提高混凝土水池防滲抗裂的幾種措施及工程實踐

1、醫(yī)藥工程設(shè)計雜志Pharmaceutical &Engineering Design 2005, 26(5提高混凝土水池防滲抗裂的幾種措施及工程實踐中國石化集團(tuán)上海工程有限公司(200120 胡敏何國富章健摘要圍繞鋼筋混凝土水池的滲裂問題, 從材料的角度闡述了滲與裂的關(guān)系和產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性裂縫、特別是早期收縮裂縫的原因, 著重分析討論了提高水池防滲抗裂性能的幾種技術(shù)措施, 并就這些技術(shù)措施在具體工程實踐中的應(yīng)用效果作了比較。關(guān)鍵詞鋼筋混凝土水池裂縫滲裂收縮1前言隨著混凝土材料技術(shù)的快速發(fā)展, 混凝土結(jié)構(gòu)不斷呈現(xiàn)出超長、超大化的趨勢, 而大量商品砼的使用以及砼強(qiáng)度等級的提高, 砼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫

2、的幾率也大大增加。水池作為一種常見的混凝土特種構(gòu)筑物, 要保證池體結(jié)構(gòu)具有良好的抗?jié)B性和抗裂性, 就必須對裂縫的發(fā)生和發(fā)展加以有效的控制。(殼 體系和約束形態(tài)、抗浮穩(wěn)定、裂縫寬度和池體構(gòu)件變形等情況以外, 其主要原因在于溫度、徐變、材料、設(shè)計、施工和維護(hù)等多因素交叉重疊而引起的非結(jié)構(gòu)性滲裂。有資料表明1, 非結(jié)構(gòu)性滲裂在實際工程中出現(xiàn)的幾率幾乎不低于80%, 因此, 如何有效地控制水池結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)性滲裂并使其達(dá)到可以接受的程度, 在工程上具有重要的意義。2砼水池的防滲抗裂機(jī)理混凝土作為一種由水泥為膠結(jié)料、以砂石骨料粘結(jié)而成的特殊材料, 其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水的滲漏, 必然是混凝土中存在著滲漏通道, 而滲

3、漏通道一般有兩種形式, 一是材料本身的各種結(jié)構(gòu)性縫隙和毛細(xì)管, 二是混凝土由于收縮、溫度或荷載應(yīng)力等因素引起的各種裂縫。顯然, 前者與材料特性相關(guān), 后者則與各種作用和材料特性兩者相關(guān)?；炷潦怯伤唷⑺?、砂和石子等基本材料組成的, 水泥石、集料本身在結(jié)構(gòu)形態(tài)上都存在著各種大小不等的孔隙和微細(xì)裂縫, 水泥石與集料的接觸界面處也存在著各種形狀的縫隙和毛細(xì)管。另外, 施工過程中的振搗不密實、水泥骨料離析而造成砼的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率的增大, 養(yǎng)護(hù)過程中的水分保失程度對水泥石大毛細(xì)孔的影響等因素, 直接決定了混凝土固有的多孔性狀, 而混凝土內(nèi)水分的不斷蒸發(fā), 則將導(dǎo)致水泥水化的不充分并造成毛細(xì)管網(wǎng)彼此連通

4、, 伴隨砼收縮出現(xiàn)的龜裂, 形成滲水通道。一旦滲水通道形成, 只要存在內(nèi)外壓力差, 砼的多孔性必然會導(dǎo)致液體的滲流, 意味著其抗?jié)B能力的降低或喪失。, 工程上一般采S I 。在水壓差, , , 最主要的是改, 抑制孔隙, 提高砼的憎水性與密實性。由材料缺陷因素導(dǎo)致的孔隙和微細(xì)裂縫一般發(fā)生在砼的早期, 而當(dāng)砼進(jìn)入具有一定剛度作用的硬化后期或者達(dá)到設(shè)計使用強(qiáng)度要求以后, 施加給水池的各類荷載與作用(包括各種溫濕差作用 , 在各種約束作用下, 將導(dǎo)致砼不同程度出現(xiàn)開裂, 也即產(chǎn)生砼的后期裂縫。這種裂縫的各種成因相對比較明確, 通過分析計算, 在一定程度上可以預(yù)見到此類裂縫的發(fā)生、發(fā)展, 因而采用適當(dāng)

5、的技術(shù)措施是可以進(jìn)行預(yù)防控制的。因為主要與結(jié)構(gòu)受力有關(guān), 所以這類裂縫一般稱之為結(jié)構(gòu)性裂縫, 它出現(xiàn)的幾率約在20%左右。與之對應(yīng)的就是所謂非結(jié)構(gòu)性裂縫, 它占了所有砼結(jié)構(gòu)裂縫的80%。由于早期的砼具有強(qiáng)烈的收縮變形傾向, 特別是進(jìn)入硬化階段后顯示出明顯的材料脆性特征, 拉壓比低, 極限變形小, 在收縮遇到強(qiáng)的約束時, 極易產(chǎn)生裂縫。所以在非結(jié)構(gòu)性裂縫中, 砼的收縮變形是誘發(fā)早期裂縫產(chǎn)生的最主要因素。表1為砼的幾種主要變形收縮類型。表1砼的主要變形收縮類型收縮類型產(chǎn)生原因發(fā)生階段干燥收縮水分蒸發(fā), 環(huán)境濕度、溫度降低進(jìn)入硬化階段后溫差收縮(冷縮 水化熱放熱后的溫度降低進(jìn)入硬化階段后塑性收縮初凝

6、前泌水和水分急劇蒸發(fā)引起失水, 顆粒沉降而產(chǎn)生沉縮終凝之前的塑性階段體積收縮水泥水化作用初凝之前62 醫(yī)藥工程設(shè)計雜志Pharmaceutical &Engineering Design 2005, 26(5不難發(fā)現(xiàn), 導(dǎo)致砼收縮變形的直接原因是溫(濕 差的作用以及水泥膠體的早期塑性性狀, 它是砼材料所固有的物理化學(xué)特性之一。所以對水池結(jié)構(gòu)的防滲包括了既要改善砼材料固有缺陷造成的滲漏, 又要設(shè)法提高砼的抗裂性能以達(dá)到防滲兩個目的; 砼的抗裂則應(yīng)該包含非結(jié)構(gòu)性的材料收縮變形開裂和結(jié)構(gòu)性的構(gòu)件開裂兩個方面。因而滲與裂是水池結(jié)構(gòu)中兩個既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的問題。滲不一定意味著裂, 但裂的后果

7、必然是產(chǎn)生滲漏, 但未必對結(jié)構(gòu)承載力構(gòu)成影響, 這要視裂縫對結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性以及使用功能(裂縫寬度和滲漏量控制 是否產(chǎn)生影響而定。而一般認(rèn)為只要不裂就能防滲, 應(yīng)該說對滲的理解是不完全的。3水池防滲抗裂幾種措施與討論砼水池的材料和結(jié)構(gòu)特性決定了對水池的滲裂控制主要還得從材料與結(jié)構(gòu)兩方面著手。以往傳統(tǒng)的防滲手段主要是以提高砼的水密性自防為主, 通過選擇合適的骨料級配、降低水灰比、以及摻入適量的外加劑等, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)毛細(xì)管的構(gòu)造大限度地減少, ; 上, 主要通過優(yōu)化設(shè)計方案、著重構(gòu)造處理和突出施工質(zhì)量管理等方面進(jìn)行綜合控制, 如減少邊界約束、設(shè)置永久溫度變形縫或臨時后澆縫、嚴(yán)格施工順序和養(yǎng)護(hù)方式

8、、甚至加大構(gòu)件配筋等。然而, 工程實踐表明, 這些防滲與抗裂措施手段往往效果并不十分理想, 其主要原因在于人們忽視了砼收縮的致命弱點(diǎn), 早期砼材料的再密實, 其干縮和冷縮仍將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫, 從而破壞結(jié)構(gòu)的整體防滲功能; 對抗裂更是以防止結(jié)構(gòu)性的裂縫開展為主, 即按設(shè)計規(guī)范規(guī)定, 對荷載裂縫有計算公式并給出允許裂縫寬度限值, 對變形裂縫則不作計算規(guī)定, 采用的設(shè)計原則就是按規(guī)范留伸縮縫, 只要留縫就不開裂。顯然, 實際工程中并沒有因為設(shè)置了伸縮縫而使?jié)B裂得以減少, 并且往往由于這類縫一般都要做成貫通式, 構(gòu)造相對復(fù)雜, 施工要求高, 止水材料容易腐蝕老化, 這反而在一定程度上造成了新的滲漏通道

9、, 也使得池體結(jié)構(gòu)的整體性和剛性大幅下降, 這反映了人們對裂滲問題認(rèn)識上的相對不足。針對砼水池在材料、設(shè)計和施工等環(huán)節(jié)上的技術(shù)缺陷而產(chǎn)生的滲裂問題, 一些新的應(yīng)用技術(shù)得到了進(jìn)一步的完善。特別是以補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)自防水、少縫甚至無縫設(shè)計及超長混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力等為代表的應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展, 已成為解決砼池類結(jié)構(gòu)裂滲問題的一個主要方向。3. 1補(bǔ)償收縮混凝土補(bǔ)償收縮砼, 指的是在水泥中摻加一定數(shù)量的膨脹劑, 拌水后生成大量膨脹性結(jié)晶化合物-水化硫鋁酸鈣(即鈣礬石3CaO Al 2O 33CaSO 432H 2O 使混凝土適度的膨脹, 并在鋼筋和鄰位的約束下, 在結(jié)構(gòu)中建立0. 20. 7M Pa 的

10、預(yù)壓應(yīng)力, 這一預(yù)壓應(yīng)力可抵消或部分抵消在硬化過程中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力, 或使其小于混凝土的拉伸極限, 從而防止混凝土的收縮開裂, 它主要針對的是砼開裂的其中一個最根本原因各種因素造成的變形收縮; 另外, 水化反應(yīng)生成的鈣礬石晶體屬針狀、棒狀晶體, 填充、切斷、堵塞砼的毛細(xì)孔, 也起到了提高砼的抗?jié)B性能。因此, 從材料的角度看, 只有采用摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮砼(, , 必須注意超過一定的界限, 因此設(shè)計中應(yīng)事先對砼進(jìn), 以確定最佳摻量, 同時必須達(dá)到補(bǔ)償收縮砼的限制膨脹率, 才能獲得控制裂滲的效果。我國規(guī)范2規(guī)定任何一種膨脹劑限制膨脹率為水中養(yǎng)護(hù)14天0. 015%, 空氣中28d 干縮率應(yīng)<

11、;0. 03%。對普通水池來說, 在確定膨脹劑的摻量時, 尚應(yīng)根據(jù)不同的膨脹劑種類、水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同性質(zhì)區(qū)別對待, 如采用硅鋁酸鹽膨脹劑H EA 時, 對底板一般不宜超過68%, 對池壁則不宜超過810%。3. 2設(shè)置施工后澆帶施工后澆帶技術(shù)實現(xiàn)的是為減小砼在施工期出現(xiàn)的溫(濕 差應(yīng)力作用所產(chǎn)生的收縮裂縫(非控制沉降性質(zhì) 的一項裂滲預(yù)防控制技術(shù)。混凝土的澆注一般在入模2430h 左右, 其產(chǎn)生的水化熱即達(dá)到最高值, 但由于池類結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件厚度相對較薄, 裸露系數(shù)較大, 溫升對構(gòu)件的影響就遠(yuǎn)不如大體積砼那么明顯, 大約714天, 伴隨著水化熱從最高值開始下降至環(huán)境溫度相一致的過程, 砼出現(xiàn)冷縮

12、并開始凝結(jié), 砼也同步獲得初期強(qiáng)度, 但這一強(qiáng)度無疑是低的, 在即使遇到不大的約束, 但構(gòu)件的長度較長(相對厚度而言 的時候, 極易使砼產(chǎn)生收縮裂縫。所以, 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束和長度這兩個因素對溫(濕 差作用十分敏感, 所以在砼澆筑施工中采用后澆帶則可有效地降低構(gòu)件的約束, 特別是長度對這一作用的影響, 只要使?jié)补嗪鬂矌У那昂? 結(jié)構(gòu)砼由施工期溫(濕 差作用和收縮應(yīng)力相疊加的應(yīng)力值小于混凝土抗拉強(qiáng)度, 就可以達(dá)到消除大部分收縮裂縫的72 醫(yī)藥工程設(shè)計雜志Pharmaceutical &Engineering Design 2005, 26(5目的, 進(jìn)而減少或取消伸縮縫的設(shè)置。而如果采用高

13、摻量的膨脹加強(qiáng)帶(1415% 取代施工后澆帶, 則可以實現(xiàn)連續(xù)澆筑超長混凝土結(jié)構(gòu)。施工后澆帶的寬度一般為0. 81. 0m , 間隔30m 左右, 在兩側(cè)砼澆筑、養(yǎng)護(hù)37周后用強(qiáng)度等級高一級的微膨脹混凝土(或摻膨脹劑的無收縮砼 澆搗密實。3. 3預(yù)應(yīng)力技術(shù)從補(bǔ)償收縮混凝土和施工后澆帶的作用機(jī)理不難看出, 兩者主要解決的是砼的早期收縮問題, 并不能解決季節(jié)溫(濕 差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、砼的后期膨脹以及混凝土徐變等因素對混凝土水池造成的滲裂問題, 特別是對于長度較長的水池結(jié)構(gòu), 如果單純依靠增加配筋量、改善砼性能以及施工養(yǎng)護(hù)等措施, 不足以真正有效地解決砼的滲裂問題。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù), 主要是通過布置

14、在砼構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力鋼筋對水池構(gòu)件預(yù)先施加一定大小的預(yù)壓應(yīng)力, 達(dá)到調(diào)整、改變和均勻構(gòu)件的內(nèi)力分布, , 度, , 能有效地促使裂縫減小與閉合, 因此, 利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可大大地提高砼水池的防滲特別是抗裂性能, 其整體性、抗震性、耐久性等都是傳統(tǒng)分縫水池?zé)o可比擬的。預(yù)應(yīng)力筋可以替代、也可以部分替代普通鋼筋與混凝土一起工作。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來看, 在普通鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)中, 由于較多地受裂縫寬度的限制, 高強(qiáng)度鋼材的強(qiáng)度一般是很難被充分利用的, 而在預(yù)應(yīng)力砼水池中, 高強(qiáng)度鋼材則是預(yù)先施加了較高的預(yù)拉力, 因而可以使高強(qiáng)鋼材在構(gòu)件破壞前達(dá)到其屈服強(qiáng)度。事實上, 正是基于這一特點(diǎn), 預(yù)應(yīng)力水池的工程造

15、價比傳統(tǒng)水池節(jié)約720%。4工程實踐上海賽科90萬噸乙烯工程OSBL 建設(shè)有三個大型循環(huán)水場、共有各類水池約34, , 整個工程1#、2#循環(huán)水場內(nèi)的其中記錄, 比較其防滲抗裂的實際效果。水池的工藝條件見表2。表2四個水池工藝布置條件水池名稱(長x 寬(m 設(shè)計水位高(m 介質(zhì)溫度(水池總高/地下部分高(m 池壁厚/底板厚(mm 水池形式1#冷卻塔水池192x 17. 81#消防水池50x 502#消防水池22x 222#集水池104x 7. 84. 85. 07. 1405. 5/0. 3350/600多格敞口, 地上5. 5/2. 5350/400敞口, 半地上8. 0/3. 0500/6

16、00單池帶頂蓋, 半地上四個水池采用的混凝土均為商品砼, 其配合比見表3。表3四個水池混凝土配合比水池名稱強(qiáng)度等級坍落度(mm 水膠比材料用量(kg/m 3水泥砂石子水外加劑H EA粉煤灰砂率(%1#冷卻塔1#消防水池2#消防水池2#集水池C 30P 6C 35P 6180±200. 532573110101982. 6-7542180±200. 4633677410261776. 05-50381#冷卻塔水池位于主框架底部, 水池池壁與底層框架外邊柱整澆, 整塊筏板基礎(chǔ)不僅是水池底板, 同時又作為樁基承臺板。按冷卻塔工藝尺寸模數(shù), 框架與水池在同一位置設(shè)置溫度伸縮縫, 最

17、大溫度區(qū)段32米, 框架采用雙柱分縫, 水池采用雙壁分縫, 一溫度區(qū)段內(nèi)水池有池壁分成2格。根據(jù)規(guī)范3現(xiàn)澆地上式水池的最大伸縮縫間距20米, 但考慮到框架結(jié)構(gòu)(允許伸縮縫最大間距35米 與池壁在溫度作用下的協(xié)調(diào)變形, 底層框架柱對池壁的伸縮也具有一定的約束作用, 因此溫度區(qū)段內(nèi)不再設(shè)伸縮縫, 而采用施工后澆帶(池壁和底板 來減少水池砼的收縮, 后澆帶寬800, 在兩側(cè)砼澆筑、養(yǎng)護(hù)42天后用C 35砼澆搗。由于施工單位急于模板周轉(zhuǎn), 池壁模板在10d 不到即拆模, 2周后發(fā)現(xiàn)池壁表面出現(xiàn)多條不規(guī)則裂縫, 寬度達(dá)0. 10. 15mm 不等。1#、2#消防水池為敞口方形水池, 基礎(chǔ)底下局82 醫(yī)藥

18、工程設(shè)計雜志Pharmaceutical &Engineering Design 2005, 26(5部為23米厚軟弱淤泥層, 采用毛石換填墊層法進(jìn)行地基處理。1#消防水池分別在縱橫兩向中間設(shè)置一道伸縮縫, 橡膠止水帶止水, 最大溫度區(qū)段25米。2#消防水池長度兩方向正好25, 滿足規(guī)范規(guī)定長度要求, 但與同樣25米區(qū)段的1#消防水池不同的是, 由于矩形水池的縱橫兩向相交的池壁在收縮或膨脹變形時, 兩方向的池壁互為彼此的約束, 產(chǎn)生應(yīng)力集中。而1#消防水池在設(shè)置了伸縮縫后, 池壁也就相應(yīng)減少了一個約束, 這對砼的施工收縮和結(jié)構(gòu)的伸縮變形來講都是有利的?；谶@一思想, 2#消防水池設(shè)計采

19、用內(nèi)摻H EA 的補(bǔ)償收縮混凝土, 水池整體澆筑而不設(shè)伸縮縫, 要求池壁摻量810%, 底板摻量68%。2#集水池長度超過100米, 基礎(chǔ)形式同消防水池。工藝要求整個池底盡可能保持同一標(biāo)高, 并且中間不設(shè)橫墻, 因此設(shè)計首先考慮按規(guī)范25米間距要求設(shè)置溫度縫, 104米長至少需設(shè)置34縫, 但設(shè)置了縫以后, , , 也無法使100本均勻。因此, (此時兼有控制沉降性質(zhì) 的無縫設(shè)計才有可能解決這一技術(shù)難題。基本方法是:池中間設(shè)置一條施工后澆帶, 將水池分成2段, 砼澆筑完畢, 采用覆蓋灑水養(yǎng)護(hù), 混凝土7天強(qiáng)度要求達(dá)到80%, 進(jìn)行2段預(yù)應(yīng)力第一次張拉預(yù)壓, 以密閉砼早期收縮裂縫, 14天后池壁

20、拆模, 45天后用C 40砼(內(nèi)摻10%H EA 澆搗密實后澆帶, 再過7天, 對貫穿后澆帶處的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行第二次張拉, 后澆帶拆模并池壁貫通后, 進(jìn)行第三次全長貫通預(yù)應(yīng)力筋整體張拉, 同時提高池壁縱向整體剛性。四個水池中除1#冷卻塔水池拆模后出現(xiàn)較明顯的微細(xì)收縮裂縫外, 其余水池砼基本無裂縫出現(xiàn)。經(jīng)蓄水試驗, 所有水池均滿足規(guī)范3滲漏要求。表4為四個水池的蓄水試驗滲漏實測記錄。由四個水池的蓄水試驗滲漏實測記錄可以看到, 盡管滲漏結(jié)果都符合要求, 但它們之間的滲裂性能差異還是比較明顯的。1#冷卻塔水池采用施工后澆帶, 試圖減少砼的早期收縮和降低收縮應(yīng)力, 但從設(shè)計規(guī)范角度看, 32米的溫度區(qū)段屬超限, 而施表4四個水池的蓄水試驗滲漏實測記錄水池名稱蓄水水位高(m 實際滲水量(L/m 2d 允許