鋼筋混凝土污水處理池裂縫探究

楊 青 楊國兵

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

1 概述

裂縫是混凝土與生俱來的產物。產生裂縫的原因與機理一直是廣大學者、專家與工程技術人員探究的技術問題，混凝土結構使用中水分的滲透，被認為是通過混凝土內部由于原材料成分的物理、化學變化或配比或施工原因(如振搗不實)，由混凝土內部水泥膠凝結構中的毛細管連通形成的，一般來說，大多數滲水部分是由于施工縫處理不當造成，滲(透)水是水池、水箱等構筑物所不能接受的損害結構功能性的現象，至少，它會造成水泥水化物Ca(OH)2的不斷溶出，導致混凝土強度下降、凍害及鋼筋銹蝕引起混凝土結構承載力和耐久性大幅下降，促使混凝土進一步劣化。

裂縫的發生原因通常包括幾種(見圖1)，分析裂縫產生的機理，必須進行現場調查，借助于裂縫卡、刻度放大鏡和超聲儀，可以檢測裂縫的癥狀與位置參數(如裂縫的長度寬度深度)，記錄在展開分析圖上，以期判斷是否影響結構的承載力、正常使用、耐久性，直至確定修復的方法，影響結構安全性的裂縫必須消除，加固補強或重建，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的穩定裂縫可簡單處理或不處理，對影響結構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的穩定裂縫可簡單處理或不處理。

2 工程背景

某企業新建一露天地上鋼筋混凝土結構污水處理池[2]，污水池長寬高尺寸為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，豎向配筋Φ12@200，水平配筋Φ10@200，混凝土強度等級C20，池壁分三次澆筑，設兩道水平施工縫。

竣工驗收投入使用后，該污水處理池即發現有輕微裂縫，引起業主警覺(業主單位原來對施工單位的施工態度就不太滿意，意追責)，當即通知施工單位與監理單位，經觀察，滲水部位主要集中在兩道水平施工縫處，其他部位也有發現，環視水池四周，均有不同形狀的裂縫。監理單位下達工程(質量整改)監理通知單，要求施工單位查明原因盡快拿出整改方案報監理審批后，著手進行修補。不料，10 d后，裂縫尚未來得及修補，漏水現象更為嚴重，裂縫寬度又有新進展。無奈，責成由施工單位負責聘請幾位專家現場進一步進行診斷。

3 現場勘查

幾位專家在現場勘察水池裂縫走向，整理出裂縫現狀圖如圖3所示。專家結合圖紙分析認為，該污水處理池的池壁出現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，并不能排除設計方面原因，有些明顯的構造要求，圖紙均沒有反映出。如作為水池，混凝土的強度等級不應低于C25，池壁與底板交接支座處未設置加勁腋。專家分析，水池除卻施工縫水平裂縫外，其下半部出現的“規則”斜裂縫似乎在暴露出“雙向板結構方面的問題”。

4 設計復核

依據文獻[3]進行池壁抗彎復核計算如下：(本案底板沒有問題，地基承載力、池壁板抗剪強度足夠，計算未展開)為計算池壁承載力極限狀態作用效應基本組合設計值，根據水池類型及工況，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，對池壁根部，水壓計算凈高取5.1 m，取1 m寬池壁為計算單元，永久作用的分項系數取1.27，水壓根部造成的荷載設計值為：

q=1.27×5.1×10.5=68 kN·m/m。

池壁水壓力彎矩計算圖如圖4所示，彎矩系數見表1，按以下公式計算彎矩，計算彎矩值見表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，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

表2 池壁(雙向板)水壓彎矩計算 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 ℃計算，三邊固定、頂端鉸支，按以下公式計算彎矩，彎矩系數見表3，計算彎矩值見表4。

Mxt=kxtαcΔtEch2ηs,Myt=kytαcΔtEch2ηs。

其中，Mxt,Myt分別為壁面濕度當量溫差引起壁板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；Ec為混凝土彈性模量，取3.0×104N/mm2;ηs為折減系數，按0.65采用；αc為混凝土線膨脹系數，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

表4 池壁(雙向板)溫差彎矩計算 kN·m/m

污水池按承載能力極限狀態作用效應基本組合公式有：

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

CpFpk+CsΔsk)+ψcγQ(CQQk+Cmqmk+CtFtk)。

對于本案，上式可簡化為：S=γGCwFwk+γoCtFtk。

根據該公式，可得池壁最后彎矩見表5。

表5 池壁(雙向板)最終彎矩計算結果 kN·m/m

再根據受彎構件正截面承載力計算公式，可計算池壁配筋，見表6。

表6 池壁(雙向板)最終配筋計算結果 mm2/m

5 現場查驗與結論

現場對污水池池壁檢測，壁厚(300±8) mm基本沒問題，查看混凝土供應商現場進料單及混凝土強度回彈檢測，結論是：混凝土實際強度僅達到C18(設計強度是C20)。

從施工縫裂縫處開鑿，發現鋼筋混凝土保護層僅為15 mm，鋼筋保護層明顯不足(按水池結構規程，污水池最小為35 mm)且設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、根數、位置與圖紙(鋼筋Ⅰ級，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護不到位(混凝土強度未達到設計強度)，但大面積裂縫真正原因是設計方面存在嚴重缺陷。池壁厚度及根部水平和豎向受力鋼筋嚴重不足，造成結構實際承載遠遠超越其極限承載力，特別是池壁下部分的裂縫是結構性裂縫，是重大安全隱患。

原設計圖紙的池壁壁板水平跨中、支座實際配筋僅為理論值的67%和34%，豎向跨中、支座實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重不足的案例，所發生的現場裂縫的特征也完全符合其受力情況。故而出現受拉正截面承載力不足的明顯裂縫特征(實際上，隨著日后溫度荷載的加入，此裂縫發展后果將更為嚴重)。

現場實測與力學計算表明，這次質量事故的根本原因是，設計單位圖紙設計質量低劣，審核人員沒有把好關。現場施工人員施工工藝水平及施工態度是次要原因，造成嚴重危及結構安全的事故發生，同時項目監理人員也沒有及時發現隱患所致。

6 事故處理

針對現場事故原因，根據復核計算結果，專家決定采用在原池壁基礎上加“外套”方案進行加固處理。

1)要求施工單位根據專家意見(專家簽字)編制事故處理方案，報監理單位審批后實施；

2)鑿毛原池壁混凝土，露出原內外雙層鋼筋網片，剔除松動的石子，用清水沖洗；

3)加強原施工縫處止水帶與混凝土之間節點接頭處理，必要時聘請有資質單位處理；

4)在原池壁鋼筋外重新綁扎鋼筋網片，實行包封池壁，使所有池壁厚度達到460 mm。鋼筋Ⅲ級，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造處理；

6)在原池壁構件實體上進行“擴大截面”時，確保混凝土保護層厚度達到35 mm。 “新截面”，監理嚴格隱蔽工程驗收，新澆筑的混凝土強度采用C30抗滲P6級(考慮新舊混凝土結合帶來強度降低，實際仍按C25強度參數計算)；

7)加強新澆筑混凝土養護，使混凝土強度達到設計值，經監理單位驗收合格后，方可組織驗收，驗收合格后投入使用。

經近3年觀測，該污水處理池池壁未見任何裂縫及滲水現象，說明污水池加固補強處理成功。

7 結語

據相關文獻研究表明，與英國、美國和日本相比，我國混凝土結構裂縫發生的原因之一是由于設計恒荷載和活荷載標準值取值明顯較低，而材料的強度設計值又明顯高于前述國家，這就導致結構的抗力比其他國家低。但是，這絕不是成為我們對混凝土結構產生裂縫的借口，我們在面對建筑或構筑物裂縫進行分析和探討時，查明有害裂縫原因給出合理的解釋，并進行針對性處理非常必要。