摘要: 北京市小红门污水处理厂工程在减少混凝土裂缝、避免碱骨料反应、提高抗冻性等方面做的一些有益探索, 对如何提高污水处理厂构筑物混凝土耐久性有一定的借鉴意义。
关键词: 污水构筑物; 耐久性; 裂缝; 抗冻; 碱集料
耐久性是高性能混凝土(HPC)的重要指标之一,它是在一定的环境条件下混凝土性能不随时间而劣化的性能。影响混凝土耐久性有环境因素和自身破坏因素两类, 环境因素有外界温度、湿度、介质等; 自身因素有温度裂缝破坏、渗漏破坏、冻融破坏、碳化破坏、碱骨料反应破坏、腐蚀破坏等。
污水处理厂构筑物往往规模大、数量多、形式复杂, 加上其本身承载的介质为水, 而水中常含有氮、磷、氯及一定量汞、铬等重金属, 因此, 混凝土必须具备较高的耐久性要求。一般说来, 通过改变环境影响因素来改变混凝土耐久性是不易实现的; 但通过一些技术和管理手段对混凝土自身破坏因素进行谒制, 以提高混凝土耐久性是可以做到的。
北京市小红门污水处理厂设计污水处理规模为60 万t/d, 水工构筑物包括初沉池8 座、初沉池污配水井及泥泵井4 座、曝气池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、接触池1 座、化学除磷池2 座、贮泥池1 座、消化池5 座。混凝土技术指标主要有C25 P6 F150、C40 P6 F150、C35 P8、C40 P8 等( 其中以C25 P6 F150、C40 P6 F150 两种指标混凝土量最大) 。工程于2003 年11 月开工, 2005年10 月完工, 共浇筑混凝土11.6 万m3, 在工程施工过程中, 北京市市政四建设有限责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 减少构筑物混凝土裂缝
1. 1 构筑物裂缝类型
构筑物混凝土裂缝主要有塑性裂缝、收缩裂缝、温度裂缝3 种, 这3 种裂缝在水工构筑物施工中均有不同程度的出现, 对结构的耐久性有较大影响, 尤以底板和墙体温度裂缝影响最甚。
1. 2 减少裂缝的具体措施
在小红门污水处理厂工程中, 通过精选原材料、优化配合比、加强搅拌控制、改进用模思路、严格浇筑施工管理、完善养护过程等措施, 较好的解决了各构筑物裂缝问题。
1. 2. 1 混凝土原材料选择
对材料的抗裂性能进行评价并作为设计、施工与原材料选用的依据, 已成为当今一些工业国家混凝土研究领域的热点。在小红门污水处理厂工程构筑物施工前, 对拟用于工程的备选原材料, 利用圆环试验方法对所配制的净浆、砂浆和混凝土进行了抗裂性试验。以确定最有利于减少或避免开裂的原材料, 最终用于构筑物工程。
( 1) 水泥
我们选择了在北京地区构筑物施工常用的3 个品牌水泥P.O 32.5 和P.O 42.5 两种型号, 分别进行了水泥净浆试验。试验结果见表1。
从表1 可以看出, 开裂时间快慢顺序是乙品牌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。甲品牌水泥的开裂时间要比乙品牌水泥和丙品牌水泥明显延长, 相应的水泥抗裂性能提高。
另外, 我们也试验了水胶比对水泥收缩开裂的影响, 表2 为相同品牌不同型号水泥( 甲品牌P.O 42.5、甲品牌P.O 32.5) 的不同水胶比水泥净浆圆环收缩试验结果。从试验研究结果来看, 水胶比对水泥收缩开裂的影响非常显著, 但不论是P.O 42.5 水泥, 还是P.O 32.5 水泥, 水胶比越小的浆体越易开裂, 增大水胶比能延缓浆体的开裂时间。
( 2) 外加剂
我们准备了3 种具有减水、引气效果的复合外加剂,分别是北京产X、北京产Y、天津产Z, 采用圆环收缩试验方法对水泥浆体的抗裂性进行研究。试验结果见表3。
从表3 所示结果来看, 保持W/C=0.28 不变, 通过调整外加剂的掺量来控制净浆的流动度保持在160 mm左右, X、Y 与Z 对水泥浆体开裂时间影响差别较大。按影响大小排序为: Z > X > Y。
( 3) 砂
采用涿州产天然砂、人工砂、混合砂( 天然∶人工=7 ∶3) 3 种细骨料进行试验, 砂浆环的配合比为: 灰砂比1 ∶2, 水灰比为0.45 和0.5。试验结果见表4。
从表4 试验结果看, 天然砂的抗裂性能要差一些, 混合砂比人工砂抗裂性要好。这主要与砂的细度模数、石粉含量、含泥量等有关。这次选的天然砂偏细, 而混合砂的细度模数达到2.6 左右。施工时, 在天然砂偏细的情况下, 可掺加一定比例的人工砂, 提高砂的细度模数, 从而改善混凝土的抗裂性能。
( 4) 粉煤灰
为了验证河北某电厂I 级粉煤灰对混凝土收缩开裂的影响效果, 我们同样利用圆环收缩试验来评价不同粉煤灰掺加量对混凝土的收缩开裂影响。试验结果见表5。
从表5 数据来看, 在保持混凝土坍落度一定的情况下, 随着水泥用量的减少、粉煤灰掺加量的增加, 单方用水量将降低, 混凝土早期和后期强度都随之提高。从圆环收缩开裂结果来看, 降低水泥用量, 掺加粉煤灰后混凝土的初裂时间明显延长, 开裂宽度明显降低, 当粉煤灰掺量大于30%后, 延长初裂时间和降低开裂宽度的效果已不太明显。可见, 在进行混凝土配合比设计时, 减少水泥用量, 适量掺加粉煤灰, 可以明显延长混凝土的初裂时间和减少混凝土的收缩。
( 5) 原材料选择结果
通过水泥净浆和砂浆圆环收缩开裂试验研究, 从提高混凝土的抗裂性能角度考虑, 应优先选择甲品牌P.O 42.5( 用于C30 以上强度等级) 和甲品牌P.O 32.5水泥( 用于C30 以下强度等级) 、Y 外加剂、涿州中粗砂、河北某电厂I 级粉煤灰。考虑到施工技术水平和当前建材市场原材料供应的实际情况, 在天然砂偏细的情况下, 尽量掺加一定比例的优质人工砂。根据以上研究结论, 我们委托某试验中心对用于小红门污水处理厂构筑物工程的混凝土配合比进行了优化设计, 优化设计后的配合比见表6。
1. 2. 2 混凝土搅拌
( 1) 为了降低混凝土的总温升, 减少构筑物混凝土的内外温差, 要尽可能降低混凝土的出机温度和浇筑温度。最有效的方法是降低原材料温度, 尤其是碎石的温度, 混凝土中碎石比热容虽较小, 但每m3 混凝土中碎石所占质量最大, 因此, 降低碎石的温度对降低混凝土出机温度效果明显。小红门污水处理厂构筑物在气温较高时施工, 为了防止太阳直接照射碎石,采用集中成大堆堆放、搭设简易遮阳棚、使用前用冷水冲洗碎石等措施, 有效的降低了混凝土出机温度。
( 2) 每天搅拌混凝土前, 设专人检测当天砂、碎石的含水量, 核定当天的投料比, 确保混凝土出盘坍落度准确。
1. 2. 3 模板选择
根据以往的经验, 采用钢模板浇筑的混凝土比用复合木模板浇筑混凝土的开裂几率小的多, 这主要与模板的保温散热效果以及季节性气候有关。小红门污水处理厂构筑物工程所有的方形池和圆形池, 均采用了钢模板, 在合模前对内表面进行了精细除锈处理,保证了混凝土墙体内外表面的光亮。从测温数据看出, 采用钢模板后, 混凝土内部的最高温度在40℃左右, 大大低于以往工程采用木模板的测温结果。同时,为加快混凝土的散热, 降低混凝土的最高温度, 在高温天气浇筑混凝土过程中, 不断向模板表面浇水降温, 以降低模板表面温度。通过以上措施, 降低了混凝土受温度影响开裂的几率。
1. 2. 4 养护和拆模
( 1) 混凝土浇筑后进行养护,主要是为了保持适当的温度和湿度条件。从温度应力的观点出发, 保温的目的有2 个: 一是减少混凝土表面的热扩散, 减少混凝土表面的温度梯度, 防止产生表面裂缝; 二是延长散热时间, 充分发挥混凝土强度的潜力和材料松弛特性, 使平均总温差对混凝土产生的拉应力小于混凝土抗拉强度, 防止产生贯穿性裂缝。潮湿养护的作用,首先是防止混凝土表面脱水而产生干缩裂缝; 其次是混凝土在保温( 25～40℃) 及潮湿条件下可使水泥的水化作用顺利进行, 提高混凝土极限拉伸和抗拉强度。在小红门污水处理厂施工现场, 构筑物底板混凝土浇筑成型后, 在四周设置挡水埂, 向底板注水养护,养护时间不少于14 d。墙体混凝土浇筑成型后, 立即用塑料薄膜覆盖浇筑面, 使用塑料管向模板浇水, 并在4 h 内在模板顶端向模板不间断浇水至松模或拆模。拆模后, 立即向混凝土表面喷水, 保持混凝土表面湿润, 同时用塑料花管滴水养护, 养护时间不少于14 d。
( 2) 现场有计划的埋放温度感应器, 使用温度感应器量测混凝土凝结过程的温度变化情况, 通过对混凝土内外部温度的掌握, 随时了解混凝土内外温度差值从而确定拆模时间。对于大体积混凝土结构, 拆模时内外温差不得大于25℃, 降温速率不大于1.5℃/d。对于长墙结构, 控制混凝土降温速率不大于3℃/d, 控制拆模时混凝土表面与最低环境温度差值小于10℃。
小红门污水处理厂混凝土构筑物连续观察2 年多时间, 主要构筑物均未发现温度裂缝, 塑性裂缝, 收缩裂缝出现频率也明显降低。
2 提高抗冻性
2. 1 抗冻性简述
抗冻性是指混凝土在抵抗要求冻融循环总次数后, 抗压指标不明显降低的能力。不同地区, 受气候因素影响混凝土抗冻等级各异, 对于北京地区而言, 按照《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB50069-2002) 的规定, 污水处理厂构筑物混凝土抗冻等级为F150, 即应满足150 次冻融循环要求。
目前, 使混凝土具有较高的抗冻性, 主要是通过在搅拌混凝土时掺加引气剂来实现。如果掺加的引气剂性能不稳定或剂量不当, 易使混凝土初始含气量不足、所产生的气泡物理性不佳、成型的混凝土中含气量损失过大; 现场再缺乏有效的含气量检测设备和手段, 极有可能造成浇筑完毕的混凝土实际抗冻性不足。
2. 2 提高抗冻性的措施
2. 2. 1 材料质量控制
( 1) 引气剂选择: 掺加引气剂是提高混凝土抗冻性的有效手段, 但如果引气剂选用不当, 会造成混凝土抗压强度下降, 坍落度损失过快, 因此, 必须选择气泡保存持久、均匀、对抗压强度影响较少的引气剂。小红门污水处理厂施工时, 我们选择上海某厂生产的三萜皂甙做引气剂, 实践证明, 该产品掺量小( 占水泥用量的0.2‰) , 气泡稳定、均匀。
( 2) 骨料控制: 混凝土所用的碎石和砂均应进行坚固性试验, 其质量损失应在国家标准《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》及《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》的允许范围之内。施工时,砂选用天然中粗或粗砂, 其含泥量控制在3%以内。在天然砂偏细的情况下, 掺加一定比例的人工砂, 提高砂的细度模数, 确保抗冻性的稳定。
2. 2. 2 现场检测
按照《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119-2003) 的规定, 对粗骨料最大粒径是40 mm 的混凝土含气量应达到4.5%, 对粗骨料最大粒径是25 mm 的混凝土含气量应达到5.0%, 对粗骨料最大粒径是20mm的混凝土含气量应达到5.5%。
小红门污水处理厂工程混凝土的碎石最大粒径是25 mm, 混凝土含气量要求不小于5.0%。施工时,现场设专门质控人员, 采用新式日本产直读式混凝土含气量测定仪, 检测每车混凝土的含气量。通过现场检测, 有效的保证了入模混凝土含气量, 进而保证了混凝土实际抗冻效果。从现场取样制作的混凝土试件在试验室进行冻融试验的结果来看, 也验证了这一点( 见表7) 。
3 避免碱集料反应
3. 1 碱集料反应
碱集料反应是混凝土中的水泥、外加剂、矿物掺合料和拌和水中的可溶性碱( 钾、钠) 溶于混凝土孔隙液中, 与骨料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种使混凝土发生内应力, 最终导致混凝土膨胀, 从内延伸开裂和损毁的现象。影响碱集料反应的主要因素有: 集料( 砂、碎石) 碱活性成分; 混凝土综合碱含量。
3. 2 材料碱含量及碱活性检验
在进行混凝土配合比设计前, 委托法定检测单位对配制混凝土所用的水泥、外加剂、掺合料等进行碱含量检测, 对砂、石进行集料活性检测, 选择满足要求的材料是一项重要工作。对于污水处理厂构筑物而言, 所用砂、石优先选择A 种非碱活性集料( 膨胀量≤0.02%) , 控制使用低碱活性集料( 0.02%<膨胀量≤0.06%) , 不使用碱活性集料( 0.06%<膨胀量≤0.10%) 和高碱活性集料( 膨胀量>0.10%) 。尽可能采用低碱水泥(水泥中碱含量≤0.60%) 。
鉴于目前北京市范围内和周边地区非碱活性集料砂、碎石少之又少, 且成本很高, 在一个大型水工工程中使用很不现实, 经试验比较后确定, 小红门污水处理厂工程采用了河北涿州产低碱活性集料砂、碎石。水泥、掺合料按规范《水泥化学分析方法》(GB/T176) 检验碱含量, 外加剂按规范《混凝土外加剂》(GB1076) 检验碱含量。经检测, 小红门污水处理厂工程的甲P.O 42.5 水泥碱含量为0.51%、甲P.O 32.5 水泥碱含量为0.61%、河北某电厂粉煤灰碱含量为1.12%、Y 外加剂碱含量为5.8%。
3. 3 混凝土综合碱含量控制按照北京市标准《预防混凝土结构工程碱集料反应规程》的规定, 在混凝土排水构筑物处于直接与水接触的环境中, 属于Ⅱ类工程, 如果使用了低碱活性集料, 混凝土最大综合碱含量不得大于3 kg/m3。混凝土配合比设计出来后, 施工单位必须委托法定检测单位对混凝土进行碱含量评估, 最大综合碱含量不得超标。每m3 混凝土综合碱含量按下式计算:Ac=mc×Rc+ma×Ra+mk×Ek+mw×Rw 式中, mc、ma、mk、mw 分别为每m3 混凝土中水泥、外加剂、掺合料、水用量; Rc、Ra、Rw 分别为每m3 混凝土中水泥、外加剂、水碱含量, Ek 为掺合料有效碱含量(Ek=β×Rk, 其中: Rk 为掺和料碱含量, β为有效碱含量系数, 当掺合料是粉煤灰时β等于15%)。
小红门污水处理厂各构筑物混凝土配合比的每m3 综合碱含量计算详细情况见表8, 从计算结果看,每m3 混凝土最大综合碱含量均≤3 kg。通过对水泥、外加剂、掺合料等材料碱含量检验、集料类型选择、混凝土综合碱含量控制, 同时加强到场原材料的监督和检查, 小红门污水处理厂工程混凝土碱集料反应得到有效控制。
4 结语
在小红门污水处理厂工程中, 北京市市政四建设有限责任公司从减少混凝土裂缝、避免碱骨料反应、提高抗冻性等方面入手做的一些有益探索, 在提高构筑物混凝土耐久性问题上取得了较好成效。不足之处, 敬请指正。
参考文献:
[1] GBJ 141- 90, 给水排水构筑及验收规范[S].
[2] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]. 北京:中国建筑出版社,1997.
[3] GB50119- 2003, 混凝土外加剂应用技术规范[S].
[4] GB50069- 2002, 给水排水工程构筑物结构设计规范[S].
