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(duì)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(shí)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(duì)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(jì)污水處理規(guī)模為60 萬(wàn)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C25 P6 F150、C40 P6 F150、C35 P8、C40 P8 等( 其中以C25 P6 F150、C40 P6 F150 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(wàn)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(duì)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(duì)材料的抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)并作為設(shè)計(jì)、施工與原材料選用的依據(jù), 已成為當(dāng)今一些工業(yè)國(guó)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(duì)擬用于工程的備選原材料, 利用圓環(huán)試驗(yàn)方法對(duì)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(gè)品牌水泥P.O 32.5 和P.O 42.5 兩種型號(hào), 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(shí)間快慢順序是乙品牌P.O 42.5>乙品牌P.O 32.5>丙品牌P.O 42.5>丙品牌P.O 32.5>甲品牌P.O 42.5>甲品牌P.O 32.5。甲品牌水泥的開裂時(shí)間要比乙品牌水泥和丙品牌水泥明顯延長(zhǎng), 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(duì)水泥收縮開裂的影響, 表2 為相同品牌不同型號(hào)水泥( 甲品牌P.O 42.5、甲品牌P.O 32.5) 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(duì)水泥收縮開裂的影響非常顯著, 但不論是P.O 42.5 水泥, 還是P.O 32.5 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(shí)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(duì)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(dòng)度保持在160 mm左右, X、Y 與Z 對(duì)水泥漿體開裂時(shí)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(shí), 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(jí)粉煤灰對(duì)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(píng)價(jià)不同粉煤灰摻加量對(duì)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(shí)間明顯延長(zhǎng), 開裂寬度明顯降低, 當(dāng)粉煤灰摻量大于30%后, 延長(zhǎng)初裂時(shí)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(jì)時(shí), 減少水泥用量, 適量摻加粉煤灰, 可以明顯延長(zhǎng)混凝土的初裂時(shí)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.O 42.5( 用于C30 以上強(qiáng)度等級(jí)) 和甲品牌P.O 32.5水泥( 用于C30 以下強(qiáng)度等級(jí)) 、Y 外加劑、涿州中粗砂、河北某電廠I 級(jí)粉煤灰?？紤]到施工技術(shù)水平和當(dāng)前建材市場(chǎng)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(duì)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(jì), 優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)施工, 為了防止太陽(yáng)直接照射碎石,采用集中成大堆堆放、搭設(shè)簡(jiǎn)易遮陽(yáng)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(cè)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(duì)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(cè)溫?cái)?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(cè)溫結(jié)果。同時(shí),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(gè): 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(zhǎng)散熱時(shí)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(duì)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(chǎng), 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(shí)間不少于14 d。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4 h 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(rùn), 同時(shí)用塑料花管滴水養(yǎng)護(hù), 養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。 

      ( 2) 現(xiàn)場(chǎng)有計(jì)劃的埋放溫度感應(yīng)器, 使用溫度感應(yīng)器量測(cè)混凝土凝結(jié)過程的溫度變化情況, 通過對(duì)混凝土內(nèi)外部溫度的掌握, 隨時(shí)了解混凝土內(nèi)外溫度差值從而確定拆模時(shí)間。對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu), 拆模時(shí)內(nèi)外溫差不得大于25℃, 降溫速率不大于1.5℃/d。對(duì)于長(zhǎng)墻結(jié)構(gòu), 控制混凝土降溫速率不大于3℃/d, 控制拆模時(shí)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(shí)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(jiǎn)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(jí)各異, 對(duì)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(jì)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(jí)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(chǎng)再缺乏有效的含氣量檢測(cè)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(huì)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(duì)抗壓強(qiáng)度影響較少的引氣劑。小紅門污水處理廠施工時(shí), 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(guó)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(shí),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?？箖鲂缘姆€(wěn)定。 

      2. 2. 2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè) 
      按照《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50119-2003) 的規(guī)定, 對(duì)粗骨料最大粒徑是40 mm 的混凝土含氣量應(yīng)達(dá)到4.5%, 對(duì)粗骨料最大粒徑是25 mm 的混凝土含氣量應(yīng)達(dá)到5.0%, 對(duì)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25 mm, 混凝土含氣量要求不小于5.0%。施工時(shí),現(xiàn)場(chǎng)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(cè)定儀, 檢測(cè)每車混凝土的含氣量。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè), 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(chǎng)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(