鋼筋混凝土污水處理池裂縫探究

楊 青 楊國(guó)兵

(1.滁州學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000； 2.安徽滁州技師學(xué)院，安徽 滁州 239000)

1 概述

裂縫是混凝土與生俱來的產(chǎn)物。產(chǎn)生裂縫的原因與機(jī)理一直是廣大學(xué)者、專家與工程技術(shù)人員探究的技術(shù)問題，混凝土結(jié)構(gòu)使用中水分的滲透，被認(rèn)為是通過混凝土內(nèi)部由于原材料成分的物理、化學(xué)變化或配比或施工原因(如振搗不實(shí))，由混凝土內(nèi)部水泥膠凝結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管連通形成的，一般來說，大多數(shù)滲水部分是由于施工縫處理不當(dāng)造成，滲(透)水是水池、水箱等構(gòu)筑物所不能接受的損害結(jié)構(gòu)功能性的現(xiàn)象，至少，它會(huì)造成水泥水化物Ca(OH)2的不斷溶出，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降、凍害及鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)承載力和耐久性大幅下降，促使混凝土進(jìn)一步劣化。

裂縫的發(fā)生原因通常包括幾種(見圖1)，分析裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，借助于裂縫卡、刻度放大鏡和超聲儀，可以檢測(cè)裂縫的癥狀與位置參數(shù)(如裂縫的長(zhǎng)度寬度深度)，記錄在展開分析圖上，以期判斷是否影響結(jié)構(gòu)的承載力、正常使用、耐久性，直至確定修復(fù)的方法，影響結(jié)構(gòu)安全性的裂縫必須消除，加固補(bǔ)強(qiáng)或重建，一般耐久性裂縫大于0.4 mm～0.6 mm的活裂縫必須處理[1]，小于0.2 mm～0.3 mm的穩(wěn)定裂縫可簡(jiǎn)單處理或不處理，對(duì)影響結(jié)構(gòu)使用功能要求如防水性能，裂縫大于0.2 mm的活裂縫必須處理，小于0.05 mm的穩(wěn)定裂縫可簡(jiǎn)單處理或不處理。

2 工程背景

某企業(yè)新建一露天地上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)污水處理池[2]，污水池長(zhǎng)寬高尺寸為21 m×7 m×6 m(見圖2)，水池分三格，水池壁等厚度300 mm，底板厚600 mm，池壁鋼筋Ⅰ級(jí)，豎向配筋Φ12@200，水平配筋Φ10@200，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，池壁分三次澆筑，設(shè)兩道水平施工縫。

竣工驗(yàn)收投入使用后，該污水處理池即發(fā)現(xiàn)有輕微裂縫，引起業(yè)主警覺(業(yè)主單位原來對(duì)施工單位的施工態(tài)度就不太滿意，意追責(zé))，當(dāng)即通知施工單位與監(jiān)理單位，經(jīng)觀察，滲水部位主要集中在兩道水平施工縫處，其他部位也有發(fā)現(xiàn)，環(huán)視水池四周，均有不同形狀的裂縫。監(jiān)理單位下達(dá)工程(質(zhì)量整改)監(jiān)理通知單，要求施工單位查明原因盡快拿出整改方案報(bào)監(jiān)理審批后，著手進(jìn)行修補(bǔ)。不料，10 d后，裂縫尚未來得及修補(bǔ)，漏水現(xiàn)象更為嚴(yán)重，裂縫寬度又有新進(jìn)展。無奈，責(zé)成由施工單位負(fù)責(zé)聘請(qǐng)幾位專家現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步進(jìn)行診斷。

3 現(xiàn)場(chǎng)勘查

幾位專家在現(xiàn)場(chǎng)勘察水池裂縫走向，整理出裂縫現(xiàn)狀圖如圖3所示。專家結(jié)合圖紙分析認(rèn)為，該污水處理池的池壁出現(xiàn)的裂縫不一定完全就是施工原因造成的，從施工圖紙的表述看，并不能排除設(shè)計(jì)方面原因，有些明顯的構(gòu)造要求，圖紙均沒有反映出。如作為水池，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C25，池壁與底板交接支座處未設(shè)置加勁腋。專家分析，水池除卻施工縫水平裂縫外，其下半部出現(xiàn)的“規(guī)則”斜裂縫似乎在暴露出“雙向板結(jié)構(gòu)方面的問題”。

4 設(shè)計(jì)復(fù)核

依據(jù)文獻(xiàn)[3]進(jìn)行池壁抗彎復(fù)核計(jì)算如下：(本案底板沒有問題，地基承載力、池壁板抗剪強(qiáng)度足夠，計(jì)算未展開)為計(jì)算池壁承載力極限狀態(tài)作用效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值，根據(jù)水池類型及工況，恒載考慮污水壓力，活載考慮溫(濕)度作用。

污水重度取10.5 kN/m3，對(duì)池壁根部，水壓計(jì)算凈高取5.1 m，取1 m寬池壁為計(jì)算單元，永久作用的分項(xiàng)系數(shù)取1.27，水壓根部造成的荷載設(shè)計(jì)值為：

q=1.27×5.1×10.5=68 kN·m/m。

池壁水壓力彎矩計(jì)算圖如圖4所示，彎矩系數(shù)見表1，按以下公式計(jì)算彎矩，計(jì)算彎矩值見表2。

其中，Mx(M′x)為三邊固定、頂端鉸支雙向板水平向跨中(支座)彎矩；My(M′y)為三邊固定、頂端鉸支雙向板豎直向跨中(支座)彎矩；mx,m′x,my,m′y均為彎矩系數(shù)，見表1，可通過插入法取得。

表1 三邊固定、頂端鉸支雙向板在非齊頂壓力作用下的彎矩系數(shù)

表2 池壁(雙向板)水壓彎矩計(jì)算 kN·m/m

如圖5所示，考慮濕度作用，暴露在大氣中的水池池壁的溫差按Δt=10 ℃計(jì)算，三邊固定、頂端鉸支，按以下公式計(jì)算彎矩，彎矩系數(shù)見表3，計(jì)算彎矩值見表4。

Mxt=kxtαcΔtEch2ηs,Myt=kytαcΔtEch2ηs。

其中，Mxt,Myt分別為壁面濕度當(dāng)量溫差引起壁板x,y方向的彎矩，kN·m/m;kxt,kyt分別為壁板x方向和y方向的彎矩系數(shù)；Ec為混凝土彈性模量，取3.0×104N/mm2;ηs為折減系數(shù)，按0.65采用；αc為混凝土線膨脹系數(shù)，取1×10-5/℃；h為壁板厚度。

表3 三邊固定、頂端鉸支雙向板在溫差作用下的彎矩系數(shù)

表4 池壁(雙向板)溫差彎矩計(jì)算 kN·m/m

污水池按承載能力極限狀態(tài)作用效應(yīng)基本組合公式有：

S=γG1C1GG1k+γG(CwFwk+CsvFsv,k+CepFep,k+

CpFpk+CsΔsk)+ψcγQ(CQQk+Cmqmk+CtFtk)。

對(duì)于本案，上式可簡(jiǎn)化為：S=γGCwFwk+γoCtFtk。

根據(jù)該公式，可得池壁最后彎矩見表5。

表5 池壁(雙向板)最終彎矩計(jì)算結(jié)果 kN·m/m

再根據(jù)受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算公式，可計(jì)算池壁配筋，見表6。

表6 池壁(雙向板)最終配筋計(jì)算結(jié)果 mm2/m

5 現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)與結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)污水池池壁檢測(cè)，壁厚(300±8) mm基本沒問題，查看混凝土供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)料單及混凝土強(qiáng)度回彈檢測(cè)，結(jié)論是：混凝土實(shí)際強(qiáng)度僅達(dá)到C18(設(shè)計(jì)強(qiáng)度是C20)。

從施工縫裂縫處開鑿，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土保護(hù)層僅為15 mm，鋼筋保護(hù)層明顯不足(按水池結(jié)構(gòu)規(guī)程，污水池最小為35 mm)且設(shè)置鋼板止水板位置明顯偏(下)移，露出豎向與水平受力筋(雙層雙向)型號(hào)、根數(shù)、位置與圖紙(鋼筋Ⅰ級(jí)，豎向配筋Φ12@200，水平配筋Φ10@200)吻合。這就證明了施工單位在按圖施工方面，的確存在一些偏差，特別是混凝土澆筑振搗與養(yǎng)護(hù)不到位(混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度)，但大面積裂縫真正原因是設(shè)計(jì)方面存在嚴(yán)重缺陷。池壁厚度及根部水平和豎向受力鋼筋嚴(yán)重不足，造成結(jié)構(gòu)實(shí)際承載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其極限承載力，特別是池壁下部分的裂縫是結(jié)構(gòu)性裂縫，是重大安全隱患。

原設(shè)計(jì)圖紙的池壁壁板水平跨中、支座實(shí)際配筋僅為理論值的67%和34%，豎向跨中、支座實(shí)際配筋也僅為理論值的92.2%和39.1%，這是一起典型的雙向板跨中及支座承載力嚴(yán)重不足的案例，所發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)裂縫的特征也完全符合其受力情況。故而出現(xiàn)受拉正截面承載力不足的明顯裂縫特征(實(shí)際上，隨著日后溫度荷載的加入，此裂縫發(fā)展后果將更為嚴(yán)重)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與力學(xué)計(jì)算表明，這次質(zhì)量事故的根本原因是，設(shè)計(jì)單位圖紙?jiān)O(shè)計(jì)質(zhì)量低劣，審核人員沒有把好關(guān)。現(xiàn)場(chǎng)施工人員施工工藝水平及施工態(tài)度是次要原因，造成嚴(yán)重危及結(jié)構(gòu)安全的事故發(fā)生，同時(shí)項(xiàng)目監(jiān)理人員也沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患所致。

6 事故處理

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)事故原因，根據(jù)復(fù)核計(jì)算結(jié)果，專家決定采用在原池壁基礎(chǔ)上加“外套”方案進(jìn)行加固處理。

1)要求施工單位根據(jù)專家意見(專家簽字)編制事故處理方案，報(bào)監(jiān)理單位審批后實(shí)施；

2)鑿毛原池壁混凝土，露出原內(nèi)外雙層鋼筋網(wǎng)片，剔除松動(dòng)的石子，用清水沖洗；

3)加強(qiáng)原施工縫處止水帶與混凝土之間節(jié)點(diǎn)接頭處理，必要時(shí)聘請(qǐng)有資質(zhì)單位處理；

4)在原池壁鋼筋外重新綁扎鋼筋網(wǎng)片，實(shí)行包封池壁，使所有池壁厚度達(dá)到460 mm。鋼筋Ⅲ級(jí)，豎向配筋Φ18@100，水平配筋Φ16@100，通過脹錨螺栓M14(@600 mm×600 mm)，使其與加固鋼筋焊牢；

5)增加所有池壁支座加筋構(gòu)造處理；

6)在原池壁構(gòu)件實(shí)體上進(jìn)行“擴(kuò)大截面”時(shí)，確保混凝土保護(hù)層厚度達(dá)到35 mm。 “新截面”，監(jiān)理嚴(yán)格隱蔽工程驗(yàn)收，新澆筑的混凝土強(qiáng)度采用C30抗?jié)BP6級(jí)(考慮新舊混凝土結(jié)合帶來強(qiáng)度降低，實(shí)際仍按C25強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算)；

7)加強(qiáng)新澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)，使混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值，經(jīng)監(jiān)理單位驗(yàn)收合格后，方可組織驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后投入使用。

經(jīng)近3年觀測(cè)，該污水處理池池壁未見任何裂縫及滲水現(xiàn)象，說明污水池加固補(bǔ)強(qiáng)處理成功。

7 結(jié)語

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，與英國(guó)、美國(guó)和日本相比，我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)生的原因之一是由于設(shè)計(jì)恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值明顯較低，而材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值又明顯高于前述國(guó)家，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗力比其他國(guó)家低。但是，這絕不是成為我們對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的借口，我們?cè)诿鎸?duì)建筑或構(gòu)筑物裂縫進(jìn)行分析和探討時(shí)，查明有害裂縫原因給出合理的解釋，并進(jìn)行針對(duì)性處理非常必要。