混凝土研究材料

1、医药工程设计杂志 Pharmaceutical&EngineeringDesign2005,26(5)提高混凝土水池防渗抗裂的几种措施及工程实践中国石化集团上海工程有限公司(200120) 胡 敏 何国富 章 健摘要 围绕钢筋混凝土水池的渗裂问题,从材料的角度阐述了渗与裂的关系和产生非结构性裂缝、特别是早期收缩裂缝的原因,着重分析讨论了提高水池防渗抗裂性能的几种技术措施,并就这些技术措施在具体工程实践中的应用效果作了比较。关键词 钢筋混凝土水池 裂缝 渗裂 收缩1 前

2、言随着混凝土材料技术的快速发展,混凝土结构不断呈现出超长、超大化的趋势,而大量商品砼的使用以及砼强度等级的提高,砼结构出现裂缝的几率也大大增加。水池作为一种常见的混凝土特种构筑物,要保证池体结构具有良好的抗渗性和抗裂性,就必须对裂缝的发生和发展加以有效的控制。由于砼材料本身的固有特性以及水池结构本身特有的板(壳)体系和约束形态,出现一定程度的渗裂在工程中是不可避免的。结构性渗裂除了由于外荷载直接作用导致的构件强度、地基变形、抗浮稳定、裂缝宽度和池体构件变形等情况以外,其主要原因在于温度、徐变、材料、设计、施工和维护等多因素交叉重叠而引起的非结构性渗裂。有资料表明1,非结构性渗裂在实际工程中出现

3、的几率几乎不低于80%,因此,如何有效地控制水池结构的非结构性渗裂并使其达到可以接受的程度,在工程上具有重要的意义。2 砼水池的防渗抗裂机理混凝土作为一种由水泥为胶结料、以砂石骨料粘结而成的特殊材料,其结构出现水的渗漏,必然是混凝土中存在着渗漏通道,而渗漏通道一般有两种形式,一是材料本身的各种结构性缝隙和毛细管,二是混凝土由于收缩、温度或荷载应力等因素引起的各种裂缝。显然,前者与材料特性相关,后者则与各种作用和材料特性两者相关。混凝土是由水泥、水、砂和石子等基本材料组成的,水泥石、集料本身在结构形态上都存在着各种大小不等的孔隙和微细裂缝,水泥石与集料的接触界面处也存在着各种形状的缝隙

4、和毛细管。另外,施工过程中的振捣不密实、水泥骨料离析而造成砼的孔结构和孔隙率的增大,养护过程中的水分保失程度对水泥石大毛细孔的影响等因素,直接决定了混凝土固有的多孔性状,而混凝土内水分的不断蒸发,则将导致水泥水化的不充分并造成毛细管网彼此连通,伴随砼收缩出现的龟裂,形成渗水通道。一旦渗水通道形成,只要存在内外压力差,砼的多孔性必然会导致液体的渗流,意味着其抗渗能力的降低或丧失。这种现象就是混凝土的渗透性,工程上一般采用抗渗等级SI来表示混凝土的抗渗性。在水压差一定的情况下,池壁厚度的大小决定了砼的抗渗等级,因而对水池混凝土的渗透性来说,最主要的是改善水泥石的孔结构,抑制孔隙,提高砼的憎水性与密

5、实性。由材料缺陷因素导致的孔隙和微细裂缝一般发生在砼的早期,而当砼进入具有一定刚度作用的硬化后期或者达到设计使用强度要求以后,施加给水池的各类荷载与作用(包括各种温湿差作用),在各种约束作用下,将导致砼不同程度出现开裂,也即产生砼的后期裂缝。这种裂缝的各种成因相对比较明确,通过分析计算,在一定程度上可以预见到此类裂缝的发生、发展,因而采用适当的技术措施是可以进行预防控制的。因为主要与结构受力有关,所以这类裂缝一般称之为结构性裂缝,它出现的几率约在20%左右。与之对应的就是所谓非结构性裂缝,它占了所有砼结构裂缝的80%。由于早期的砼具有强烈的收缩变形倾向,特别是进入硬化阶段后显示出明显的材料脆性

6、特征,拉压比低,极限变形小,在收缩遇到强的约束时,极易产生裂缝。所以在非结构性裂缝中,砼的收缩变形是诱发早期裂缝产生的最主要因素。表1为砼的几种主要变形收缩类型。表1 砼的主要变形收缩类型收缩类型产生原因发生阶段干燥收缩水分蒸发,环境湿度、温度降低进入硬化阶段后温差收缩(冷缩)水化热放热后的温度降低进入硬化阶段后塑性收缩初凝前泌水和水分急剧蒸发引起失水,颗粒沉降而产生沉缩终凝之前的塑性阶段体积收缩水泥水化作用初凝之前不难发现,导致砼收缩变形的直接原因是温(湿)差的作用以及水泥胶体的早期塑性性状,它是砼材料所固有的物理化学特性之一。所以对水池结构的防渗包括了既要改善砼材料固有缺陷造成的

7、渗漏,又要设法提高砼的抗裂性能以达到防渗两个目的;砼的抗裂则应该包含非结构性的材料收缩变形开裂和结构性的构件开裂两个方面。因而渗与裂是水池结构中两个既相互独立又相互联系的问题。渗不一定意味着裂,但裂的后果必然是产生渗漏,但未必对结构承载力构成影响,这要视裂缝对结构的安全性和耐久性以及使用功能(裂缝宽度和渗漏量控制)是否产生影响而定。而一般认为只要不裂就能防渗,应该说对渗的理解是不完全的。3 水池防渗抗裂几种措施与讨论砼水池的材料和结构特性决定了对水池的渗裂控制主要还得从材料与结构两方面着手。以往传统的防渗手段主要是以提高砼的水密性自防为主,通过选择合适的骨料级配、降低水灰比、采用富配

8、合比以及掺入适量的外加剂等,有意识地调整或破坏砼内部结构毛细管的构造,使相互连通的毛细管网最大限度地减少,提高砼的密实度,以达到防渗目的;为提高抗裂性能,则是在改善砼的材料和配比基础上,主要通过优化设计方案、着重构造处理和突出施工质量管理等方面进行综合控制,如减少边界约束、设置永久温度变形缝或临时后浇缝、严格施工顺序和养护方式、甚至加大构件配筋等。然而,工程实践表明,这些防渗与抗裂措施手段往往效果并不十分理想,其主要原因在于人们忽视了砼收缩的致命弱点,早期砼材料的再密实,其干缩和冷缩仍将使结构产生裂缝,从而破坏结构的整体防渗功能;对抗裂更是以防止结构性的裂缝开展为主,即按设计规范规定,对荷载裂

9、缝有计算公式并给出允许裂缝宽度限值,对变形裂缝则不作计算规定,采用的设计原则就是按规范留伸缩缝,只要留缝就不开裂。显然,实际工程中并没有因为设置了伸缩缝而使渗裂得以减少,并且往往由于这类缝一般都要做成贯通式,构造相对复杂,施工要求高,止水材料容易腐蚀老化,这反而在一定程度上造成了新的渗漏通道,也使得池体结构的整体性和刚性大幅下降,这反映了人们对裂渗问题认识上的相对不足。针对砼水池在材料、设计和施工等环节上的技术缺陷而产生的渗裂问题,一些新的应用技术得到了进一步的完善。特别是以补偿收缩混凝土结构自防水、少缝甚至无缝设计及超长混凝土结构和预应力等为代表的应用技术的发展,已成为解决砼池类结构裂渗问题

10、的一个主要方向。3.1 补偿收缩混凝土补偿收缩砼,指的是在水泥中掺加一定数量的膨胀剂,拌水后生成大量膨胀性结晶化合物-水化硫铝酸钙(即钙矾石3CaOAl2O33CaSO432H2O)使混凝土适度的膨胀,并在钢筋和邻位的约束下,在结构中建立0.20.7MPa的预压应力,这一预压应力可抵消或部分抵消在硬化过程中产生的收缩拉应力,或使其小于混凝土的拉伸极限,从而防止混凝土的收缩开裂,它主要针对的是砼开裂的其中一个最根本原因各种因素造成的变形收缩;另外,水化反应生成的钙矾石晶体属针状、棒状晶体,填充、切断、堵塞砼的毛细孔,也起到了提高砼的抗渗性能。因此,从材料的角度看,只有采用掺膨胀剂的补偿

11、收缩砼(或膨胀水泥),才能相对有效地解决砼硬化过程中的收缩裂缝问题。但是,必须注意膨胀剂产生的膨胀应力是有限的,超过一定的界限后就起不到应有的作用,因此设计中应事先对砼进行各种不同掺量的试配,以确定最佳掺量,同时必须达到补偿收缩砼的限制膨胀率,才能获得控制裂渗的效果。我国规范2规定任何一种膨胀剂限制膨胀率为水中养护14天0.015%,空气中28d干缩率应<0.03%。对普通水池来说,在确定膨胀剂的掺量时,尚应根据不同的膨胀剂种类、水池结构构件的不同性质区别对待,如采用硅铝酸盐膨胀剂HEA时,对底板一般不宜超过68%,对池壁则不宜超过810%。3.2 设置施工后浇带施工后浇带技术

12、实现的是为减小砼在施工期出现的温(湿)差应力作用所产生的收缩裂缝(非控制沉降性质)的一项裂渗预防控制技术。混凝土的浇注一般在入模2430h左右,其产生的水化热即达到最高值,但由于池类结构的各构件厚度相对较薄,裸露系数较大,温升对构件的影响就远不如大体积砼那么明显,大约714天,伴随着水化热从最高值开始下降至环境温度相一致的过程,砼出现冷缩并开始凝结,砼也同步获得初期强度,但这一强度无疑是低的,在即使遇到不大的约束,但构件的长度较长(相对厚度而言)的时候,极易使砼产生收缩裂缝。所以,结构构件的约束和长度这两个因素对温(湿)差作用十分敏感,所以在砼浇筑施工中采用后浇带则可有效地降低构件的约束,特别

13、是长度对这一作用的影响,只要使浇灌后浇带的前后,结构砼由施工期温(湿)差作用和收缩应力相叠加的应力值小于混凝土抗拉强度,就可以达到消除大部分收缩裂缝的目的,进而减少或取消伸缩缝的设置。而如果采用高掺量的膨胀加强带(1415%)取代施工后浇带,则可以实现连续浇筑超长混凝土结构。施工后浇带的宽度一般为0.81.0m,间隔30m左右,在两侧砼浇筑、养护37周后用强度等级高一级的微膨胀混凝土(或掺膨胀剂的无收缩砼)浇捣密实。3.3 预应力技术从补偿收缩混凝土和施工后浇带的作用机理不难看出,两者主要解决的是砼的早期收缩问题,并不能解决季节温(湿)差所产生的温度应力、砼的后期膨胀以及混凝土徐变等

14、因素对混凝土水池造成的渗裂问题,特别是对于长度较长的水池结构,如果单纯依靠增加配筋量、改善砼性能以及施工养护等措施,不足以真正有效地解决砼的渗裂问题。采用预应力技术,主要是通过布置在砼构件中的预应力钢筋对水池构件预先施加一定大小的预压应力,达到调整、改变和均匀构件的内力分布,降低截面拉应力峰值,实现结构构件的小偏心受压甚至全截面受压,从而使结构在使用阶段也能满足不开裂或减小裂缝宽度,而预应力结构特有的良好的变形恢复性能,能有效地促使裂缝减小与闭合,因此,利用预应力技术可大大地提高砼水池的防渗特别是抗裂性能,其整体性、抗震性、耐久性等都是传统分缝水池无可比拟的。预应力筋可以替代、也可以部分替代普

15、通钢筋与混凝土一起工作。从技术经济角度来看,在普通钢筋混凝土水池结构中,由于较多地受裂缝宽度的限制,高强度钢材的强度一般是很难被充分利用的,而在预应力砼水池中,高强度钢材则是预先施加了较高的预拉力,因而可以使高强钢材在构件破坏前达到其屈服强度。事实上,正是基于这一特点,预应力水池的工程造价比传统水池节约720%。4 工程实践上海赛科90万吨乙烯工程OSBL建设有三个大型循环水场、一个污水处理场,共有各类水池约34个,其中10个为大型水池或超长水池,整个工程建造在杭州湾北岸经围海造地促淤吹填而成的软土地基上。下面通过比较1#、2#循环水场内的其中四个采用不同方法设计的水池的蓄水试验渗漏

16、实测记录,比较其防渗抗裂的实际效果。水池的工艺条件见表2。表2 四个水池工艺布置条件水池名称水池尺寸(长x宽)(m)设计水位高(m)介质温度()水池总高/地下部分高(m)池壁厚/底板厚(mm)水池形式1#冷却塔水池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单池带顶盖,半地上  四个水池采用的混凝土均为商品砼,其配合比见表3。表3 四个水池混凝土配合比水池名称强度等级坍落度(mm)水胶

17、比材料用量(kg/m3)水泥砂石子水外加剂HEA粉煤灰砂率(%)1#冷却塔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#冷却塔水池位于主框架底部,水池池壁与底层框架外边柱整浇,整块筏板基础不仅是水池底板,同时又作为桩基承台板。按冷却塔工艺尺寸模数,框架与水池在同一位置设置温度伸缩缝,最大温度区段32米,框架采用双柱分缝,水池采用双壁分缝,一温度

18、区段内水池有池壁分成2格。根据规范3现浇地上式水池的最大伸缩缝间距20米,但考虑到框架结构(允许伸缩缝最大间距35米)与池壁在温度作用下的协调变形,底层框架柱对池壁的伸缩也具有一定的约束作用,因此温度区段内不再设伸缩缝,而采用施工后浇带(池壁和底板)来减少水池砼的收缩,后浇带宽800,在两侧砼浇筑、养护42天后用C35砼浇捣。由于施工单位急于模板周转,池壁模板在10d不到即拆模,2周后发现池壁表面出现多条不规则裂缝,宽度达0.10.15mm不等。1#、2#消防水池为敞口方形水池,基础底下局医药工程设计杂志 Pharmaceutical&EngineeringDesign200

19、5,26(5)部为23米厚软弱淤泥层,采用毛石换填垫层法进行地基处理。1#消防水池分别在纵横两向中间设置一道伸缩缝,橡胶止水带止水,最大温度区段25米。2#消防水池长度两方向正好25,满足规范规定长度要求,但与同样25米区段的1#消防水池不同的是,由于矩形水池的纵横两向相交的池壁在收缩或膨胀变形时,两方向的池壁互为彼此的约束,产生应力集中。而1#消防水池在设置了伸缩缝后,池壁也就相应减少了一个约束,这对砼的施工收缩和结构的伸缩变形来讲都是有利的。基于这一思想,2#消防水池设计采用内掺HEA的补偿收缩混凝土,水池整体浇筑而不设伸缩缝,要求池壁掺量810%,底板掺量68%。2#集水池长度超过100

20、米,基础形式同消防水池。工艺要求整个池底尽可能保持同一标高,并且中间不设横墙,因此设计首先考虑按规范25米间距要求设置温度缝,104米长至少需设置34道伸缩缝,但设置了缝以后,水池纵向池壁被伸缩缝截断,整个水池的纵向刚度几乎丧失,即使不设沉降缝,也无法使100米长的水池在软土地基上保持沉降的基本均匀。因此,只有采用预应力并结合施工后浇带(此时兼有控制沉降性质)的无缝设计才有可能解决这一技术难题。基本方法是:池中间设置一条施工后浇带,将水池分成2段,砼浇筑完毕,采用覆盖洒水养护,混凝土7天强度要求达到80%,进行2段预应力第一次张拉预压,以密闭砼早期收缩裂缝,14天后池壁拆模,45天后用C40砼

21、(内掺10%HEA)浇捣密实后浇带,再过7天,对贯穿后浇带处的预应力筋进行第二次张拉,后浇带拆模并池壁贯通后,进行第三次全长贯通预应力筋整体张拉,同时提高池壁纵向整体刚性。四个水池中除1#冷却塔水池拆模后出现较明显的微细收缩裂缝外,其余水池砼基本无裂缝出现。经蓄水试验,所有水池均满足规范3渗漏要求。表4为四个水池的蓄水试验渗漏实测记录。由四个水池的蓄水试验渗漏实测记录可以看到,尽管渗漏结果都符合要求,但它们之间的渗裂性能差异还是比较明显的。1#冷却塔水池采用施工后浇带,试图减少砼的早期收缩和降低收缩应力,但从设计规范角度看,32米的温度区段属超限,而施表4 四个水池的蓄水试验渗漏实测记录水池名称蓄水水位高(m)实际渗水量(L/m2d)允许渗水量(L/m