钢筋混凝土污水处理池裂缝探究

杨 青 杨国兵

(1.滁州学院土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000； 2.安徽滁州技师学院，安徽 滁州 239000)

1 概述

裂缝是混凝土与生俱来的产物。产生裂缝的原因与机理一直是广大学者、专家与工程技术人员探究的技术问题，混凝土结构使用中水分的渗透，被认为是通过混凝土内部由于原材料成分的物理、化学变化或配比或施工原因(如振捣不实)，由混凝土内部水泥胶凝结构中的毛细管连通形成的，一般来说，大多数渗水部分是由于施工缝处理不当造成，渗(透)水是水池、水箱等构筑物所不能接受的损害结构功能性的现象，至少，它会造成水泥水化物Ca(OH)2的不断溶出，导致混凝土强度下降、冻害及钢筋锈蚀引起混凝土结构承载力和耐久性大幅下降，促使混凝土进一步劣化。

裂缝的发生原因通常包括几种(见图1)，分析裂缝产生的机理，必须进行现场调查，借助于裂缝卡、刻度放大镜和超声仪，可以检测裂缝的症状与位置参数(如裂缝的长度宽度深度)，记录在展开分析图上，以期判断是否影响结构的承载力、正常使用、耐久性，直至确定修复的方法，影响结构安全性的裂缝必须消除，加固补强或重建，一般耐久性裂缝大于0.4 mm～0.6 mm的活裂缝必须处理[1]，小于0.2 mm～0.3 mm的稳定裂缝可简单处理或不处理，对影响结构使用功能要求如防水性能，裂缝大于0.2 mm的活裂缝必须处理，小于0.05 mm的稳定裂缝可简单处理或不处理。

2 工程背景

某企业新建一露天地上钢筋混凝土结构污水处理池[2]，污水池长宽高尺寸为21 m×7 m×6 m(见图2)，水池分三格，水池壁等厚度300 mm，底板厚600 mm，池壁钢筋Ⅰ级，竖向配筋Φ12@200，水平配筋Φ10@200，混凝土强度等级C20，池壁分三次浇筑，设两道水平施工缝。

竣工验收投入使用后，该污水处理池即发现有轻微裂缝，引起业主警觉(业主单位原来对施工单位的施工态度就不太满意，意追责)，当即通知施工单位与监理单位，经观察，渗水部位主要集中在两道水平施工缝处，其他部位也有发现，环视水池四周，均有不同形状的裂缝。监理单位下达工程(质量整改)监理通知单，要求施工单位查明原因尽快拿出整改方案报监理审批后，着手进行修补。不料，10 d后，裂缝尚未来得及修补，漏水现象更为严重，裂缝宽度又有新进展。无奈，责成由施工单位负责聘请几位专家现场进一步进行诊断。

3 现场勘查

几位专家在现场勘察水池裂缝走向，整理出裂缝现状图如图3所示。专家结合图纸分析认为，该污水处理池的池壁出现的裂缝不一定完全就是施工原因造成的，从施工图纸的表述看，并不能排除设计方面原因，有些明显的构造要求，图纸均没有反映出。如作为水池，混凝土的强度等级不应低于C25，池壁与底板交接支座处未设置加劲腋。专家分析，水池除却施工缝水平裂缝外，其下半部出现的“规则”斜裂缝似乎在暴露出“双向板结构方面的问题”。

4 设计复核

依据文献[3]进行池壁抗弯复核计算如下：(本案底板没有问题，地基承载力、池壁板抗剪强度足够，计算未展开)为计算池壁承载力极限状态作用效应基本组合设计值，根据水池类型及工况，恒载考虑污水压力，活载考虑温(湿)度作用。

污水重度取10.5 kN/m3，对池壁根部，水压计算净高取5.1 m，取1 m宽池壁为计算单元，永久作用的分项系数取1.27，水压根部造成的荷载设计值为：

q=1.27×5.1×10.5=68 kN·m/m。

池壁水压力弯矩计算图如图4所示，弯矩系数见表1，按以下公式计算弯矩，计算弯矩值见表2。

其中，Mx(M′x)为三边固定、顶端铰支双向板水平向跨中(支座)弯矩；My(M′y)为三边固定、顶端铰支双向板竖直向跨中(支座)弯矩；mx,m′x,my,m′y均为弯矩系数，见表1，可通过插入法取得。

表1 三边固定、顶端铰支双向板在非齐顶压力作用下的弯矩系数

表2 池壁(双向板)水压弯矩计算 kN·m/m

如图5所示，考虑湿度作用，暴露在大气中的水池池壁的温差按Δt=10 ℃计算，三边固定、顶端铰支，按以下公式计算弯矩，弯矩系数见表3，计算弯矩值见表4。

Mxt=kxtαcΔtEch2ηs,Myt=kytαcΔtEch2ηs。

其中，Mxt,Myt分别为壁面湿度当量温差引起壁板x,y方向的弯矩，kN·m/m;kxt,kyt分别为壁板x方向和y方向的弯矩系数；Ec为混凝土弹性模量，取3.0×104N/mm2;ηs为折减系数，按0.65采用；αc为混凝土线膨胀系数，取1×10-5/℃；h为壁板厚度。

表3 三边固定、顶端铰支双向板在温差作用下的弯矩系数

表4 池壁(双向板)温差弯矩计算 kN·m/m

污水池按承载能力极限状态作用效应基本组合公式有：

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

CpFpk+CsΔsk)+ψcγQ(CQQk+Cmqmk+CtFtk)。

对于本案，上式可简化为：S=γGCwFwk+γoCtFtk。

根据该公式，可得池壁最后弯矩见表5。

表5 池壁(双向板)最终弯矩计算结果 kN·m/m

再根据受弯构件正截面承载力计算公式，可计算池壁配筋，见表6。

表6 池壁(双向板)最终配筋计算结果 mm2/m

5 现场查验与结论

现场对污水池池壁检测，壁厚(300±8) mm基本没问题，查看混凝土供应商现场进料单及混凝土强度回弹检测，结论是：混凝土实际强度仅达到C18(设计强度是C20)。

从施工缝裂缝处开凿，发现钢筋混凝土保护层仅为15 mm，钢筋保护层明显不足(按水池结构规程，污水池最小为35 mm)且设置钢板止水板位置明显偏(下)移，露出竖向与水平受力筋(双层双向)型号、根数、位置与图纸(钢筋Ⅰ级，竖向配筋Φ12@200，水平配筋Φ10@200)吻合。这就证明了施工单位在按图施工方面，的确存在一些偏差，特别是混凝土浇筑振捣与养护不到位(混凝土强度未达到设计强度)，但大面积裂缝真正原因是设计方面存在严重缺陷。池壁厚度及根部水平和竖向受力钢筋严重不足，造成结构实际承载远远超越其极限承载力，特别是池壁下部分的裂缝是结构性裂缝，是重大安全隐患。

原设计图纸的池壁壁板水平跨中、支座实际配筋仅为理论值的67%和34%，竖向跨中、支座实际配筋也仅为理论值的92.2%和39.1%，这是一起典型的双向板跨中及支座承载力严重不足的案例，所发生的现场裂缝的特征也完全符合其受力情况。故而出现受拉正截面承载力不足的明显裂缝特征(实际上，随着日后温度荷载的加入，此裂缝发展后果将更为严重)。

现场实测与力学计算表明，这次质量事故的根本原因是，设计单位图纸设计质量低劣，审核人员没有把好关。现场施工人员施工工艺水平及施工态度是次要原因，造成严重危及结构安全的事故发生，同时项目监理人员也没有及时发现隐患所致。

6 事故处理

针对现场事故原因，根据复核计算结果，专家决定采用在原池壁基础上加“外套”方案进行加固处理。

1)要求施工单位根据专家意见(专家签字)编制事故处理方案，报监理单位审批后实施；

2)凿毛原池壁混凝土，露出原内外双层钢筋网片，剔除松动的石子，用清水冲洗；

3)加强原施工缝处止水带与混凝土之间节点接头处理，必要时聘请有资质单位处理；

4)在原池壁钢筋外重新绑扎钢筋网片，实行包封池壁，使所有池壁厚度达到460 mm。钢筋Ⅲ级，竖向配筋Φ18@100，水平配筋Φ16@100，通过胀锚螺栓M14(@600 mm×600 mm)，使其与加固钢筋焊牢；

5)增加所有池壁支座加筋构造处理；

6)在原池壁构件实体上进行“扩大截面”时，确保混凝土保护层厚度达到35 mm。 “新截面”，监理严格隐蔽工程验收，新浇筑的混凝土强度采用C30抗渗P6级(考虑新旧混凝土结合带来强度降低，实际仍按C25强度参数计算)；

7)加强新浇筑混凝土养护，使混凝土强度达到设计值，经监理单位验收合格后，方可组织验收，验收合格后投入使用。

经近3年观测，该污水处理池池壁未见任何裂缝及渗水现象，说明污水池加固补强处理成功。

7 结语

据相关文献研究表明，与英国、美国和日本相比，我国混凝土结构裂缝发生的原因之一是由于设计恒荷载和活荷载标准值取值明显较低，而材料的强度设计值又明显高于前述国家，这就导致结构的抗力比其他国家低。但是，这绝不是成为我们对混凝土结构产生裂缝的借口，我们在面对建筑或构筑物裂缝进行分析和探讨时，查明有害裂缝原因给出合理的解释，并进行针对性处理非常必要。