混凝土研究材料

1、醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)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(shí)踐中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司(200120) 胡 敏 何國(guó)富 章 健摘要 圍繞鋼筋混凝土水池的滲裂問(wèn)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(shí)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

2、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(zhǎng)、超大化的趨勢(shì),而大量商品砼的使用以及砼強(qiáng)度等級(jí)的提高,砼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的幾率也大大增加。水池作為一種常見(jiàn)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(duì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性滲裂除了由于外荷載直接作用導(dǎo)致的構(gòu)件強(qiáng)度、地基變形、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(jì)、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(shí)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(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?、水、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

4、和毛細(xì)管。另外,施工過(guò)程中的振搗不密實(shí)、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(guò)程中的水分保失程度對(duì)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,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(huì)導(dǎo)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(jí)SI來(lái)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(jí),因而對(duì)水池混凝土的滲透性來(lái)說(shuō),最主要的是改善水泥石的孔結(jié)構(gòu),抑制孔隙,提高砼的憎水性與密

5、實(shí)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(jì)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(kāi)裂,也即產(chǎn)生砼的后期裂縫。這種裂縫的各種成因相對(duì)比較明確,通過(guò)分析計(jì)算,在一定程度上可以預(yù)見(jiàn)到此類裂縫的發(fā)生、發(fā)展,因而采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施是可以進(jìn)行預(yù)防控制的。因?yàn)橹饕c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(duì)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

6、特征,拉壓比低,極限變形小,在收縮遇到強(qiáng)的約束時(shí),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(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(duì)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

7、滲漏,又要設(shè)法提高砼的抗裂性能以達(dá)到防滲兩個(gè)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(kāi)裂和結(jié)構(gòu)性的構(gòu)件開(kāi)裂兩個(gè)方面。因而滲與裂是水池結(jié)構(gòu)中兩個(gè)既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的問(wèn)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(duì)結(jié)構(gòu)承載力構(gòu)成影響,這要視裂縫對(duì)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(shuō)對(duì)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(duì)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(guò)選擇合適的骨料級(jí)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(shí)地調(diào)整或破壞砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)毛細(xì)管的構(gòu)造,使相互連通的毛細(xì)管網(wǎng)最大限度地減少,提高砼的密實(shí)度,以達(dá)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(chǔ)上,主要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)后澆縫、嚴(yán)格施工順序和養(yǎng)護(hù)方式、甚至加大構(gòu)件配筋等。然而,工程實(shí)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(shí),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(duì)抗裂更是以防止結(jié)構(gòu)性的裂縫開(kāi)展為主,即按設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,對(duì)荷載裂

9、縫有計(jì)算公式并給出允許裂縫寬度限值,對(duì)變形裂縫則不作計(jì)算規(guī)定,采用的設(shè)計(jì)原則就是按規(guī)范留伸縮縫,只要留縫就不開(kāi)裂。顯然,實(shí)際工程中并沒(méi)有因?yàn)樵O(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(duì)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,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(duì)裂滲問(wèn)題認(rèn)識(shí)上的相對(duì)不足。針對(duì)砼水池在材料、設(shè)計(jì)和施工等環(huán)節(jié)上的技術(shù)缺陷而產(chǎn)生的滲裂問(wèn)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(wú)縫設(shè)計(jì)及超長(zhǎng)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(wèn)題

10、的一個(gè)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3CaOAl2O33CaSO432H2O)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0.20.7MPa的預(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(guò)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(kāi)裂,它主要針對(duì)的是砼開(kāi)裂的其中一個(gè)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

11、收縮砼(或膨脹水泥),才能相對(duì)有效地解決砼硬化過(guò)程中的收縮裂縫問(wèn)題。但是,必須注意膨脹劑產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力是有限的,超過(guò)一定的界限后就起不到應(yīng)有的作用,因此設(shè)計(jì)中應(yīng)事先對(duì)砼進(jìn)行各種不同摻量的試配,以確定最佳摻量,同時(shí)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(guó)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)<0.03%。對(duì)普通水池來(lái)說(shuō),在確定膨脹劑的摻量時(shí),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(duì)待,如采用硅鋁酸鹽膨脹劑HEA時(shí),對(duì)底板一般不宜超過(guò)68%,對(duì)池壁則不宜超過(guò)810%。3.2 設(shè)置施工后澆帶施工后澆帶技術(shù)

12、實(shí)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(xiàng)裂滲預(yù)防控制技術(shù)?；炷恋臐沧⒁话阍谌肽?430h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(duì)較薄,裸露系數(shù)較大,溫升對(duì)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(kāi)始下降至環(huán)境溫度相一致的過(guò)程,砼出現(xiàn)冷縮并開(kāi)始凝結(jié),砼也同步獲得初期強(qiáng)度,但這一強(qiáng)度無(wú)疑是低的,在即使遇到不大的約束,但構(gòu)件的長(zhǎng)度較長(zhǎng)(相對(duì)厚度而言)的時(shí)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(zhǎng)度這兩個(gè)因素對(duì)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

13、是長(zhǎng)度對(duì)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目的,進(jìn)而減少或取消伸縮縫的設(shè)置。而如果采用高摻量的膨脹加強(qiáng)帶(1415%)取代施工后澆帶,則可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)澆筑超長(zhǎng)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(jí)高一級(jí)的微膨脹混凝土(或摻膨脹劑的無(wú)收縮砼)澆搗密實(shí)。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(wèn)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

14、因素對(duì)混凝土水池造成的滲裂問(wèn)題,特別是對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)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(wèn)題。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù),主要是通過(guò)布置在砼構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)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,降低截面拉應(yīng)力峰值,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的小偏心受壓甚至全截面受壓,從而使結(jié)構(gòu)在使用階段也能滿足不開(kāi)裂或減小裂縫寬度,而預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)特有的良好的變形恢復(fù)性能,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

15、通鋼筋與混凝土一起工作。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)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(shí)上,正是基于這一特點(diǎn),預(yù)應(yīng)力水池的工程造價(jià)比傳統(tǒng)水池節(jié)約720%。4 工程實(shí)踐上海賽科90萬(wàn)噸乙烯工程OSBL建設(shè)有三個(gè)大型循環(huán)水場(chǎng)、一個(gè)污水處理場(chǎng),共有各類水池約34個(gè),其中10個(gè)為大型水池或超長(zhǎng)水池,整個(gè)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(guò)比較1#、2#循環(huán)水場(chǎng)內(nèi)的其中四個(gè)采用不同方法設(shè)計(jì)的水池的蓄水試驗(yàn)滲漏

16、實(shí)測(cè)記錄,比較其防滲抗裂的實(shí)際效果。水池的工藝條件見(jiàn)表2。表2 四個(gè)水池工藝布置條件水池名稱水池尺寸(長(zhǎng)x寬)(m)設(shè)計(jì)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(gè)水池采用的混凝土均為商品砼,其配合比見(jiàn)表3。表3 四個(gè)水池混凝土配合比水池名稱強(qiáng)度等級(jí)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(chǔ)不僅是水池底板,同時(shí)又作為樁基承臺(tái)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(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(duì)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(lái)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C35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)底下局醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)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(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(zhǎng)度兩方向正好25,滿足規(guī)范規(guī)定長(zhǎng)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(shí),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(gè)約束,這對(duì)砼的施工收縮和結(jié)構(gòu)的伸縮變形來(lái)講都是有利的?；谶@一思想,2#消防水池設(shè)計(jì)采用內(nèi)摻HEA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(zhǎng)度超過(guò)100

20、米,基礎(chǔ)形式同消防水池。工藝要求整個(gè)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(jì)首先考慮按規(guī)范25米間距要求設(shè)置溫度縫,104米長(zhǎng)至少需設(shè)置34道伸縮縫,但設(shè)置了縫以后,水池縱向池壁被伸縮縫截?cái)?整個(gè)水池的縱向剛度幾乎喪失,即使不設(shè)沉降縫,也無(wú)法使100米長(zhǎng)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(yù)應(yīng)力并結(jié)合施工后澆帶(此時(shí)兼有控制沉降性質(zhì))的無(wú)縫設(shè)計(jì)才有可能解決這一技術(shù)難題?；痉椒ㄊ?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天后池壁拆模,45天后用C40砼

21、(內(nèi)摻10%HEA)澆搗密實(shí)后澆帶,再過(guò)7天,對(duì)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(zhǎng)貫通預(yù)應(yīng)力筋整體張拉,同時(shí)提高池壁縱向整體剛性。四個(gè)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(wú)裂縫出現(xiàn)。經(jīng)蓄水試驗(yàn),所有水池均滿足規(guī)范3滲漏要求。表4為四個(gè)水池的蓄水試驗(yàn)滲漏實(shí)測(cè)記錄。由四個(gè)水池的蓄水試驗(yàn)滲漏實(shí)測(cè)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(jì)規(guī)范角度看,32米的溫度區(qū)段屬超限,而施表4 四個(gè)水池的蓄水試驗(yàn)滲漏實(shí)測(cè)記錄水池名稱蓄水水位高(m)實(shí)際滲水量(L/m2d)允許滲水量(L/m