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摘要:北京市小紅門污水處理廠工程在減少混凝土裂縫、避免堿骨料反應、提高抗凍性等方面做的一些有益探索,對如何提高污水處理廠構(gòu)筑物混凝土耐久性有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞:污水構(gòu)筑物;耐久性;裂縫;抗凍;堿集料
耐久性是高性能混凝土(HPC)的重要指標之一,它是在一定的環(huán)境條件下混凝土性能不隨時間而劣化的性能。影響混凝土耐久性有環(huán)境因素和自身破壞因素兩類,環(huán)境因素有外界溫度、濕度、介質(zhì)等;自身因素有溫度裂縫破壞、滲漏破壞、凍融破壞、碳化破壞、堿骨料反應破壞、腐蝕破壞等。
污水處理廠構(gòu)筑物往往規(guī)模大、數(shù)量多、形式復雜,加上其本身承載的介質(zhì)為水,而水中常含有氮、磷、氯及一定量汞、鉻等重金屬,因此,混凝土必須具備較高的耐久性要求。一般說來,通過改變環(huán)境影響因素來改變混凝土耐久性是不易實現(xiàn)的;但通過一些技術(shù)和管理手段對混凝土自身破壞因素進行謁制,以提高混凝土耐久性是可以做到的。
北京市小紅門污水處理廠設(shè)計污水處理規(guī)模為60萬t/d,水工構(gòu)筑物包括初沉池8座、初沉池污配水井及泥泵井4座、曝氣池12座、回流及剩余污泥泵井8座、二沉池16座、二沉池配水井4座、接觸池1座、化學除磷池2座、貯泥池1座、消化池5座?；炷良夹g(shù)指標主要有C25P6F150、C40P6F150、C35P8、C40P8等(其中以C25P6F150、C40P6F150兩種指標混凝土量最大)。工程于2003年11月開工,2005年10月完工,共澆筑混凝土11.6萬m3,在工程施工過程中,北京市市政四建設(shè)有限責任公司在提高混凝土耐久性上做了一些有益的探索,取得了良好效果。
1減少構(gòu)筑物混凝土裂縫
1.1構(gòu)筑物裂縫類型
構(gòu)筑物混凝土裂縫主要有塑性裂縫、收縮裂縫、溫度裂縫3種,這3種裂縫在水工構(gòu)筑物施工中均有不同程度的出現(xiàn),對結(jié)構(gòu)的耐久性有較大影響,尤以底板和墻體溫度裂縫影響最甚。
1.2減少裂縫的具體措施
在小紅門污水處理廠工程中,通過精選原材料、優(yōu)化配合比、加強攪拌控制、改進用模思路、嚴格澆筑施工管理、完善養(yǎng)護過程等措施,較好的解決了各構(gòu)筑物裂縫問題。
1.2.1混凝土原材料選擇
對材料的抗裂性能進行評價并作為設(shè)計、施工與原材料選用的依據(jù),已成為當今一些工業(yè)國家混凝土研究領(lǐng)域的熱點。在小紅門污水處理廠工程構(gòu)筑物施工前,對擬用于工程的備選原材料,利用圓環(huán)試驗方法對所配制的凈漿、砂漿和混凝土進行了抗裂性試驗。以確定最有利于減少或避免開裂的原材料,最終用于構(gòu)筑物工程。
(1)水泥
我們選擇了在北京地區(qū)構(gòu)筑物施工常用的3個品牌水泥P.O32.5和P.O42.5兩種型號,分別進行了水泥凈漿試驗。試驗結(jié)果見表1。
從表1可以看出,開裂時間快慢順序是乙品牌P.O42.5>乙品牌P.O32.5>丙品牌P.O42.5>丙品牌P.O32.5>甲品牌P.O42.5>甲品牌P.O32.5。甲品牌水泥的開裂時間要比乙品牌水泥和丙品牌水泥明顯延長,相應的水泥抗裂性能提高。
另外,我們也試驗了水膠比對水泥收縮開裂的影響,表2為相同品牌不同型號水泥(甲品牌P.O42.5、甲品牌P.O32.5)的不同水膠比水泥凈漿圓環(huán)收縮試驗結(jié)果。從試驗研究結(jié)果來看,水膠比對水泥收縮開裂的影響非常顯著,但不論是P.O42.5水泥,還是P.O32.5水泥,水膠比越小的漿體越易開裂,增大水膠比能延緩漿體的開裂時間。
(2)外加劑
我們準備了3種具有減水、引氣效果的復合外加劑,分別是北京產(chǎn)X、北京產(chǎn)Y、天津產(chǎn)Z,采用圓環(huán)收縮試驗方法對水泥漿體的抗裂性進行研究。試驗結(jié)果見表3。
從表3所示結(jié)果來看,保持W/C=0.28不變,通過調(diào)整外加劑的摻量來控制凈漿的流動度保持在160mm左右,X、Y與Z對水泥漿體開裂時間影響差別較大。按影響大小排序為:Z>X>Y。
(3)砂
采用涿州產(chǎn)天然砂、人工砂、混合砂(天然∶人工=7∶3)3種細骨料進行試驗,砂漿環(huán)的配合比為:灰砂比1∶2,水灰比為0.45和0.5。試驗結(jié)果見表4。
從表4試驗結(jié)果看,天然砂的抗裂性能要差一些,混合砂比人工砂抗裂性要好。這主要與砂的細度模數(shù)、石粉含量、含泥量等有關(guān)。這次選的天然砂偏細,而混合砂的細度模數(shù)達到2.6左右。施工時,在天然砂偏細的情況下,可摻加一定比例的人工砂,提高砂的細度模數(shù),從而改善混凝土的抗裂性能。
(4)粉煤灰
為了驗證河北某電廠I級粉煤灰對混凝土收縮開裂的影響效果,我們同樣利用圓環(huán)收縮試驗來評價不同粉煤灰摻加量對混凝土的收縮開裂影響。試驗結(jié)果見表5。
從表5數(shù)據(jù)來看,在保持混凝土坍落度一定的情況下,隨著水泥用量的減少、粉煤灰摻加量的增加,單方用水量將降低,混凝土早期和后期強度都隨之提高。從圓環(huán)收縮開裂結(jié)果來看,降低水泥用量,摻加粉煤灰后混凝土的初裂時間明顯延長,開裂寬度明顯降低,當粉煤灰摻量大于30%后,延長初裂時間和降低開裂寬度的效果已不太明顯。可見,在進行混凝土配合比設(shè)計時,減少水泥用量,適量摻加粉煤灰,可以明顯延長混凝土的初裂時間和減少混凝土的收縮。
(5)原材料選擇結(jié)果
通過水泥凈漿和砂漿圓環(huán)收縮開裂試驗研究,從提高混凝土的抗裂性能角度考慮,應優(yōu)先選擇甲品牌P.O42.5(用于C30以上強度等級)和甲品牌P.O32.5水泥(用于C30以下強度等級)、Y外加劑、涿州中粗砂、河北某電廠I級粉煤灰?？紤]到施工技術(shù)水平和當前建材市場原材料供應的實際情況,在天然砂偏細的情況下,盡量摻加一定比例的優(yōu)質(zhì)人工砂。根據(jù)以上研究結(jié)論,我們委托某試驗中心對用于小紅門污水處理廠構(gòu)筑物工程的混凝土配合比進行了優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化設(shè)計后的配合比見表6。
1.2.2混凝土攪拌
(1)為了降低混凝土的總溫升,減少構(gòu)筑物混凝土的內(nèi)外溫差,要盡可能降低混凝土的出機溫度和澆筑溫度。最有效的方法是降低原材料溫度,尤其是碎石的溫度,混凝土中碎石比熱容雖較小,但每m3混凝土中碎石所占質(zhì)量最大,因此,降低碎石的溫度對降低混凝土出機溫度效果明顯。小紅門污水處理廠構(gòu)筑物在氣溫較高時施工,為了防止太陽直接照射碎石,采用集中成大堆堆放、搭設(shè)簡易遮陽棚、使用前用冷水沖洗碎石等措施,有效的降低了混凝土出機溫度。
(2)每天攪拌混凝土前,設(shè)專人檢測當天砂、碎石的含水量,核定當天的投料比,確保混凝土出盤坍落度準確。
1.2.3模板選擇
根據(jù)以往的經(jīng)驗,采用鋼模板澆筑的混凝土比用復合木模板澆筑混凝土的開裂幾率小的多,這主要與模板的保溫散熱效果以及季節(jié)性氣候有關(guān)。小紅門污水處理廠構(gòu)筑物工程所有的方形池和圓形池,均采用了鋼模板,在合模前對內(nèi)表面進行了精細除銹處理,保證了混凝土墻體內(nèi)外表面的光亮。從測溫數(shù)據(jù)看出,采用鋼模板后,混凝土內(nèi)部的最高溫度在40℃左右,大大低于以往工程采用木模板的測溫結(jié)果。同時,為加快混凝土的散熱,降低混凝土的最高溫度,在高溫天氣澆筑混凝土過程中,不斷向模板表面澆水降溫,以降低模板表面溫度。通過以上措施,降低了混凝土受溫度影響開裂的幾率。
1.2.4養(yǎng)護和拆模
(1)混凝土澆筑后進行養(yǎng)護,主要是為了保持適當?shù)臏囟群蜐穸葪l件。從溫度應力的觀點出發(fā),保溫的目的有2個:一是減少混凝土表面的熱擴散,減少混凝土表面的溫度梯度,防止產(chǎn)生表面裂縫;二是延長散熱時間,充分發(fā)揮混凝土強度的潛力和材料松弛特性,使平均總溫差對混凝土產(chǎn)生的拉應力小于混凝土抗拉強度,防止產(chǎn)生貫穿性裂縫。潮濕養(yǎng)護的作用,首先是防止混凝土表面脫水而產(chǎn)生干縮裂縫;其次是混凝土在保溫(25～40℃)及潮濕條件下可使水泥的水化作用順利進行,提高混凝土極限拉伸和抗拉強度。在小紅門污水處理廠施工現(xiàn)場,構(gòu)筑物底板混凝土澆筑成型后,在四周設(shè)置擋水埂,向底板注水養(yǎng)護,養(yǎng)護時間不少于14d。墻體混凝土澆筑成型后,立即用塑料薄膜覆蓋澆筑面,使用塑料管向模板澆水,并在4h內(nèi)在模板頂端向模板不間斷澆水至松?；虿鹉?。拆模后,立即向混凝土表面噴水,保持混凝土表面濕潤,同時用塑料花管滴水養(yǎng)護,養(yǎng)護時間不少于14d。
(2)現(xiàn)場有計劃的埋放溫度感應器,使用溫度感應器量測混凝土凝結(jié)過程的溫度變化情況,通過對混凝土內(nèi)外部溫度的掌握,隨時了解混凝土內(nèi)外溫度差值從而確定拆模時間。對于大體積混凝土結(jié)構(gòu),拆模時內(nèi)外溫差不得大于25℃,降溫速率不大于1.5℃/d。對于長墻結(jié)構(gòu),控制混凝土降溫速率不大于3℃/d,控制拆模時混凝土表面與最低環(huán)境溫度差值小于10℃。
小紅門污水處理廠混凝土構(gòu)筑物連續(xù)觀察2年多時間,主要構(gòu)筑物均未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫,塑性裂縫,收縮裂縫出現(xiàn)頻率也明顯降低。
2提高抗凍性
2.1抗凍性簡述
抗凍性是指混凝土在抵抗要求凍融循環(huán)總次數(shù)后,抗壓指標不明顯降低的能力。不同地區(qū),受氣候因素影響混凝土抗凍等級各異,對于北京地區(qū)而言,按照《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50069-2002)的規(guī)定,污水處理廠構(gòu)筑物混凝土抗凍等級為F150,即應滿足150次凍融循環(huán)要求。
目前,使混凝土具有較高的抗凍性,主要是通過在攪拌混凝土時摻加引氣劑來實現(xiàn)。如果摻加的引氣劑性能不穩(wěn)定或劑量不當,易使混凝土初始含氣量不足、所產(chǎn)生的氣泡物理性不佳、成型的混凝土中含氣量損失過大;現(xiàn)場再缺乏有效的含氣量檢測設(shè)備和手段,極有可能造成澆筑完畢的混凝土實際抗凍性不足。
2.2提高抗凍性的措施
2.2.1材料質(zhì)量控制
(1)引氣劑選擇:摻加引氣劑是提高混凝土抗凍性的有效手段,但如果引氣劑選用不當,會造成混凝土抗壓強度下降,坍落度損失過快,因此,必須選擇氣泡保存持久、均勻、對抗壓強度影響較少的引氣劑。小紅門污水處理廠施工時,我們選擇上海某廠生產(chǎn)的三萜皂甙做引氣劑,實踐證明,該產(chǎn)品摻量小(占水泥用量的0.2‰),氣泡穩(wěn)定、均勻。
(2)骨料控制:混凝土所用的碎石和砂均應進行堅固性試驗,其質(zhì)量損失應在國家標準《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標準及檢驗方法》及《普通混凝土用砂質(zhì)量標準及檢驗方法》的允許范圍之內(nèi)。施工時,砂選用天然中粗或粗砂,其含泥量控制在3%以內(nèi)。在天然砂偏細的情況下,摻加一定比例的人工砂,提高砂的細度模數(shù),確?？箖鲂缘姆€(wěn)定。
2.2.2現(xiàn)場檢測
按照《混凝土外加劑應用技術(shù)規(guī)范》(GB50119-2003)的規(guī)定,對粗骨料最大粒徑是40mm的混凝土含氣量應達到4.5%,對粗骨料最大粒徑是25mm的混凝土含氣量應達到5.0%,對粗骨料最大粒徑是20mm的混凝土含氣量應達到5.5%。
小紅門污水處理廠工程混凝土的碎石最大粒徑是25mm,混凝土含氣量要求不小于5.0%。施工時,現(xiàn)場設(shè)專門質(zhì)控人員,采用新式日本產(chǎn)直讀式混凝土含氣量測定儀,檢測每車混凝土的含氣量。通過現(xiàn)場檢測,有效的保證了入模混凝土含氣量,進而保證了混凝土實際抗凍效果。從現(xiàn)場取樣制作的混凝土試件在試驗室進行凍融試驗的結(jié)果來看,也驗證了這一點(見表7)。
3避免堿集料反應
3.1堿集料反應
堿集料反應是混凝土中的水泥、外加劑、礦物摻合料和拌和水中的可溶性堿(鉀、鈉)溶于混凝土孔隙液中,與骨料中能與堿反應的活性成分在混凝土硬化后逐漸發(fā)生的一種使混凝土發(fā)生內(nèi)應力,最終導致混凝土膨脹,從內(nèi)延伸開裂和損毀的現(xiàn)象。影響堿集料反應的主要因素有:集料(砂、碎石)堿活性成分;混凝土綜合堿含量。
3.2材料堿含量及堿活性檢驗
在進行混凝土配合比設(shè)計前,委托法定檢測單位對配制混凝土所用的水泥、外加劑、摻合料等進行堿含量檢測,對砂、石進行集料活性檢測,選擇滿足要求的材料是一項重要工作。對于污水處理廠構(gòu)筑物而言,所用砂、石優(yōu)先選擇A種非堿活性集料(膨脹量≤0.02%),控制使用低堿活性集料(0.02%<膨脹量≤0.06%),不使用堿活性集料(0.06%<膨脹量≤0.10%)和高堿活性集料(膨脹量>0.10%)。盡可能采用低堿水泥(水泥中堿含量≤0.60%)。
鑒于目前北京市范圍內(nèi)和周邊地區(qū)非堿活性集料砂、碎石少之又少,且成本很高,在一個大型水工工程中使用很不現(xiàn)實,經(jīng)試驗比較后確定,小紅門污水處理廠工程采用了河北涿州產(chǎn)低堿活性集料砂、碎石。水泥、摻合料按規(guī)范《水泥化學分析方法》(GB/T176)檢驗堿含量,外加劑按規(guī)范《混凝土外加劑》(GB1076)檢驗堿含量。經(jīng)檢測,小紅門污水處理廠工程的甲P.O42.5水泥堿含量為0.51%、甲P.O32.5水泥堿含量為0.61%、河北某電廠粉煤灰堿含量為1.12%、Y外加劑堿含量為5.8%。
3.3混凝土綜合堿含量控制按照北京市標準《預防混凝土結(jié)構(gòu)工程堿集料反應規(guī)程》的規(guī)定,在混凝土排水構(gòu)筑物處于直接與水接觸的環(huán)境中,屬于Ⅱ類工程,如果使用了低堿活性集料,混凝土最大綜合堿含量不得大于3kg/m3?；炷僚浜媳仍O(shè)計出來后,施工單位必須委托法定檢測單位對混凝土進行堿含量評估,最大綜合堿含量不得超標。每m3混凝土綜合堿含量按下式計算:Ac=mc×Rc+ma×Ra+mk×Ek+mw×Rw式中,mc、ma、mk、mw分別為每m3混凝土中水泥、外加劑、摻合料、水用量;Rc、Ra、Rw分別為每m3混凝土中水泥、外加劑、水堿含量,Ek為摻合料有效堿含量(Ek=β×Rk,其中:Rk為摻和料堿含量,β為有效堿含量系數(shù),當摻合料是粉煤灰時β等于15%)。
小紅門污水處理廠各構(gòu)筑物混凝土配合比的每m3綜合堿含量計算詳細情況見表8,從計算結(jié)果看,每m3混凝土最大綜合堿含量均≤3kg。通過對水泥、外加劑、摻合料等材料堿含量檢驗、集料類型選擇、混凝土綜合堿含量控制,同時加強到場原材料的監(jiān)督和檢查,小紅門污水處理廠工程混凝土堿集料反應得到有效控制。
4結(jié)語
在小紅門污水處理廠工程中,北京市市政四建設(shè)有限責任公司從減少混凝土裂縫、避免堿骨料反應、提高抗凍性等方面入手做的一些有益探索,在提高構(gòu)筑物混凝土耐久性問題上取得了較好成效。不足之處,敬請指正。
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