工業污水處理池設計中的裂縫控制

邢 凱

（臨沂市水利勘測設計院 臨沂 276000）

工業污水處理池設計中的裂縫控制

邢 凱

（臨沂市水利勘測設計院 臨沂 276000）

水池的設計、施工及使用不當都會導致水池開裂。通過收集相關資料、選擇合理的結構受力體系、結構計算、采取合理的構造措施、規范的施工養護，從而實現設計全過程的裂縫控制。在介紹裂縫成因和設計中裂縫控制方法基礎上,結合工程實例對裂縫控制進行了進一步闡述。結果表明,通過采取合理的結構設計措施可以有效避免或減小污水池裂縫發生的可能性。

水池設計 裂縫控制 收縮當量 極限拉伸值

在工業設計過程中經常會遇到鋼筋混凝土污水處理池，如沉淀池、降溫池、隔油池等，這些污水池若產生開裂會嚴重影響其使用功能。因此，在實際工程中需要在設計、施工等方面采取合理措施防止和控制水池裂縫的發生。本文主要研究在污水池結構設計中，如何采取有效措施避免和控制裂縫的發生，并結合一個真實工程案例進行驗證。

1 污水池結構設計對裂縫產生的影響和控制

1.1 外力作用

當污水池結構在外力作用下，因混凝土材料本身抗拉強度低，導致拉應變超出了混凝土允許的極限拉應變，從而在構件表面產生裂縫，這種由外力作用在污水池表面引起的開裂稱為破壞性裂縫。

造成開裂的原因有：設計前相關資料不完整或有錯誤，設計時相關參數取值不合理，以及結構計算錯誤等。控制這類裂縫的措施主要有以下兩個方面：一是收集完整、準確的污水池相關設計資料；二是建立合理的污水池結構設計計算模型，建立正確的荷載組合形式，從而保證結構計算得到的內力和變形值和污水池在真實荷載下產生的內力和變形相符。

1.2 混凝土材料的質量和構造措施

混凝土是由膠凝材料（主要指水泥）、砂、石、水、外加劑等組成的。混凝土材料的選用及材料的質量對控制污水池結構產生破壞性裂縫起著重要作用。因混凝土組成材料選用不當或材料質量缺陷而造成污水池后期出現開裂，會嚴重影響其使用。此外，污水池設計中采取的相關構造措施不合理或錯誤，也會使得結構計算模型與實際受力情況不一致，導致在污水池表面產生破壞性裂縫。

控制這類裂縫的主要措施包括：一是嚴格控制材料質量，特別是水泥的質量，嚴禁使用不合理的水泥；二是嚴格控制水灰比；三是選擇粒徑合適、級配良好的砂石骨料；四是嚴格控制骨料中的含泥量和泥塊含量；五是采取合理的構造措施確保污水池結構計算模型與實際受力狀態吻合，并按其在結構體系中的不同作用，分別采取相應的構造做法。

1.3 混凝土的變形

混凝土與其他固體材料一樣也存在熱脹冷縮現象。由于混凝土材料導熱能力低，水泥水化過程會釋放出大量的水化熱，這部分熱量會聚集在混凝土內部，不容易散失，而混凝土構件表面散熱較快，從而造成混凝土構件內外的溫差較大，在構件表面產生拉應力，導致出現裂縫。在混凝土后期的降溫過程中，受到的支座周圍約束也會在污水池混凝土結構表面產生拉應力，這在污水池的設計中一般表現為壁面溫（濕）差。

控制這類裂縫措施主要包括：一是嚴格按照混凝土配合比設計規程，控制混凝土各種組成材料的用量、規格；二是嚴格按照混凝土施工規程要求，對污水池混凝土進行澆筑、振搗、養護；三是根據不同類型的污水池可以采取設置變形縫、后澆帶等構造措施。

2 工程案例分析

工程實踐中，污水處理池通常布置在室外，池壁承受外界環境和大氣的各種作用，污水池池壁出現裂縫的事故屢見不鮮，其裂縫控制的難度也比較大。下面通過工程案例，說明工業污水池常見的池壁裂縫控制措施。

2.1 工程概況

該工程為山東省淄博市某工業污水處理池，平面尺寸為43 m×41.2m，底板厚800mm，池壁高7.8m，厚500～750mm，半地下式結構，結構比室外地坪高1.5m。污水池池壁的中部在縱橫兩個方向均有一條變形縫，選用混凝土材料等級為C25，混凝土材料的抗滲等級為P6。污水池池壁水平方向的鋼筋為一級鋼筋，直徑為18mm，鋼筋間距為200mm，鋼筋的配筋率0.35%～0.50%，施工現場模板采用膠合板模板，施工現場狹窄，采用泵送混凝土。

2.2 裂縫控制的方法

根據工程結構裂縫控制措施，污水池的池壁最大伸縮縫間距用符號［Lmax］表示：

式中：εP—混凝土極限拉伸值，根據混凝土的級配情況、養護條件取（0.5～2）×10-4；

T—混凝土的總溫差，T=T1+T2+T3，T1—氣溫差，T2—水化熱溫差；

T3—收縮當量溫差，T3=εsh/α，εsh—收縮變形，α—混凝土的線膨脹系數，取1×10-5。

由上式可知，在α一定的情況下，伸縮縫間距決定于εP與T的大小，即：與εP的差值減小時，兩條伸縮縫之間的距離增大。當時，不需要在污水池池壁上設置伸縮縫。該案例中污水池上伸縮縫的間距為21.5m，已經大于《混凝土結構設計規范》中伸縮縫間距20m的要求，因此可以從減少混凝土的總溫差和提高混凝土極限拉伸值兩個方面進行考慮，進一步控制裂縫。

2.3 裂縫控制的相關措施

2.3.1 減少水泥水化放熱

減少水泥水化放熱，應采用水化熱較低的水泥，例如：礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥等。同時在滿足強度和耐久性要求的前提下，可以減少水泥用量。該工程采用泵送混凝土，屬于大流動性混凝土。而大流動性混凝土具有砂率大、水泥用量多、坍落度值大等特點，為減少水泥的水化放熱，必須減少水泥的用量。

根據以往工程經驗，可以采取以下措施：（1）采用減水率為25%的EY-I型高效減水劑；（2）在水泥中摻加活性細摻合料，水泥取代率可達15%；（3）采用粒徑為5～40mm粗骨料，取代粒徑為5～25mm的粗骨料；（4）在滿足施工條件下，降低混凝土拌和物的坍落度值，該案例坍落度值采用120mm左右。

2.3.2 減少水泥收縮當量溫度

水泥的干縮過程是較為復雜的。在污水池結構設計截面大小和混凝土組成材料的類型確定的條件下，需要進一步控制水泥漿的用量和水灰比的大小。在實際施工過程中，操作人員為操作方便，往往會增加混凝土單位用水量及水泥漿用量，從而獲得較大的坍落度值。這樣操作增大了日后污水池池壁開裂的概率。該案例水泥選用復合硅酸鹽水泥，同時加入粉煤灰、高效減水劑。每立方米混凝土中水泥用量為280kg，水泥漿量為18.8%。以28d水泥的干縮測定值為準，該案例中混凝土收縮值比基準混凝土減少8%左右。

2.3.3 提高混凝土材料的極限拉伸應變

混凝土材料的極限拉伸應變εP大小與操作人員的施工質量好壞、徐變大小和配筋率大小等因素有關。當混凝土施工、養護等操作規范時，混凝土緩慢降溫時可取2×10-4；取值范圍可以參考為1×10-4～1.5×10-4；當混凝土施工、養護等操作不規范時，極限拉伸應變取值為0.5×10-4～0.8×10-4。

該案例可以采取下列措施，從而提高限拉伸值：（1）確保混凝土組成材料的質量。其中，砂子含泥量不超過1.5%，石子的含泥量不超過1%；（2）控制施工現場水灰比的大小，同時確保現場測定的混凝土拌合物坍落度值不超過120mm；（3）采取二次振搗技術。在污水池池壁澆筑下層混凝土后，開啟高頻振搗器，振動一定時間，后停止振搗20～30min，澆筑上層混凝土，再次開啟高頻振搗器，振動至混凝土表面無明顯氣泡逸出結束振搗；（4）加強后期混凝土的養護措施。采用兩層草簾，或者棉被，夏天用塑料薄膜包裹或者覆蓋澆水養護。

2.4 裂縫值的計算

2.4.1 溫度差取值

溫度從高溫降至低溫（冬季平均最低溫度）時的溫差，將在混凝土池壁收到外部約束時產生溫度應力，根據氣象資料在山東省淄博地區的氣溫差：

2.4.2 水泥水化放熱溫度差計算

每立方混凝土材料中水泥用量：W=280kg/m3

混凝土重度：γ=2400kg/m3

材料比熱：C=1.0×103J/（kg·℃）

散熱量：Q=334×103J/kg

散熱系數：k=0.5

2.4.3 當量溫差

混凝土干縮時：

式中：εsh（t）—任意齡期的混凝土收縮值；

t—混凝土澆注后到計算時的天數；

b—經驗系數，一般取0.01，養護較差時取0.03；

M1·M2…M10—考慮各種非標準狀態下的修正系數。根據王鐵夢《工程結構裂縫控制》中表2-1～表2-5可知：

取b=0.01，按120d收縮量考慮：

則當量溫差：

計算時取T3=17℃。

2.4.4 池壁混凝土總溫差

池壁最大伸縮縫間距計算：

該案例中兩條伸縮縫之間的距離為21.5m，小于計算的伸縮縫最大間距22.7m。因此污水池池壁混凝土不會發生裂縫。該污水池池壁施工完成后，直到土方回填前，施工現場技術人員多次對池壁表面進行了仔細觀察，均沒有發現污水池池壁有開裂，可見該案例所采取的裂縫控制措施是有效的。

3 結論

（1）工業污水池池壁表面混凝土裂縫是能夠避免的，可以從結構設計、材料選取、施工質量、混凝土養護等方面采取各項措施。即使對于超長池壁的污水池結構，只要采取合適措施也可以避免開裂發生。

（2）對于夏季施工的工業污水池結構，必須考慮溫度的影響，采取補償收縮混凝土等措施來避免池壁的裂縫問題。

（3）在實際工程操作中，技術人員往往比較重視溫差引起的混凝土變形，卻忽視了對混凝土極限拉伸值的提高。通過不斷提高混凝土材料的密實度，加強后期混凝土的養護，可以使混凝土降溫速度變緩，有效提高了污水池池壁表面的抗裂能力■

（專欄編輯：顧 梅）