寒冷地區水池施工中裂縫分析及處理

汪 菱張弘強 中石油東北煉化工程公司吉林設計院 吉林132002

在現代工業與民用建筑領域中，隨著污水處理廠、凈水廠及其它相關的配套設施的建造，各種形式的鋼筋混凝土水池已成為一種應用極為廣泛的構筑物。由于變形、沉降等各種原因引起的池體混凝土結構(包括池頂板、池壁板、池底板)裂縫現象的產生也有日趨增多的趨勢。裂縫的出現不僅僅會降低建筑物的抗滲能力，影響建筑物的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化、降低材料的耐久性，影響水池的正常使用。因此避免裂縫的發生及裂縫產生后事故分析與處理也成為設計人員經常探討研究的新課題，并成為一個迫切需要解決的技術難題。

1 工程概況

在某新建污水處理廠工程中，調節池的長、寬、高分別為40.5m、55m、5.65m;池壁厚0.45m，為無粘結預應力混凝土結構，池外壁豎向筋:Φ20@200，水平筋:Φ14@225;池內壁豎向筋:Φ20@200，水平筋:Φ14@225，混凝土為C40，抗凍等級F200，抗滲等級S8。按照國家建筑材料測試中心所出配合比進行現場攪拌，地泵運輸、吊車配合進行澆筑。混凝土澆筑時間為2011年11月11日至13日，澆筑期間天氣溫度最高為8度，最低為負14度，從19日開始拆模，25日拆模結束，施工期間溫度統計見表1。

表1 調節池施工期間溫度統計表

按照施工方案，池壁拆模后應立即覆蓋苫布，苫布內通蒸汽盤管進行養護，但是由于種種原因，直到2012年1月12日才初步達到方案中的養護條件。

拆模后的拆模檢查過程中沒有發現裂縫，在2012年1月8日下午檢查過程中發現池壁有不同程度、數量的裂縫出現，開裂方向為豎向裂紋居多，個別為斜裂紋。裂縫長度不等，最長的沿池高度方向貫通，裂紋寬度0.2～0.9mm，形狀不規則，互不連貫，池內外兩側均存在，裂縫圖片見圖1。

圖1 調節池池壁裂縫圖

2 裂縫原因分析

根據現場施工過程檢驗記錄，經設計、施工、監理等單位反復研究分析，確認裂縫的形成有下列因素:

(1)混凝土剛澆注完畢，還沒來得及完成水化，就遭受低溫凍結導致混凝土初凝受凍;或混凝土初凝后遭遇低溫緩慢受凍。混凝土遭受－4℃以下的初凝溫度就會引起混凝土凍害。受凍害的混凝土強度顯著降低，一般來說28天抗壓強度降低45%左右，抗拉強度降低70%左右。混凝土受凍后溫度應力大于混凝土的抗拉強度，易出現裂縫。

(2)冬季施工拆模時間對混凝土抗裂性很重要。混凝土的拆模時間不應低于30天，否則混凝土過早被裸露、風吹、日曬從而形成脫水現象。水分過早的蒸發會使已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，不能轉化為穩定的結晶，缺乏足夠的粘結力，還會產生較大的收縮變形，出現干縮裂縫。根據施工記錄，本工程拆模時間過早，是導致混凝土表面產生收縮裂縫的一個原因。

(3)冬季施工的保溫養護措施尤其重要，保溫可減小溫差并提高混凝土的抗拉能力，拆模后應立即采取保溫措施。溫度應力是溫差引起變形造成的。溫差愈大，溫度應力也愈大。混凝土養護過程中內部的最高溫度可達60～65℃，并且有較長的延續時間。因此，應采取溫度控制措施，防止混凝土內外溫差引起的溫度應力。本工程池壁混凝土在冬季施工過程中，環境溫度不穩定，晝夜溫差大。混凝土澆筑后每天溫度變化也很大，高、低溫差達到35℃。拆模后又未及時采取任何保溫措施，疏于養護，混凝土驟冷驟熱，內外溫度不均，溫差應力大，混凝土的抗拉強度降低，導致混凝土表面產生收縮裂縫，再與溫度應力疊加，使裂縫在池壁上進一步發展，甚至成為貫穿裂縫。

(4)本水池為超長結構，以往設計這種超長的水池如采用設置后澆帶及在混凝土中添加膨脹劑，也出現了不同程度的裂縫，本次設計采用預應力結構，目的就是為了有效控制裂縫，避免出現裂縫。但是本項目由于是在冬季施工，池壁混凝土強度增長緩慢，短期內一直無法具備預應力筋張拉條件，混凝土抗拉強度小于溫度作用引起的拉應力是造成池壁開裂的另一個原因。

(5)池壁混凝土為現場攪拌，地泵泵送，混凝土攪拌過程中有水灰比過大現象，坍落度難以控制，這樣在澆筑后期，失水收縮量較大，對池壁產生拉應力，也會使池壁開裂。

(6)由于是冬季施工，即使添加了防凍劑，拆模后，室外溫度低，水化反應已經很慢，混凝土內部不可避免會存在多余游離水，受凍體積增加，對混凝土表面會產生拉應力，造成表面開裂，在其他應力的疊加下也會產生不同長度裂縫，嚴重時會出現貫通裂縫。

3 裂縫性質的判定

(1)混凝土在施工時添加了－10度NZY－AF聚羧酸減水劑(防凍型)，摻量:2%，由于在調節池澆筑時氣溫有所下降，采用了－15度NZYAF聚羧酸減水劑(防凍型)。在池壁澆筑后馬上在池壁上部進行了保溫覆蓋，事故池在澆筑后的第12天，即2012年11月17日檢測了同條件試塊的強度已經達到50%;并且從拆模后的外觀檢查時也沒有混凝土初期受凍的跡象，所以在提高養護溫度后，混凝土的強度會繼續增長，如果達到張拉所需強度進行張拉后，目前發現的裂縫不會對結構強度產生影響，為可修復裂縫。

(2)在強度不受影響的情況下，如不處理，在水壓試驗時，部分裂縫勢必會產生滲漏，會對水池的使用功能產生影響，因此需對裂縫，尤其是0.2 mm以上的裂縫進行認真修復，消除對水池使用功能的影響，保證水池滲漏指標達到規范規定。

4 裂縫處理方法

(1)對裂縫類型、寬度和長度做好標記，觀測并記錄裂縫發展情況，同時加強池壁保溫養護措施，盡量使溫度應力的影響降至最低。

(2)混凝土養護結束后應對池壁裂縫進行修補。修補前應對裂縫進行檢查，根據觀測記錄確認裂縫是否有進一步發展的趨勢，如果有發展趨勢要重新確認一下裂縫成因并預判斷可能產生的最大裂縫，再根據實際情況進行修補。裂縫修補分為兩種類型，一種是寬度大于0.3 mm的裂縫，應采用化學灌漿法。化學灌漿法沿裂縫鑿去薄弱部分，并用水沖洗干凈，注射前應用電吹風吹干裂縫。灌漿材料可采用環氧樹脂漿液(以環氧樹脂為主，加入固化劑、稀釋劑、促凝劑等配制而成)。灌漿壓力初選4～5 Kg/cm2，灌漿壓力由低到高，當壓力驟升而停止吸漿時，即可停止灌漿。另一種是寬度小于0.3 mm的裂縫，如果深度未達到鋼筋表面，不漏水以及不再發展的裂縫，裂縫表面清理干凈，用水泥漿刮抹即可。如果裂縫已達到鋼筋表面或有可能漏水，沿裂縫鑿去薄弱部分，同樣采取前一種方法修補。

(3)使池壁混凝土強度盡快達到設計要求，以便進行張拉，控制裂紋的發展。預應力鋼筋可改善鋼筋混凝土水池在混凝土收縮、承壓及溫度應力作用下產生的裂縫，效果非常明顯。

(4)在以上工作均結束后應進行注水試驗。注水試驗期間應密切觀察裂縫是否有滲水現象，如發現有滲水現象應做好記錄，排水后重新進行裂縫處理。

5 效果驗證

采用上述措施施工后，經建設、監理、設計等單位共同驗收，調節池未發現滲漏與裂縫，處理效果良好。

6 設計和施工中注意事項

裂縫控制是鋼筋混凝土水池建造過程中較為敏感的問題，尤其是寒冷地區的水池，在施工與使用過程中普遍存在溫差大、冬季溫度偏低等現象，在設計與施工過程中應采取適當措施避免裂縫產生。

6.1 設計

在設計過程中應采取的控制裂縫的措施。

(1)水池設計時應根據最大作用水頭與池壁(或底板)厚度的比值，確定水池混凝土抗滲等級。另外水池計算時應進行裂縫控制驗算。對于內部介質無腐蝕性的水池，裂縫應控制在0.2 mm，對于內部介質有腐蝕性的水池，根據腐蝕性等級裂縫應分別控制在0.15～0.2 mm。

(2)在配筋構造上應盡可能采用小直徑、小間距的鋼筋。針對寒冷地區水池配筋時水平鋼筋間距不應超過100 mm。建于寒冷地區的地面式、架空式或半地下式水池的池壁及頂板宜設置外保溫措施。平均氣溫低于－5℃時，尚應根據當地氣溫確定混凝土抗凍等級。

(3)水池宜在池壁頂、池壁轉角及池壁與底板相交處設置暗梁或暗柱，并在池壁與底板相交處、池壁轉角處設置加腋角，以增大轉角剛度，分散池角應力，防止出現邊緣效應引起的裂縫。

(4)為減少水化熱，混凝土中應適當摻入粉煤灰。體型較大的水池應在混凝土中適當加入外加劑以控制混凝土的線性膨脹率。混凝土的最大水灰比不應大于0.5。

6.2 施工

在施工過程中應采取的控制裂縫的措施:

(1)一般情況，水池的壁板、隔板、中間柱允許留水平向施工縫，下部宜留在底板以上200 mm處或腋角頂部，上部宜留在現澆板底底面以下200 mm處或柱帽下部，壁板下部施工縫處應設止水帶等。

(2)盡量選用低熱或中熱水泥，如礦渣水泥、粉煤灰水泥等;水泥用量盡量控制在450 kg/m3以下;改善骨料級配，在混凝土中摻加一定量的具有減水、增塑、緩凝等作用的外加劑，改善混凝土拌合物的流動性、保水性，降低水化熱，推遲熱峰的出現時間。

(3)加強混凝土的振搗，尤其是池壁轉角、池壁與底板相交處，提高密實度。

(4)加強混凝土養護，混凝土澆筑后，及時覆蓋并注意灑水養護，適當延長養護時間，保證混凝土表面保持適宜的溫、濕度條件。在寒冷季節，混凝土表面尚應加強設置保溫措施，以防止混凝土凍脹開裂。

7 結語

裂縫是混凝土結構中普遍存在的一種現象，它的出現不僅會降低水池的抗滲能力，影響水池的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕。通過對本工程水池裂縫的處理，可知出現裂縫時可采取一定的設計和施工措施來克服和控制，這是每一個施工工程都應該加強研究和及時預防的。因此，嚴格按照國家有關規范、技術標準進行設計、施工和監理，是保證結構安全耐用的前提和基礎。在施工管理過程中，加強施工管理，防止裂縫的出現，確保工程質量。

1 GB 50010－2010，混凝土結構設計規范［S］.

2 CECS 138:2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結構技術規程 ［S］.

3 GB 50069－2002，給水排水工程構筑物結構設計規范［S］.

4 王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.中國建筑工業出版社.

5 沈世杰等.給水排水工程結構設計手冊［M］.中國建筑工業出版社.