大型工业水池四溷凝土控裂防渗技术研究.doc

大型工业水池混凝土控裂防渗技术研究 崔云峰1，贾华远2， （1、山东省博兴建筑工程（集团）总公司，博兴256500；2、山东省博兴县建筑工程设计院，博兴 256500；3、山东省建筑工程设计研究院，济南，250001；4、山东省博兴县城市房地产综合开发公司，博兴，256500；）摘要通过对210m超长水池伸缩缝长度验算与极限抗拉强度复核验算，并对模板设计、构造配筋、混凝土配合比、伸缩缝与控制缝等项控裂防渗技术进行优化，成功实施了70m超长池体整体无缝（带）浇筑，实现了大型水池混凝土结构自防水无裂渗的目标，创造了显著的经济效益。关键词大型超长水池；无缝（带）整浇；控裂防渗1、工程概况山东省利华益集团焦化水池，平面为长方形，长210m，宽15m，纵向每70m设伸缩缝，原设计每35m设后浇带，将池体划分为6个浇筑区段；池深分别为6.2m和5m，地上外露高度均为3m；地基土为一般粉质粘土，并设有600mm3000mm、C20混凝土现浇灌注抗浮桩，池体为C30P6现浇自防水混凝土，共4300m3，池底厚600mm，配筋为16双向双层150mm池壁为内直外坡式，厚500mm400mm，配筋为14双向双层125mm。2、施工难点与特点分析2.1设计要求后浇带的浇灌时间45d，而业主要求工期只有50d，两者相互矛盾，并且因后浇带的设置将增加降水费用3万元×45d=135万元，为此业主要求取消后浇带。2.2本工程池体取消后浇带后，每个整浇单元长度为70m，属典型的超长薄壁结构1，并且施工季节正值干燥大风的4、5月份。此期间当地空气相对湿度在45%左右，水份蒸发速度在0.270.375kg/(m2·h)之间。因此池体裂缝预控技术成为混凝土结构自防水的关键。2.3伸缩缝和施工缝，设计要求均采用膨胀橡胶止水带（以下简称止水带），全长达560m，量大面广，不易固定，与混凝土结合不易做到密实，易出现渗漏。基于上述分析，要满足水池混凝土自防水设计要求，就必须进行伸缩缝间距和极限抗拉强度验算，并采取构造配筋和混凝土配合比优化等一系列控裂防渗预控措施，方可防患于未然。3、伸缩缝间距验算23.1池底伸缩缝间距验算（1）计算基本参数池底厚H=600mm；混凝土线膨胀系数=10×10-6；C30混凝土弹性模量EO=3×104N/mm2，抗拉强度R=2.01 N/mm2；一般粉质粘土地基水平阻力系数CX1=2×10-2 N/mm3,现浇灌注桩水平阻力系数CX2=0.4×10-2 N/mm3；综合地基水平阻力系数CX=CX1+CX2=2.4×10-2 N/mm3；混凝土极限收缩0y=3.24×10-4；底板构造配筋率P=0.54%。（2）池底水化热温差经计算水化热最高温度T1=40，平均气温19，平均温差T1=（40-19）×2/3=14（3）底板收缩当量温差底板表面相对收缩变形（混凝土早期开裂危险期一般为15d30d，故取混凝土龄期t=30d）y（30）=0y（1-e-0.01×30）×M1M10=3.24×10-4×(1-2.718-0.3)×1.17=0.98×10-4;收缩当量温差T2=y（30）/=（0.98×10-4）/10×10-6=9.8，综合温差T=T1+T2=23.8。（4）钢筋混凝土的极限拉伸p=0.5R(1+P/d)×10-4=0.5×2.01×(1+0.54/1.6)×10-4=1.344×10-4。在混凝土材质优选、养护较好、缓慢降温条件下，取其330d的平均松驰系数H（t）=0.4，即极限拉伸提高60%,最终极限拉伸p=1.6×1.344×10-4=2.15×10-4。（5）伸缩缝间距验算Lmax=2 （E·H）/CX arcchT/ (T-p)=2 （3×104×600）/0.024×arcch10×10-6×23.8/(10×10-6×23.8-2.15×10-4)=165.84mLmin=1/2Lmax=0.5×165.8=82.9m。伸缩缝设计间距L=70mLmin=82.9m,符合取消后浇带的条件，满足业主要求。（6）极限拉应力复核验算为安全起见进行复核验算= CX/（H·E）= 0.024/（600×3×104）=3.65×10-5;max=ET1-1/ch（0.5L）H(t)=3×104×10-5×23.8×1-1/ch（3.65×10-5×35000） ×0.4=1.37N/mm2,安全系数K=R/max=1.471.15，满足抗裂要求。3.2池壁伸缩缝间距验算（1）计算基本参数池壁外露高度H=3000mm；底板阻力系数，按底板浇筑5d后浇筑池壁取Cx=50×10-2N/mm3;330d的平均松驰系数取H（t）=0.48;极限拉伸p=2.28×10-4；池壁构造筋配筋率P=0.69%；综合温差T=24。（2）伸缩缝间距验算Lmax=2（H·E/CX）arcchT/ (T-p)=2 (3000×3×104/0.5)×arcch10×10-6×24/(10×10-6×24-2.28×10-4)=98.9m;Lmin=1/2Lmax=49.5m; Lmin=49.5 mL=70m，不符合取消后浇带的条件。经受力状态分析，认为从综合温差到季节最大温差，均使外露池壁处于受拉状态，只要满足池壁收缩变形的需要，便可解决池壁超长导致开裂的问题。因此，决定每隔35m在外露池壁上设柔性防水型控制缝，以释放收缩应力和解决后浇带影响工期与加大施工费用的矛盾。（3）极限拉应力复核验算1）30d的综合温差T=24，松驰系数H（t）=0.48,控制缝间距L=35000mm.= CX/(H·E)= 0.5/(3000×3×104)=7.45×10-5;max=ET1-1/ch(0.5L)H(t)=3×104×10-5×24×(1-1/ch(7.45×10-5×17500)×0.48=1.7N/mm2,安全系数K=R/max=2.01/1.7=1.181.15，满足抗裂要求。2）按5月10日要求工期完成至明年最寒冷季节1月10日为极限收缩变形值y（240）=0y=3.24×10-4,C30混凝土掺加水泥用量10%的ED-H膨胀剂,经试验，试件在保湿自然养护条件下，30d可在混凝土内建立压缩变形值为2.5×10-4,即收缩当量温差T1=y/=（3.24-2.5）×10-4/10×10-6=7.4;池壁浇筑时的平均气温为19至最寒冷时-13的温差T2=19+13=32，综合温差T= T1+ T2=39.4，max=ET1-1/ch(0.5L)H(t)=3×104×10-5×39.4×1-1/ ch(7.45×10-5×17500)×0.283=1.65N/mm2,安全系数K=R/max=2.01/1.65=1.221.15，满足抗裂要求。验算结果证明，应在混凝土中掺加水泥用量8%的膨胀剂，抵消部分混凝土早期收缩应力，可满足外露池壁在收缩当量温差和季节最大气温差叠加状态下的抗裂要求，且具有较高的安全储备，柔性防水型控制缝可作为永久收缩缝。4、混凝土配合比优化设计为降低内部温升，减少温度应力，降低干缩率和提高极限拉伸，满足混凝土自防水设计要求，经5个配合比试验研究，并对试验参数进行优化后，决定采用如下材料和配合比。4.1材料优选（1）选用“山铝”牌低热低碱P·0 32.5级水泥，控制A3含量7%，比表面积3000cm2/g为宜，以降低水化热速率、减小降温梯度，提高极限拉伸；（2）选用级粉煤灰，内掺法替代部分水泥，降低20%水化热，提高可泵性能；（3）选用ED-H双性膨胀源膨胀剂，28d在混凝土中建立0.035%的限制膨胀率（标准试验状态），抵消部分降温和干缩拉应力，提高大风干燥季节的混凝土抗裂性能；（4）选用SHGB型高效减水缓凝剂，使水胶比控制在0.36，大幅度降低干缩率。初凝时间12h，减缓升温速率和防止产生施工冷缝；（5）选用粒径为1020mm和1631.5mm，含泥量0.4%的青州碎石，其空隙率为38%，包盖系数为2.3，降低干缩率；（6）选用细度模数2.8，含泥量0.8%的潍坊中砂，降低干缩率。4.2混凝土配合比经优化设计后混凝土配合比为水泥：中砂：石1：石2：水：粉煤灰：SHGB：ED-H=373：690：362：673：181：91：10.1：40。水胶比为0.35，坍落度为160±20mm。5、构造配筋优化5.1池底构造配筋优化设计池底配筋为16双层双向150mm，构造配筋率P=0.54%，符合抗裂要求，但结构设计验算处于“横向受力”的考虑，将横向钢筋布置在上下钢筋网外侧。使纵向分布筋保护层厚度达66mm（受力筋保护层设计厚度为50mm），易产生开裂。经对温差、收缩及地基变形等导致有规律的裂缝方向分析，裂缝常为垂直于纵向方向产生，说明此受力状态为结构的“纵向受力”。并且纵横间距为3000mm的抗浮桩，将池底划分为等跨连续式，双向垂直受力状态一致。基于上述分析，并经与设计单位协商，将底板纵向钢筋（构造筋），分别布置于上下层钢筋网的外侧，使横筋保护层厚度不变，纵筋保护层厚度缩小为34mm，提高了池底抗裂性能。为防止收缩应力集中导致的深浅池底转角处开裂，增设12150mm抗裂钢筋。5.2池壁构造配筋优化设计池壁配筋为14双向双层125mm，构造配筋率P=0.69%,符合抗裂要求。但设计要求将水平分布筋均设于竖向受力筋内侧，使水平分布筋保护层厚度达64mm，易产生开裂。经与设计单位协商将水平筋移至外侧，使水平筋保护层厚度缩小为36mm，提高了抗裂性能。5.3在池壁上口增设416钢筋做封口暗梁，以防边缘效应产生开裂。6、模板设计为提高池体抗渗性、耐久性和整体性与大幅度降低底板对池壁约束应力，采用了悬模整浇技术37、施工技术措施7.1伸缩缝节点处理（1）水平伸缩缝节点处理原设计水平伸缩缝设边缘底板暗梁，并为封闭式箍筋，故止水带设置在池底上下保护层内。经分析认为，在水化热温差和收缩当量温差叠加作用下，止水带易产生滑脱而导致防水失效，且影响钢筋的耐久性；伸缩缝处产生的边缘效应主要是拉伸应力，剪切应力较小，且发生在上下边角处。因此，经与设计单位协商，将伸缩缝边缘暗梁箍筋的内侧改为开口式，将止水带改为中埋式，并在此处池底垫层上设2400mm宽油毡滑动层，以消除伸缩产生的边缘剪切应力。为解决止水带位置难于固定的技术难题，特别设计了L型12钢筋托架200mm，止水带在混凝土咬合区用绑扎丝固定在支架上，以防浇混凝土时变形和上浮。（见图1）为防止水带下部混凝土振捣不实和产生孔洞，在其与混凝土咬合区打10排气孔500mm。（2）竖向伸缩缝节点处理为解决竖向伸缩缝止水带难于固定的技术难题，特别设计了10W型固定卡300mm，并用6钢筋加强肋与之点焊为整体，然后将止水带插入池壁竖筋外侧固定牢固。待浇完一个整浇单元脱模后，在伸缩缝断面处粘贴30mm厚聚苯板，再安装另侧止水带和固定卡，然后绑扎池壁钢筋（见图2）。（3）控制缝设置为满足收缩当量温差与季节最大气温差叠加状态的收缩应力释放要求，地上部分外围池壁内外分别设置宽×深=10mm×30mm的控制缝35m，将池壁的整浇单元一分为二。其具体做法为：安装模板时，在此控制缝位置设置宽×厚=10mm×30mm的坡口木条，脱模后及时剔出，在池壁上形成10mm×30mm的凹槽，形成应力集中区，诱导产生人为的规则裂缝，以释放收缩应力。为满足防水要求，待此缝处含水率5%时，用硅酮结构密封胶填嵌严密光滑，形成永久性收缩缝。（并做试件进行拉力试验，以密封胶与混凝土的粘结撕裂强度2.5Mpa，断裂延伸率300%为合格）7.2悬模整浇技术池体按伸缩缝划分为三个区段，即每70m为一个整浇单元，不设任何水平与垂直施工缝和后浇带，一次连续浇筑成型。（1）施工准备为提高混凝土拌合物的均质性，采用大型混凝土搅拌站集中供应商品混凝土，6辆搅拌车连续向施工现场运送混凝土，其间隔时间1h，由2辆混凝土泵车布料浇筑；插入式振捣器6台，备用振动棒6根，防水蓬布500m2，塑料薄膜和沥青矿棉毡2000m2；每组5人，共20人，分4组2班昼夜连续浇筑。（2）浇筑池底采用2台混凝土泵车同步异位平行于池壁，浇筑周边底板混凝土，浇筑幅宽4m，约5h完成，初找平后，在底板混凝土与池壁模板相交处，用1：1水泥干砂做封浆围堰，促使表层变硬，以防浇池壁混凝土时漏浆和浇捣不实。（3）浇筑池壁采用2台混凝土泵车从底板浇筑起始点开始，相反方向旋转闭合浇筑池壁。第一层混凝土按40cm高度控制，以减缓阴角处的侧压力，防止漏浆。然后再浇筑一幅池底板混凝土，依次循环浇筑，确保池体不产生施工冷缝。第二层及其以上池壁混凝土浇筑前，对下层混凝土进行二次振捣，以减少混凝土内微裂，提高抗渗抗裂性能；每1m高为一浇筑段，采取一个坡度，薄层覆盖的浇筑方法，并采用导料筒下料，在下料口、坡中和坡角各设一台振捣器，每40cm为一振捣层，插点间距40cm，每点振捣1015S，确保即不漏振也不过振。3、表层处理底板混凝土粗找平后，均匀布撒520mm碎石，以20kg/m2为度，再用铁辊滚压提浆，初凝前进行二次振捣，终凝前用木抹子搓平，铁抹子压实光，以闭合混凝土表面毛细孔，提高抗裂性能。池壁混凝土浇至顶部粗找平后，撒20kg/m2石子拍入混凝土中并提浆，初凝前做二次振捣，以防顶部富浆层开裂和降低强度。7.3混凝土养护（1）池底混凝土表面用木抹子找平一段后，随即覆盖一层塑膜，用不干胶带封闭接头，防止大风导致水份迁移。终凝前掀开塑膜，用铁抹子压实光，并随即覆盖塑膜和两层10mm厚沥青矿棉毡做全封闭保温保湿养护。在混凝土表面温度与环境温差100C时，采用经晒热后的温水做100mm深蓄水养护。同条件养护试块达到设计强度后，即可停止降水。（2）池壁混凝土浇完24h后，松开模板对拉螺栓，在池壁顶部设50mmPVC喷淋管（侧面打1mm200mm喷淋孔）进行喷淋养护，待混凝土表面温度与环境温差100C时，方可脱模，并保持喷淋养护14d后，地下部分池壁及时做回填土处理，地上部分及时喷涂环氧树脂基养护液养护。为解决养护用水浸入地基而影响承载力的问题，在池底外放脚上做砂浆排水沟，将养护用水排至集水坑抽出基坑。8、技术经济效果（1）经对伸缩缝间距进行科学验算和抗拉强度复核验算，取消了后浇带。与设置后浇带相比缩短施工周期45d，节约降水费用135万元。（2）通过混凝土配比优化设计、构造筋优化、伸缩缝节点革新、悬模整浇、严格养护等一系列技术措施的实施，使池体混凝土大幅度提高了极限拉伸和抗裂抗渗性能。采用停止降水使地下水复位的方法，试验池体抗浮与地下池体抗渗性能，经7d试验，池底无裂渗和浮动现象；竣工30d后，采用池内蓄满水的方法，试验地上部分池壁抗渗性能，经7d试验，未出现裂渗现象，达到混凝土结构自防水二级防水设计要求4。9、结论经本工程实践证明，在上述技术条件下，只要施工季节改为立春或寒露季节施工，以降低季节温差在结构中产生的拉应力，并使综合温差T250C（池体混凝土实际极限拉伸2.5×10-4），就能符合p(t)T.的抗裂关系式，使210m超长水池整体无缝浇筑成为可能。参考文献 1GB50010-2002,混凝土结构设计规范S2王铁梦，工程结构裂缝控制M、北京，中国建筑工业出版社 1997；3贾华远等，开发悬模整浇技术，提高池体三项性能J中国建筑防水2006，（2）4GB50208-2002，地下防水工程质量验收规范S作者简价贾华远1960-，男，山东博兴人，山东省博兴建筑工程（集团）总公司总工程师，研究员，山东博兴胜利二路718号，256500，电话：0543-2305686注：附图1、2见后页 7