混凝土研究材料

1、醫(yī)藥工程設計雜志 Pharmaceutical&EngineeringDesign2005,26(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系和產(chǎn)生非結構性裂縫、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措施,并就這些技術措施在具體工程實踐中的應用效果作了比較。關鍵詞 鋼筋混凝土水池 裂縫 滲裂 收縮1 前

2、言隨著混凝土材料技術的快速發(fā)展,混凝土結構不斷呈現(xiàn)出超長、超大化的趨勢,而大量商品砼的使用以及砼強度等級的提高,砼結構出現(xiàn)裂縫的幾率也大大增加。水池作為一種常見的混凝土特種構筑物,要保證池體結構具有良好的抗?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。由于砼材料本身的固有特性以及水池結構本身特有的板(殼)體系和約束形態(tài),出現(xiàn)一定程度的滲裂在工程中是不可避免的。結構性滲裂除了由于外荷載直接作用導致的構件強度、地基變形、抗浮穩(wěn)定、裂縫寬度和池體構件變形等情況以外,其主要原因在于溫度、徐變、材料、設計、施工和維護等多因素交叉重疊而引起的非結構性滲裂。有資料表明1,非結構性滲裂在實際工程中出現(xiàn)

3、的幾率幾乎不低于80%,因此,如何有效地控制水池結構的非結構性滲裂并使其達到可以接受的程度,在工程上具有重要的意義。2 砼水池的防滲抗裂機理混凝土作為一種由水泥為膠結料、以砂石骨料粘結而成的特殊材料,其結構出現(xiàn)水的滲漏,必然是混凝土中存在著滲漏通道,而滲漏通道一般有兩種形式,一是材料本身的各種結構性縫隙和毛細管,二是混凝土由于收縮、溫度或荷載應力等因素引起的各種裂縫。顯然,前者與材料特性相關,后者則與各種作用和材料特性兩者相關?；炷潦怯伤?、水、砂和石子等基本材料組成的,水泥石、集料本身在結構形態(tài)上都存在著各種大小不等的孔隙和微細裂縫,水泥石與集料的接觸界面處也存在著各種形狀的縫隙

4、和毛細管。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構和孔隙率的增大,養(yǎng)護過程中的水分保失程度對水泥石大毛細孔的影響等因素,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),則將導致水泥水化的不充分并造成毛細管網(wǎng)彼此連通,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致液體的滲流,意味著其抗?jié)B能力的降低或喪失。這種現(xiàn)象就是混凝土的滲透性,工程上一般采用抗?jié)B等級SI來表示混凝土的抗?jié)B性。在水壓差一定的情況下,池壁厚度的大小決定了砼的抗?jié)B等級,因而對水池混凝土的滲透性來說,最主要的是改善水泥石的孔結構,抑制孔隙,提高砼的憎水性與密

5、實性。由材料缺陷因素導致的孔隙和微細裂縫一般發(fā)生在砼的早期,而當砼進入具有一定剛度作用的硬化后期或者達到設計使用強度要求以后,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見到此類裂縫的發(fā)生、發(fā)展,因而采用適當?shù)募夹g措施是可以進行預防控制的。因為主要與結構受力有關,所以這類裂縫一般稱之為結構性裂縫,它出現(xiàn)的幾率約在20%左右。與之對應的就是所謂非結構性裂縫,它占了所有砼結構裂縫的80%。由于早期的砼具有強烈的收縮變形傾向,特別是進入硬化階段后顯示出明顯的材料脆性

6、特征,拉壓比低,極限變形小,在收縮遇到強的約束時,極易產(chǎn)生裂縫。所以在非結構性裂縫中,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、溫度降低進入硬化階段后溫差收縮(冷縮)水化熱放熱后的溫度降低進入硬化階段后塑性收縮初凝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不難發(fā)現(xiàn),導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特性之一。所以對水池結構的防滲包括了既要改善砼材料固有缺陷造成的

7、滲漏,又要設法提高砼的抗裂性能以達到防滲兩個目的;砼的抗裂則應該包含非結構性的材料收縮變形開裂和結構性的構件開裂兩個方面。因而滲與裂是水池結構中兩個既相互獨立又相互聯(lián)系的問題。滲不一定意味著裂,但裂的后果必然是產(chǎn)生滲漏,但未必對結構承載力構成影響,這要視裂縫對結構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。而一般認為只要不裂就能防滲,應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構特性決定了對水池的滲裂控制主要還得從材料與結構兩方面著手。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、采用富配

8、合比以及摻入適量的外加劑等,有意識地調(diào)整或破壞砼內(nèi)部結構毛細管的構造,使相互連通的毛細管網(wǎng)最大限度地減少,提高砼的密實度,以達到防滲目的;為提高抗裂性能,則是在改善砼的材料和配比基礎上,主要通過優(yōu)化設計方案、著重構造處理和突出施工質量管理等方面進行綜合控制,如減少邊界約束、設置永久溫度變形縫或臨時后澆縫、嚴格施工順序和養(yǎng)護方式、甚至加大構件配筋等。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,早期砼材料的再密實,其干縮和冷縮仍將使結構產(chǎn)生裂縫,從而破壞結構的整體防滲功能;對抗裂更是以防止結構性的裂縫開展為主,即按設計規(guī)范規(guī)定,對荷載裂

9、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,構造相對復雜,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,也使得池體結構的整體性和剛性大幅下降,這反映了人們對裂滲問題認識上的相對不足。針對砼水池在材料、設計和施工等環(huán)節(jié)上的技術缺陷而產(chǎn)生的滲裂問題,一些新的應用技術得到了進一步的完善。特別是以補償收縮混凝土結構自防水、少縫甚至無縫設計及超長混凝土結構和預應力等為代表的應用技術的發(fā)展,已成為解決砼池類結構裂滲問題

10、的一個主要方向。3.1 補償收縮混凝土補償收縮砼,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晶化合物-水化硫鋁酸鈣(即鈣礬石3CaOAl2O33CaSO432H2O)使混凝土適度的膨脹,并在鋼筋和鄰位的約束下,在結構中建立0.20.7MPa的預壓應力,這一預壓應力可抵消或部分抵消在硬化過程中產(chǎn)生的收縮拉應力,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償

11、收縮砼(或膨脹水泥),才能相對有效地解決砼硬化過程中的收縮裂縫問題。但是,必須注意膨脹劑產(chǎn)生的膨脹應力是有限的,超過一定的界限后就起不到應有的作用,因此設計中應事先對砼進行各種不同摻量的試配,以確定最佳摻量,同時必須達到補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14天0.015%,空氣中28d干縮率應<0.03%。對普通水池來說,在確定膨脹劑的摻量時,尚應根據(jù)不同的膨脹劑種類、水池結構構件的不同性質區(qū)別對待,如采用硅鋁酸鹽膨脹劑HEA時,對底板一般不宜超過68%,對池壁則不宜超過810%。3.2 設置施工后澆帶施工后澆帶技術

12、實現(xiàn)的是為減小砼在施工期出現(xiàn)的溫(濕)差應力作用所產(chǎn)生的收縮裂縫(非控制沉降性質)的一項裂滲預防控制技術?；炷恋臐沧⒁话阍谌肽?430h左右,其產(chǎn)生的水化熱即達到最高值,但由于池類結構的各構件厚度相對較薄,裸露系數(shù)較大,溫升對構件的影響就遠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)冷縮并開始凝結,砼也同步獲得初期強度,但這一強度無疑是低的,在即使遇到不大的約束,但構件的長度較長(相對厚度而言)的時候,極易使砼產(chǎn)生收縮裂縫。所以,結構構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件的約束,特別

13、是長度對這一作用的影響,只要使?jié)补嗪鬂矌У那昂?結構砼由施工期溫(濕)差作用和收縮應力相疊加的應力值小于混凝土抗拉強度,就可以達到消除大部分收縮裂縫的目的,進而減少或取消伸縮縫的設置。而如果采用高摻量的膨脹加強帶(1415%)取代施工后澆帶,則可以實現(xiàn)連續(xù)澆筑超長混凝土結構。施工后澆帶的寬度一般為0.81.0m,間隔30m左右,在兩側砼澆筑、養(yǎng)護37周后用強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 預應力技術從補償收縮混凝土和施工后澆帶的作用機理不難看出,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)生的溫度應力、砼的后期膨脹以及混凝土徐變等

14、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構,如果單純依靠增加配筋量、改善砼性能以及施工養(yǎng)護等措施,不足以真正有效地解決砼的滲裂問題。采用預應力技術,主要是通過布置在砼構件中的預應力鋼筋對水池構件預先施加一定大小的預壓應力,達到調(diào)整、改變和均勻構件的內(nèi)力分布,降低截面拉應力峰值,實現(xiàn)結構構件的小偏心受壓甚至全截面受壓,從而使結構在使用階段也能滿足不開裂或減小裂縫寬度,而預應力結構特有的良好的變形恢復性能,能有效地促使裂縫減小與閉合,因此,利用預應力技術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)分縫水池無可比擬的。預應力筋可以替代、也可以部分替代普

15、通鋼筋與混凝土一起工作。從技術經(jīng)濟角度來看,在普通鋼筋混凝土水池結構中,由于較多地受裂縫寬度的限制,高強度鋼材的強度一般是很難被充分利用的,而在預應力砼水池中,高強度鋼材則是預先施加了較高的預拉力,因而可以使高強鋼材在構件破壞前達到其屈服強度。事實上,正是基于這一特點,預應力水池的工程造價比傳統(tǒng)水池節(jié)約720%。4 工程實踐上海賽科90萬噸乙烯工程OSBL建設有三個大型循環(huán)水場、一個污水處理場,共有各類水池約34個,其中10個為大型水池或超長水池,整個工程建造在杭州灣北岸經(jīng)圍海造地促淤吹填而成的軟土地基上。下面通過比較1#、2#循環(huán)水場內(nèi)的其中四個采用不同方法設計的水池的蓄水試驗滲漏

16、實測記錄,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水池尺寸(長x寬)(m)設計水位高(m)介質溫度()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192x17.81#消防水池50x502#消防水池22x222#集水池104x7.84.85.07.1405.5/0.3350/600多格敞口,地上5.5/2.5350/400敞口,半地上8.0/3.0500/600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度等級坍落度(mm)水膠

17、比材料用量(kg/m3)水泥砂石子水外加劑HEA粉煤灰砂率(%)1#冷卻塔1#消防水池2#消防水池2#集水池C30P6C35P6180±200.532573110101982.6-7542180±200.4330172011001708.8247540120±200.4633677410261776.05-5038  1#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置溫度伸縮縫,最大溫度區(qū)段32米,框架采用雙柱分縫,水池采用雙壁分縫,一溫度

18、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,但考慮到框架結構(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,在兩側砼澆筑、養(yǎng)護42天后用C35砼澆搗。由于施工單位急于模板周轉,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0.10.15mm不等。1#、2#消防水池為敞口方形水池,基礎底下局醫(yī)藥工程設計雜志 Pharmaceutical&EngineeringDesign200

19、5,26(5)部為23米厚軟弱淤泥層,采用毛石換填墊層法進行地基處理。1#消防水池分別在縱橫兩向中間設置一道伸縮縫,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)生應力集中。而1#消防水池在設置了伸縮縫后,池壁也就相應減少了一個約束,這對砼的施工收縮和結構的伸縮變形來講都是有利的。基于這一思想,2#消防水池設計采用內(nèi)摻HEA的補償收縮混凝土,水池整體澆筑而不設伸縮縫,要求池壁摻量810%,底板摻量68%。2#集水池長度超過100

20、米,基礎形式同消防水池。工藝要求整個池底盡可能保持同一標高,并且中間不設橫墻,因此設計首先考慮按規(guī)范25米間距要求設置溫度縫,104米長至少需設置34道伸縮縫,但設置了縫以后,水池縱向池壁被伸縮縫截斷,整個水池的縱向剛度幾乎喪失,即使不設沉降縫,也無法使100米長的水池在軟土地基上保持沉降的基本均勻。因此,只有采用預應力并結合施工后澆帶(此時兼有控制沉降性質)的無縫設計才有可能解決這一技術難題。基本方法是:池中間設置一條施工后澆帶,將水池分成2段,砼澆筑完畢,采用覆蓋灑水養(yǎng)護,混凝土7天強度要求達到80%,進行2段預應力第一次張拉預壓,以密閉砼早期收縮裂縫,14天后池壁拆模,45天后用C40砼

21、(內(nèi)摻10%HEA)澆搗密實后澆帶,再過7天,對貫穿后澆帶處的預應力筋進行第二次張拉,后澆帶拆模并池壁貫通后,進行第三次全長貫通預應力筋整體張拉,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力,但從設計規(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/m2d)允許滲水量(L/m