工业污水处理池设计中的裂缝控制

邢 凯

（

临沂市水利勘测设计院 临沂 276000）

在工业设计过程中经常会遇到钢筋混凝土污水处理池，如沉淀池、降温池、隔油池等，这些污水池若产生开裂会严重影响其使用功能。因此，在实际工程中需要在设计、施工等方面采取合理措施防止和控制水池裂缝的发生。本文主要研究在污水池结构设计中，如何采取有效措施避免和控制裂缝的发生，并结合一个真实工程案例进行验证。

众所周知，钢筋混凝土结构在各种外力作用下产生裂缝是非常普遍的现象。例如：钢筋混凝土构件在外力作用下产生的拉应力及温度变化引起的温度应力，都会使混凝土构件产生开裂。考虑到混凝土的抗拉强度仅有抗压强度的1/10～1/20,要求普通混凝土结构完全不出现开裂是很难实现的。为了有效控制污水池结构裂缝的发展，对污水池结构易发生开裂的原因进行分析是很有现实意义的。

1 污水池结构设计对裂缝产生的影响和控制

1.1 外力作用

当污水池结构在外力作用下，因混凝土材料本身抗拉强度低，导致拉应变超出了混凝土允许的极限拉应变，从而在构件表面产生裂缝，这种由外力作用在污水池表面引起的开裂称为破坏性裂缝。造成开裂的原因有：设计前相关资料不完整或有错误，设计时相关参数取值不合理，以及结构计算错误等。控制这类裂缝的措施主要有以下两个方面，一是收集完整、准确的污水池相关设计资料；二是建立合理的污水池结构设计计算模型，建立正确的荷载组合形式，从而保证结构计算得到的内力和变形值和污水池在真实荷载下产生的内力和变形相符。

1.2 混凝土材料的质量和构造措施

混凝土是由胶凝材料（主要指水泥）、砂、石、水、外加剂等组成的。混凝土材料的选用及材料的质量对控制污水池结构产生破坏性裂缝起着重要作用。因混凝土组成材料选用不当或材料质量缺陷而造成污水池后期出现开裂，会严重影响其使用。此外，污水池设计中采取的相关构造措施不合理或错误，也会使得结构计算模型与实际受力情况不一致，导致在污水池表面产生破坏性裂缝。

控制这类裂缝的主要措施包括：一是严格控制材料质量，特别是水泥的质量，严禁使用不合理的水泥；二是严格控制水灰比；三是选择粒径合适、级配良好的砂石骨料；四是严格控制骨料中的含泥量和泥块含量；五是采取合理的构造措施，确保污水池结构计算模型与实际受力状态吻合，并按其在结构体系中的不同作用,分别采取相应的构造做法。

1.3 混凝土的变形

混凝土与其他固体材料一样也存在热胀冷缩现象。由于混凝土材料导热能力低，水泥水化过程会释放出大量的水化热，这部分热量会聚集在混凝土内部不容易散失，而混凝土构件表面散热较快，从而造成混凝土构件内外的温差较大，在构件表面产生拉应力，导致出现裂缝；在混凝土后期的降温过程中，受到的支座周围约束也会在污水池混凝土结构表面产生拉应力，这在污水池的设计中一般表现为壁面温（湿）差。

控制这类裂缝措施主要包括：一是严格按照混凝土配合比设计规程，控制混凝土各种组成材料的用量、规格；二是严格按照混凝土施工规程要求，对污水池混凝土进行浇筑、振捣、养护；三是根据不同类型的污水池可以采取设置变形缝、后浇带等构造措施。

2 工程案例分析

工程实践中，污水处理池通常布置在室外，池壁承受外界环境和大气的各种作用，污水池池壁出现裂缝的事故屡见不鲜，其裂缝控制的难度也比较大。下面通过一个工程案例，说明工业污水池常见的池壁裂缝控制措施。

2.1 工程概况

该工程为山东省淄博市某工业污水处理池，平面尺寸为43m×41.2m，底板厚800mm，池壁高7.8m，厚500～750mm，半地下式结构，结构比室外地坪高1.5m。污水池池壁的中部在纵横两个方向均有一条变形缝，选用混凝土材料等级为C25，混凝土材料的抗渗等级为P6。污水池池壁水平方向的钢筋为一级钢筋，直径为18mm，钢筋间距为200mm，钢筋的配筋率0.35%～0.50%，施工现场模板采用胶合板模板，施工现场狭窄，采用泵送混凝土。

2.2 裂缝控制的方法

根据工程结构裂缝控制措施，污水池的池壁最大伸缩缝间距用符号[Lmax]表示：

式中：εP—混凝土极限拉伸值，根据混凝土的级配情况、养护条件取（0.5～2）×10-4；

T—混凝土的总温差，T=T1+T2+T3，T1为气温差，T2为水化热温差；

由上式可知，在α一定的情况下，伸缩缝间距决定于εP与T的大小，即：与εP的差值减小时，两条伸缩缝之间的距离增大。当时，不需要在污水池池壁上设置伸缩缝。该案例中污水池上伸缩缝的间距为21.5m，已经大于《混凝土结构设计规范》中伸缩缝间距20m的要求，因此可以从减少混凝土的总温差和提高混凝土极限拉伸值两个方面进行考虑，进一步控制裂缝。

2.3 裂缝控制的相关措施

2.3.1 减少水泥水化放热

减少水泥水化放热应采用水化热较低的水泥，例如矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥等。同时在满足强度和耐久性要求的前提下，可以减少水泥用量。该工程采用泵送混凝土，属于大流动性混凝土，而大流动性混凝土具有砂率大、水泥用量多、坍落度值大等特点。为减少水泥的水化放热，必须减少水泥的用量，根据以往工程经验，可以采取以下措施：

（1）采用减水率为25%的EY-I型高效减水剂。

（2）在水泥中掺加活性细掺合料，水泥取代率可达15%。

（3）采用粒径为5～40mm粗骨料，取代粒径为粒径5～25mm粗骨料。

（4）在满足施工条件下，降低混凝土拌和物的坍落度值，该案例坍落度值采用120mm左右。

2.3.2 减少水泥收缩当量温度

水泥的干缩过程是较为复杂的。在污水池结构设计截面大小和混凝土组成材料的类型确定的条件下，需要进一步控制水泥浆的用量和水灰比的大小。在实际施工过程中，操作人员为操作方便，往往会增加混凝土单位用水量及水泥浆用量，从而获得较大的坍落度值，增大了日后污水池池壁开裂的概率。该案例水泥选用复合硅酸盐水泥，同时加入粉煤灰、高效减水剂。每立方混凝土中水泥用量为280kg，水泥浆量为18.8%。以28d水泥的干缩测定值为准，该案例中混凝土收缩值比基准混凝土减少8%左右。

2.3.3 提高混凝土材料的极限拉伸应变

混凝土材料的极限拉伸应变大小与操作人员的施工质量好坏、徐变大小和配筋率大小等因素有关。

当混凝土施工、养护等操作规范时，混凝土缓慢降温时可取2×10-4；取值范围可以参考为1×10-4～1.5×10-4；当混凝土施工、养护等操作不规范时，极限拉伸应变取值为0.5×10-4～0.8×10-4。该案例可以采取下列措施，从而提高限拉伸值。

（1）确保混凝土组成材料的质量。其中，砂子含泥量不超过1.5%，石子的含泥量不超过1%。

（2）控制施工现场水灰比的大小，同时确保现场测定的混凝土拌合物坍落度值不超过120mm。

（3）采取二次振捣技术。在污水池池壁浇筑下层混凝土后，开启高频振捣器，振动一定时间后停止振捣20～30min，浇筑上层混凝土，再次开启高频振捣器，振动至混凝土表面无明显气泡逸出结束振捣。

（4）加强后期混凝土的养护措施。冬季采用两层草帘或者棉被覆盖；夏天用塑料薄膜包裹或者覆盖浇水养护。

2.4 裂缝值的计算

2.4.1 温度差取值

温度从高温降至低温（冬季平均最低温度）时的温差，将在混凝土池壁收到外部约束时产生温度应力，根据气象资料，山东省淄博地区的气温差为T1=26℃。

2.4.2 水泥水化放热温度差计算

每立方混凝土材料中水泥用量：W=280kg/m3

混凝土重度：γ=2400kg/m3

材料比热：C=1.0×103J（/kg·℃）

散热量：Q=334×103J/kg

散热系数：k=0.5

2.4.3 当量温差

式中：εs（ht）—任意龄期的混凝土收缩值；

t—混凝土浇注后到计算时的天数；

b—经验系数，一般取0.01，养护较差时取0.03；

M·1M2…M10—考虑各种非标准状态下的修正系数。

由王铁梦著《工程结构裂缝控制》中表2-1～表2-5可知：

取b=0.01，按120天收缩量考虑：

则当量温差：

计算时取T3=17℃。

2.4.4 池壁混凝土总温差

池壁最大伸缩缝间距计算：

该案例中两条伸缩缝之间的距离为21.5m，小于计算的伸缩缝最大间距22.7m，因此污水池池壁混凝土不会发生裂缝。该污水池池壁施工完成后，直到土方回填前，施工现场技术人员多次对池壁表面进行了仔细观察，均没有发现污水池池壁有开裂，可见该案例所采取的裂缝控制措施是有效的。

3 结论

（1）工业污水池池壁表面混凝土裂缝是能够避免的，可以从结构设计、材料选取、施工质量、混凝土养护等方面采取各项措施。即使是超长池壁的污水池结构，只要采取合适措施也可以避免池壁开裂。

（2）夏季施工时必须考虑温度的影响，采取补偿收缩混凝土等措施来考虑池壁的裂缝问题。

（3）在实际工程操作中，技术人员往往比较重视温差引起的混凝土变形，却忽视了对混凝土极限拉伸值的提高。通过不断提高混凝土材料的密实度，加强后期混凝土的养护，可以使混凝土降温速度变缓，从而有效提高污水池池壁表面的抗裂能力■