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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(yīng)、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(biāo)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(yīng)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(fù)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(shí)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(jìn)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(xué)除磷池2座、貯泥池1座、消化池5座?；炷良夹g(shù)指標(biāo)主要有C25P6F150、C40P6F150、C35P8、C40P8等(其中以C25P6F150、C40P6F150兩種指標(biāo)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(zé)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(qiáng)攪拌控制、改進(jìn)用模思路、嚴(yán)格澆筑施工管理、完善養(yǎng)護(hù)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(jìn)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(dāng)今一些工業(yè)國家混凝土研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。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(yàn)方法對所配制的凈漿、砂漿和混凝土進(jìn)行了抗裂性試驗(yàn)。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(jìn)行了水泥凈漿試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yīng)的水泥抗裂性能提高。
另外,我們也試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)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(zhǔn)備了3種具有減水、引氣效果的復(fù)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(yàn)方法對水泥漿體的抗裂性進(jìn)行研究。試驗(yàn)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?yàn)?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(xì)骨料進(jìn)行試驗(yàn),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(yàn)結(jié)果見表4。
從表4試驗(yàn)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(xì)度模數(shù)、石粉含量、含泥量等有關(guān)。這次選的天然砂偏細(xì),而混合砂的細(xì)度模數(shù)達(dá)到2.6左右。施工時,在天然砂偏細(xì)的情況下,可摻加一定比例的人工砂,提高砂的細(xì)度模數(shù),從而改善混凝土的抗裂性能。
(4)粉煤灰
為了驗(yàn)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(yàn)來評價不同粉煤灰摻加量對混凝土的收縮開裂影響。試驗(yàn)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(qiáng)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(dāng)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?？梢?在進(jìn)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(yàn)研究,從提高混凝土的抗裂性能角度考慮,應(yīng)優(yōu)先選擇甲品牌P.O42.5(用于C30以上強(qiáng)度等級)和甲品牌P.O32.5水泥(用于C30以下強(qiáng)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(dāng)前建材市場原材料供應(yīng)的實(shí)際情況,在天然砂偏細(xì)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(yàn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)溫度。
(2)每天攪拌混凝土前,設(shè)專人檢測當(dāng)天砂、碎石的含水量,核定當(dāng)天的投料比,確?；炷脸霰P坍落度準(zhǔn)確。
1.2.3模板選擇
根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),采用鋼模板澆筑的混凝土比用復(fù)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(jìn)行了精細(xì)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(hù)和拆模
(1)混凝土澆筑后進(jìn)行養(yǎng)護(hù),主要是為了保持適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件。從溫度應(yīng)力的觀點(diǎn)出發(fā),保溫的目的有2個:一是減少混凝土表面的熱擴(kuò)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(qiáng)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(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度,防止產(chǎn)生貫穿性裂縫。潮濕養(yǎng)護(hù)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(jìn)行,提高混凝土極限拉伸和抗拉強(qiáng)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(hù),養(yǎng)護(hù)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模或拆模。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(hù),養(yǎng)護(hù)時間不少于14d。
(2)現(xiàn)場有計劃的埋放溫度感應(yīng)器,使用溫度感應(yīng)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(biāo)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(yīng)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?xí)r摻加引氣劑來實(shí)現(xiàn)。如果摻加的引氣劑性能不穩(wěn)定或劑量不當(dāng),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(shí)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(dāng),會造成混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(yīng)進(jìn)行堅(jiān)固性試驗(yàn),其質(zhì)量損失應(yīng)在國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》及《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)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(xì)的情況下,摻加一定比例的人工砂,提高砂的細(xì)度模數(shù),確保抗凍性的穩(wěn)定。
2.2.2現(xiàn)場檢測
按照《混凝土外加劑應(yīng)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(yīng)達(dá)到4.5%,對粗骨料最大粒徑是25mm的混凝土含氣量應(yīng)達(dá)到5.0%,對粗骨料最大粒徑是20mm的混凝土含氣量應(yīng)達(dá)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?；炷梁瑲饬?進(jìn)而保證了混凝土實(shí)際抗凍效果。從現(xiàn)場取樣制作的混凝土試件在試驗(yàn)室進(jìn)行凍融試驗(yàn)的結(jié)果來看,也驗(yàn)證了這一點(diǎn)(見表7)。
3避免堿集料反應(yīng)
3.1堿集料反應(yīng)
堿集料反應(yīng)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(yīng)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(yīng)力,最終導(dǎo)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(yīng)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(yàn)
在進(jìn)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(jìn)行堿含量檢測,對砂、石進(jìn)行集料活性檢測,選擇滿足要求的材料是一項(xiàng)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(shí),經(jīng)試驗(yàn)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(xué)分析方法》(GB/T176)檢驗(yàn)堿含量,外加劑按規(guī)范《混凝土外加劑》(GB1076)檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)《預(yù)防混凝土結(jié)構(gòu)工程堿集料反應(yīng)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。混凝土配合比設(shè)計出來后,施工單位必須委托法定檢測單位對混凝土進(jìn)行堿含量評估,最大綜合堿含量不得超標(biāo)。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(dāng)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(xì)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(yàn)、集料類型選擇、混凝土綜合堿含量控制,同時加強(qiáng)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(yīng)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(zé)任公司從減少混凝土裂縫、避免堿骨料反應(yīng)、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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