采用dn20pvc管,喷淋小孔间距为100mm,孔径为2mm,采用台钻开孔。
③喷淋分支管布设
dn25支管的安装固定:从主管道上接引下支管后,按照喷淋管道的布设位置将管道就位,然后用不小于12#铅丝将管道绑扎固定在模板外侧的竖向
加固钢管上,每个交接点都必须绑扎牢固。
④混凝土浇筑过程中的喷淋
若池壁布置上下两道喷淋分支管道,在池壁混凝土浇筑到下层喷淋支管上500mm且下层混凝土终凝完毕后,即可将下层喷淋管道通水喷淋。因此,应确保下层管道通畅的同时,上层管道不得喷淋,以避免喷淋水流入混凝土内,改变混凝土的配合比,降低混凝土的强度。
⑤混凝土浇筑完毕后的喷淋
混凝土浇筑完毕后打开上层喷淋管道通水喷淋,逐一检查每条管道的喷淋情况,利用分支管道上的阀门调节喷水量。混凝土浇筑完毕后72h内不得停止池壁两侧的喷淋管道。为避免意外情况发生,现场应准备两台备用喷淋泵,并准备发电机以保证施工现场停电时仍能持续喷淋。
混凝土浇筑完毕36h后,组合钢模板的加固螺栓开始松扣,但不得拆模,并在池壁上端再布置一条喷淋管道以备拆模时使用。
混凝土浇筑完毕72h后开始拆除模板。模板拆除前(混凝土浇筑完毕后48h)在池壁上侧再布置一条喷淋支管,喷淋水可以流入模板与混凝土之间的缝隙,对混凝土进行补水。此时对混凝土喷淋的主要目的是带走混凝土水化反应的热量并对混凝土表面补水,进行混凝土养护。
喷淋应持续14天,局部混凝土养护以人工浇水养护辅助进行。
混凝土养护期内应密切监测构件的温度变化及环境温度变化。混凝土浇筑完毕后7天内应每2h测温一次,后7天每4h测温一次并做好记录,测温完毕后整理数据,绘制温度变化曲线,作为以后施工的依据。
4其他控制措施
①模板的选择
为配合混凝土布管喷淋降温养护施工工艺的实施,工程选择平整度良好、平面尺寸规矩的组合钢模板,以利于混凝土构件的温度控制。
②对拉螺栓的选择
选择直径为14mm的粗纹通长止水对拉螺栓,螺栓杆焊接50mm×50mm止水片,要求焊缝连贯饱满,无缺焊、夹渣、焊瘤等缺陷。
③止水钢板的选择
该工程所有池壁施工缝处均设置止水钢板,宽度为400mm,厚度为3mm。
④拆模时间
在炎热的夏天,拆模时间不少于72h,其他季节浇筑的混凝土拆模时间不少于7天。
⑤施工缝凿毛
所有施工缝均在混凝土终凝后凿毛,剔除混凝土浮浆。
⑥钢筋保护层控制
池壁选用成品高强度混凝土垫块。
5实施效果
由于采取了有效的技术预防措施和过程控制措施,水池混凝土施工取得了良好的效果。特别是与不采取降温措施相比,采取喷淋能将最高温度降低10～15℃。根据混凝土测温记录,在炎热夏天浇筑厚500mm的池壁,混凝土的温度峰值仅为35℃,极限温升值为12℃,由于混凝土最高温度得到了控制,避免了出现混凝土温度裂纹。由于混凝土温度峰值控制措施得到严格的执行, 连云港市该水厂深度处理工程未发现任何贯通裂缝,闭水试验一次成功通过。
6效益分析
对比其他水处理构筑物,若不采用喷淋降温养护施工工艺,且采用常规的木模板,混凝土浇筑完毕后7天开始拆模,拆模后即发生贯通裂缝,均为竖向通裂。按照池体表面积与裂缝产生的比例计算, 连云港市该水厂建设中所采取的各项控制措施为工程节省费用达50万元。
7结论
在连云港市该水厂建设过程中,项目部整体策划、提前谋划,结构施工前积极调查,并根据调查结果确定混凝土渗裂的主要因素,对主控因素重点管理,采取针对性措施。对混凝土裂纹出现的机理进行理论分析,并在技术层面制定正确的施工方法,尤其是制定混凝土布硬管喷淋施工工艺,使混凝土水化过程中构件内外温差控制在10℃左右,极限温升值仅为12℃,有效控制了混凝土裂纹,对类似水处理构筑物的施工具有借鉴意义。