某污水處理廠水工構筑物混凝土施工技術分析

王文輝 ，劉 欣 ，玉海瓏

（1.天津城建設計院有限公司，天津市 300122；2.天津城建設計院有限公司，天津市 300122；3.天津市南港工業(yè)區(qū)開發(fā)有限公司，天津市 300280）

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模的擴大，以及人民生活水平的提高，水資源的供需矛盾日益尖銳，水資源污染及供水不足矛盾逐年加劇。為徹底解決水資源污染及供水緊張狀況，我國各級政府加大了對給水及污水處理工程建設力度，各類級別給水及污水處理廠項目紛紛開工建設，為綠化、農田及城市回用水、工農業(yè)及居民用水提供充足的水源等方面具有非常重要的意義。本文根據(jù)水工構筑物混凝土特殊特點（超長、底板超厚、薄壁、抗裂、抗?jié)B要求高等特點），結合某污水處理廠項目闡述水工構筑物混凝土施工技術，為今后類似工程建設提供些借鑒意見。

1 工程概況

本工程主要水工構筑物包括粗格柵間及進水泵房、細格柵間及曝氣沉砂池、曝氣池、終沉池、消化池、儲泥池等。

2 混凝土工程特點及難點分析

本工程混凝土澆筑量約7萬m3，混凝土澆筑量大，抗?jié)B、抗裂要求高。混凝土工程質量對水廠正常運行起決定性作用。本工程混凝土工程具備如下特點及難點。

2.1 抗裂、抗?jié)B要求高

本工程主要結構為水工構筑物，混凝土抗裂、抗?jié)B是本工程結構施工第一控制要點，確?；炷两Y構自防水功能，使混凝土剛性防水滿足設計功能需要的目的。本工程混凝土抗?jié)B等級S6～S12。

2.2 大體積混凝土

本工程消化池底板厚1 200 mm，面積314 m2,一次性澆筑，屬大體積混凝土。如何確保該部分混凝土澆筑質量，避免混凝土有害裂縫產生，為本工程混凝土質量控制重點之一。

2.3 混凝土結構超長、底板澆筑面積大

本工程工期短，為加快施工進度，確保本工程順利完工，結構設計中本工程曝氣池底板、池壁一次澆筑長度22～30 m、粗格柵間及進水泵房底板、池壁一次澆筑長度34.7 m、曝氣沉砂池底板、池壁一次澆筑長度25 m、終沉池50 m直徑底板、池壁混凝土一次澆筑，消化池20 m直徑底板、池壁混凝土一次澆筑，作為地下水工構筑物，以上結構均為超長結構。如何確?；炷翝仓|量，避免混凝土有害裂縫產生，為本工程混凝土質量控制重點之一。

2.4 施工季節(jié)氣溫高

本工程主體結構集中5～9月施工，正值江西高溫季節(jié)，日最高溫度40℃。嚴重影響混凝土澆筑質量。如何克服高溫天氣影響，確?；炷翝仓|量是本工程重點之一。

3 混凝土配合比設計、運輸、澆筑、振搗

3.1 混凝土原材料及配比

（1）水泥采用抗?jié)B好的普通硅酸鹽水泥。

（2）石子為滿足構筑物抗裂性和混凝土泵送采用符合篩分曲線，級配良好卵石，粒徑5～40 mm。

（3）砂采用中砂。

（4）粉煤灰采用二級粉煤灰。

（5）混凝土配合比原則：

a.在滿足工程設計前提下，盡量減少單體積水泥用量，在滿足施工工藝前提下，盡量減少混凝土澆注過程中水用量。

b.盡量降低混凝土養(yǎng)護、硬化過程中收縮，降低外約束程度。

（6）混凝土配合比技術措施：

a.摻加粉煤灰，用量為水泥用量20%(終沉池及消化池池壁為預應力鋼筋混凝土，該部分混凝土摻加粉煤灰用量為水泥用量15%)改善混凝土和易性。

b.選用能滿足混凝土抗裂性和緩凝時間，又不顯著降低混凝土早期強度WG-HEA高效復合外加劑，摻量8%。

c.采用滿足工藝前提下最小合理的砂率 。

d.合理確定混凝土水膠比，降低混凝土用水量。

3.2 混凝土運輸、澆注

混凝土運輸考慮滿足混凝土澆注強度、初凝時間、接縫要求等技術條件，并考慮現(xiàn)場施工條件、機械設備、場地條件，本著經(jīng)濟、適用、合理前提，采用混凝土罐車運輸(本工程混凝土采用現(xiàn)場附近設立混凝土攪拌站攪拌)，結合工程設計具體情況及澆筑方法確定泵車配備數(shù)量，再根據(jù)泵車配備數(shù)量、效率、混凝土每小時澆筑量、攪拌運輸車技術性能、車況、運距、以及場地道路情況確定，減少混凝土在攪拌車內停留時間，有效降低混凝土坍落度損失。

混凝土輸送泵車和攪拌運輸車數(shù)量及輸送能力計算

式中：qn——混凝土澆筑數(shù)量；

qmax——混凝土泵車輸送最大排量。

式中：η——泵車作業(yè)效率；

qm——泵車計劃排量；

Q——混凝土攪拌運輸車容量；

V——攪拌運輸車車速；

L——攪拌站到施工現(xiàn)場距離。

混凝土汽車泵靈活性大，根據(jù)工程具體情況，在使用汽車泵部位（兩臺42 m泵）適當調整位置可保證混凝土澆筑順利進行。氧化溝等無法采用汽車泵施工部位采用混凝土地泵在混凝土澆注過程中使用，地泵布置時注意以下幾點。

（1）管道配管短，少量使用軟管、彎管、彎度過大彎頭。

（2）管路布置使泵送方向與混凝土澆筑方向相反。

（3）輸送管道采用腳手鋼管牢固固定，避免澆注過程中擾動鋼筋、模板。

3.3 混凝土澆注、振搗、收面

混凝土澆注考慮結構具體尺寸、結構形式、混凝土施工特點采用混凝土地泵及汽車泵配合澆注。

混凝土澆筑方法采用分段、分層澆筑。結合混凝土泵車泵送能力，混凝土供應能力，混凝土初凝時間來共同確定每段長度，分層均勻振搗，控制好澆筑速度，在保證混凝土冷縫出現(xiàn)前提下，減慢混凝土澆筑速度，控制好澆筑厚度，以利于混凝土內部水化熱釋放，防止混凝土產生較大沉縮及粗骨料下沉。以終沉池底板為例。

終沉池底板直徑50 m，底板厚650 mm。一次性澆筑（分兩層），底板在半徑10 m處開始設置5 m寬環(huán)向膨脹加強帶，沿環(huán)向加強帶向外側設置4條5 m寬縱向膨脹加強帶。底板混凝土C25，膨脹加強帶混凝土C25纖維膨脹混凝土，終沉池底板采用兩臺42 m汽車泵，混凝土初凝時間控制在8～12 h。

混凝土澆筑采用由內到外，由低向高的澆筑順序，將底板按南北方向劃分為兩個施工區(qū)，每個澆筑區(qū)混凝土澆筑順序沿“之”字形向外側推進，加強帶外采用小膨脹混凝土，澆筑到加強帶采用纖維膨脹混凝土,每次澆筑帶寬由內向外由4～1 m。

混凝土振搗采用插入式振搗器振搗器振搗時間15～30 s，以表面出現(xiàn)浮漿，不再沉落，無氣泡為準。振搗器移動距離不大于振搗器移動半徑1.5倍，振搗上一層混凝土時，插入下層混凝土5 cm。

在嚴格按照施工規(guī)范振搗混凝土的同時，應將結構預埋件、預埋管、橡膠止水帶等部位的振搗質量作為控制要點，較大預留洞口、預埋管道、橡膠止水帶等部位嚴格按先底部，再兩側，最后澆筑蓋面混凝土的順序進行，兩側下灰高度基本保持一致，同時振搗，止水帶部位嚴禁碰撞止水帶，并設專人看護防止振偏，保證其能收縮不滲漏水，并設專人隨時敲擊模板外側，確保預留洞口、預埋管道、橡膠止水帶等部位混凝土密實，嚴防因振搗不實，造成滲水通道。

水池底板混凝土壓面質量的好壞將直接影響到混凝土表面裂縫的產生，抹壓時先用刮扛找平，然后用木抹搓壓表面，抹壓分三遍進行，最后一遍須用鐵抹子壓光找平。最后一遍抹壓收面在混凝土初凝前進行。

4 混凝土溫度與收縮裂縫控制

本工程為水工構筑物，水池混凝土在澆筑過程中，在終凝前的沉實及在以后硬化、干燥及溫度變化的條件下，水池結構混凝土將引起收縮和裂縫，對水池耐久性、承載能力和抗?jié)B都會產生嚴重影響，為確保混凝土耐久性、抗?jié)B性滿足水廠正常運行，混凝土抗裂是本工程混凝土工程重中之重。

針對混凝土主要裂縫，結合本工程具體設計情況，采取如下技術措施控制裂縫產生數(shù)量及裂縫寬度滿足國家相關規(guī)范及結構正常使用功能。

4.1 降低水泥水化熱

采用抗?jié)B好普通硅酸鹽水泥，嚴格檢驗水泥質量，確保水泥凝結時間及安定性等指標符合標準，減少水泥用量，降低混凝土發(fā)熱量。

4.2 摻加粉煤灰

混凝土中摻加粉煤灰，降低水泥摻量，減少混凝土發(fā)熱量，延緩水泥水化熱釋放時間，降低絕熱溫升，減少混凝土離析及泌水(終沉池及消化池池壁為預應力鋼筋混凝土，該部分混凝土摻加粉煤灰用量為水泥用量15%)。

4.3 合理配料、優(yōu)化配合比

結合江西當?shù)氐夭那闆r，在滿足施工工藝前提下，混凝土細骨料采用中砂。粗骨料采用5～40 mm卵石（消化池C50混凝土采用從湖北購進碎石），在保證不適混凝土離析前提下粗骨料顆粒采用較大粒徑，以利降低水泥用量和水化熱量，同時減少用水量，是混凝土凝結收縮、泌水及干縮減少。在攪拌站設置振動篩分系統(tǒng)，控制粗細骨料級配合理符合篩分曲線。通過與砂石料廠配合，并經(jīng)攪拌站篩分系統(tǒng)篩分，嚴格控制粗細骨料級配、含泥量。嚴格檢驗骨料質量，嚴防骨料含堿活性物質?；炷僚浜媳冗m當控制水灰比，減少混凝土用水量。

4.4 降低混凝土澆筑入模溫度

大體積、大面積、超長池壁、底板混凝土澆筑安排在每天下午6點后進行。使混凝土溫升起點建立較低入模溫度上，降低混凝土峰值，避免較大溫差。

攪拌站混凝土攪拌用水采用深層地下水，水泥罐上部設置噴淋系統(tǒng)，砂石料場設置簡易遮陽裝置。通過以上措施控制混凝土攪拌出機溫度，減慢混凝土化學反應、水化熱釋放速度。

4.5 隔離層設置

曝氣池、終沉池、消化池、粗格柵間及泵房等于設計協(xié)商在大面積底板與墊層之間設置一油一氈隔離層。減少墊層混凝土對基礎混凝土約束作用，有利于基礎混凝土溫度收縮變形時自由收縮。終沉池底板在墻體部位設計為杯口形式，杯口內鋪設4 mm厚橡膠墊，將墻體與底板隔離，減少底板混凝土對墻體混凝土約束作用，有利于墻體混凝土溫度收縮變形時自由收縮。

4.6 提高混凝土極限拉伸強度

攪拌站設專人管理配合比，電腦計量，嚴格控制混凝土出機坍落度140～160 mm（到達現(xiàn)場坍落度維持120～140 mm）。

池壁、柱及頂板與池壁搭接處、底板混凝土在初凝之前，對混凝土進行二次振搗，通過二次振搗使混凝土顆粒重新排列，破壞原結構毛細現(xiàn)象和初期界面結合，排除因泌水在骨料、水平鋼筋下產生孔隙，排除因水模及骨料下沉產生內部分層和表面收縮出現(xiàn)塑性裂縫，同時抑制輕骨料浮起，使級配結構較前致密，改善混凝土質量，增強混凝土密實性，提高混凝土強度。混凝土施工完畢后加強早期養(yǎng)護。

通過前期與設計院協(xié)商，在滿足設計要求前提下，對終沉池、曝氣池等超長結構墻體配筋采用小直徑鋼筋，加密間距，適當提高配筋率。

通過以上措施，可以有效提高混凝土早期強度和彈性模量。

4.7 摻加WG-HEA高效復合外加劑

為滿足結構使用要求，針對本工程大體積、超長結構設計特點，混凝土中摻加WG-HEA高效復合外加劑。其作用機理為：當其摻入混凝土后，與水泥中的水化生成物發(fā)生化學反應，生成氫氧化鋁、氫氧化鐵等膠體物質堵塞混凝土內的毛細通道和孔隙，從而起到降低混凝土孔隙率，提高混凝土密實性，增強混凝土抗?jié)B性的作用,同時生成的結晶體水化硫鋁酸鈣又具有一定膨脹性，使結構自身在鋼筋及臨位限制下產生自應力來抵消混凝土干縮和徐變產生的拉應力，減小和消除混凝土體積收縮，達到提高混凝土抗裂性的目的，該復合外加劑包含減水作用，對水泥顆粒起分散作用，把水泥凝聚體中包含水釋放出來，使水泥達到充分水化，減少混凝土拌合用水，降低水灰比，改善和易性，增加流動性。此外該復合外加劑還具有延緩混凝土的初凝、終凝時間，降低水泥水化熱，避免混凝土因溫度應力而開裂的作用，WG-HEA高效復合外加劑摻量為膠凝材料8%。

4.8 設置膨脹加強帶

為保證水工構筑物正常使用，通常在現(xiàn)澆結構每隔20～40 m設后澆帶，后澆帶是一種擴大伸縮縫間距和取消伸縮縫有效措施，但后澆帶一般需結構完成后兩個月后才能澆筑，工期延長；另外后澆帶清理是一件十分麻煩，繁重工作，清理不好，會成為滲漏隱患，影響結構整體質量。本工程工期短（總工期16個月），為加快施工進度，本工程終沉池設計中與設計協(xié)商沒有采用常規(guī)后澆帶設計方法，采用底板、池壁整體澆筑；為確保工程質量，底板池壁基礎處設計為杯口形式，池壁設置環(huán)向無粘結預應力，底板杯口與池壁柔性連接措施控制混凝土裂縫。施工中針對本工程終沉池50m直徑底板（厚650 mm）、50 m直徑墻體（高5 m、厚250 mm）一次性澆筑結構設計特點，在終沉池底板及墻體混凝土中設置4條膨脹加強帶。膨脹加強帶設置混凝土收縮應力發(fā)生最大部位，膨脹加強帶寬2 m，帶兩側布置5 mm的密孔鋼絲網(wǎng)，將帶內混凝土與帶外混凝土隔開。鋼絲網(wǎng)垂直布置在上下兩層（或內外兩層）鋼筋之間，并均勻布置在上下兩層（或內外兩層）鋼筋之間，兩端分別綁扎在上下層（或內外層）鋼筋上。

膨脹加強帶內設10%～15%水平溫度鋼筋，并均勻布置在上下兩層（或內外兩層）鋼筋之間，水平溫度鋼筋垂直于膨脹加強帶長度方向進行分布，兩端各伸出膨脹加強帶2 m，并固定在上下兩層（或內外兩層）鋼筋上。

膨脹加強帶部位混凝土改為纖維膨脹混凝土即通過在混凝土中適量摻加聚丙烯合成纖維纖維網(wǎng)同其它混合料一起加入攪拌機中拌合，當纖維網(wǎng)拌入混凝土后,成束的網(wǎng)線隨著攪拌,受到砂、水泥、骨科的沖擊就會張開,形成無數(shù)單獨纖維,為保證纖維均勻攪拌在混凝土中，攪拌時間控制在3～4 min，由于纖維網(wǎng)次加強作用是一種物理而非化學作用，纖維的加入不需要附加任何水，故不需改變原有配合比。

纖維膨脹混凝土改善混凝土自身結構特點，從而提高混凝土抵抗收縮變形的能力，經(jīng)現(xiàn)場試配，每立方米混凝土中纖維摻量為0.9 kg；膨脹加強帶混凝土外加劑采用WG-HEA高效復合外加劑，其摻量為12%，比帶兩側混凝土提高4%，以確保混凝土接茬部位粘結強度。

4.9 預應力二次張拉

本工程終沉池及消化池設計環(huán)向無粘結預應力，為控制混凝土早期裂縫產生，鑒于以往混凝土抗裂經(jīng)驗，與設計協(xié)商對終沉池及消化池采用預應力二次張拉，初次張拉時間控制在混凝土澆筑完畢，混凝土強度達到設計要求50%時（現(xiàn)場留置同條件試塊，由試驗室進行試壓提供數(shù)據(jù)）進行，張拉應力控制為40%σcom。

4.10 大體積混凝土降溫技術

本工程消化池直徑20m，基礎底板厚度1200mm，為大體積混凝土，為控制混凝土內部溫度，施工中每隔3 m預留D100帶止氺環(huán)鋼管深700 mm，養(yǎng)護過程中通過該預留管可簡易測定混凝土內部溫度，并結合測溫結果通過鋼管內灌注冷水措施降低混凝土內部溫度及散熱，施工完畢后，該孔采用C50膨脹混凝土填塞密實。

4.11 混凝土保溫、養(yǎng)護

本工程主體結構為水工構筑物，結構抗?jié)B、抗裂要求高。必須加強混凝土保溫、養(yǎng)護，避免裂縫。為防止混凝土內外溫差過大及混凝土失水干縮引起混凝土的開裂，保溫主要結合混凝土測溫結果利用土工布結合塑料布，控制混凝土內外溫差。養(yǎng)護對于底板、墻體混凝土均采用蓄水法養(yǎng)護。具體做法是：待底板混凝土終凝后筑壩蓄水養(yǎng)護，蓄水深度50～100 mm。墻體養(yǎng)護采用在混凝土終凝以后，在墻頂沿墻體長度方向接DN25水管，在水管上每隔100 mm鉆眼，對墻體進行24 h噴淋養(yǎng)護，保證混凝土養(yǎng)護期間始終保持濕潤，避免干濕交替。

結合本工程混凝土摻加粉煤灰、抗?jié)B、抗裂特點，混凝土養(yǎng)護時間20 d。

5 結論

根據(jù)各池體滿水試驗觀察，無滲漏，無有害裂縫產生，標養(yǎng)28 d強度試塊及抗?jié)B試塊均達到設計及規(guī)范要求，由此可見通過摻加高效WG-HEA外加劑、隔離層設置、二次張拉、混凝土二次振搗、膨脹加強帶等技術應用，能夠保證連續(xù)澆筑超長、超高混凝土抗?jié)B抗裂要求。但是需要指出的是：我們在合理選擇外加劑和科學設計配合比的基礎上必須嚴把材料關和施工質量關，控制好混凝土各項主要技術指標。針對工程特點，采取合理的澆筑、振搗和養(yǎng)護方法，嚴格按照國家相關施工規(guī)范標準控制好各工序施工質量。只有通過綜合措施的實施，才能收到實效，保證工程質量。

[1]孫訓方,方孝淑,關來泰.材料力學[M].北京:高等教育出版社,1995.

[2]王莉萍.船舶結構局部應力有限元分析比較研究[D].黑龍江哈爾濱:哈爾濱工程大學,2004.