间歇式膨胀加强带在净水厂工程中的应用

李洪煊 王植林 高滢 夏秀丽

中国市政工程中南设计研究总院有限公司南京分院 210012

引言

给水排水工程中位于土基上的现浇水池结构，露天工作条件下变形缝最大间距20m，地下式或有保温措施工作条件下变形缝最大间距30m［1］。按上述设缝要求，给水排水工程中很多完整单元的水池、泵房等构筑物将被划分为多块。因变形缝处一旦产生渗漏水，其修复难度较大，故近些年来水池、泵房等构筑物少缝或无缝设计成为一大趋势［2］。

补偿收缩混凝土指由膨胀剂或膨胀水泥配制的自应力为0.2MPa ～1.0MPa 的混凝土［3］。因其掺入膨胀剂，单次连续浇筑的长度较普通混凝土长，故可实现水池、泵房等构筑物少缝或无缝设计。膨胀加强带是通过在结构预设的后浇带部位浇筑补偿收缩混凝土，减少或取消后浇带和变形缝、延长构件连续浇筑长度的一种技术措施［3］，膨胀加强带之间的间距宜为30m ～60m，其单次浇筑长度远远大于水池规范中的20m ～30m［1］。

给水排水工程中水池、泵房等构筑物最大允许裂缝宽度限值为0.2mm［4］，其对裂缝控制要求比一般建筑工程要求高。本文在某40 万t／d净水厂中引入补偿收缩混凝土的设计理念，原方案采用连续式膨胀加强带，先行施工的反冲洗水池和吸水井均在连续式膨胀加强处产生连续竖向内外裂缝，后将连续式膨胀加强带改为间歇式膨胀加强带，池体裂缝得到有效控制。本文可为给水排水工程中水池、泵房等构筑物结构缝布置、设计提供一定参考。

1 工程概况

某净水厂工程，规模40 万t／d，采用天然地基，厂区主要构筑物变形缝和膨胀加强带布置如表1 所示。

表1 变形缝统计Tab.1 Statistics of deformation joint

除配水井及预臭氧接触池、炭吸附池、后臭氧接触池混凝土强度等级为C40、P8，其余均为C30、P6，膨胀加强带处混凝土强度等级比周边提高一个等级，抗渗等级相同。

本工程构筑物（水池、泵房）等主体结构（不包括膨胀加强带处）掺入抗裂硅质防水剂，掺量为胶凝材料总量的5%，渗透高度比不大于40%。膨胀加强带处混凝土掺入Ⅱ型硫铝酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂EA AC ⅡGB／T 23439—2017，掺量为胶凝材料总量的10%。

水泥采用P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，砂采用湖砂，碎石采用江西碎石，塌落度160mm±20mm。混凝土配合比见表2。

表2 混凝土配合比统计Tab.2 Statistics of concrete mix proportion

2 原方案（连续式膨胀加强带）

原方案采用连续式膨胀加强带，即膨胀加强带部位的混凝土与两侧相邻混凝土同时浇筑［3］。

2.1 反冲洗水池裂缝

反冲洗水池平面尺寸为40.40m ×27.95m ×4.15m，横向居中设置一道连续式膨胀加强带，其最大尺寸40.40m 小于补偿收缩混凝土中墙体连续浇筑最大分块长度60m［3］，底板厚度600mm，壁板厚度400mm，顶板厚度300mm，第一道水平施工缝设置在底板顶面以上0.5m，采用天然地基，基础持力层为⑤层粉土夹粉质黏土层，其地基承载力特征值fak＝160kPa。

2023 年4 月25 日开始浇筑底板，蓄水养护，养护时间14d，拆模后，水平施工缝止水钢板以下壁板及底板均未出现裂缝，连续式膨胀加强带在底板中得到较好应用。

2023 年6 月1 日开始浇筑壁板，3d 后松对拉螺杆，池顶喷水花管带模养护，14d 后拆模，土工布覆盖，继续喷水养护。拆模以后，肉眼观察，水池外侧，QB1 产生6 道竖向裂缝，其中连续式膨胀加强带处3 处；QB2 产生5 道竖向裂缝，其中连续式膨胀加强带处2 处。反冲洗水池外侧裂缝统计分布示意如图1 所示。由图1 可知：在连续式膨胀加强带两侧细目钢丝网处均产生竖向裂缝；QB1 壁板在2m 宽膨胀加强带中间也产生一道竖向裂缝；裂缝多集中在长方向壁板膨胀带两侧；短向方向无裂缝。

图1 池体外侧裂缝统计分布示意Fig.1 Statistical distribution of cracks on the outside of the tank

水池内侧QB1 产生3 道竖向裂缝，其中连续式膨胀加强带处2 处；QB2 产生1 道竖向裂缝，其中连续式膨胀加强带处0 处；QB3 产生9 道竖向裂缝，其中连续式膨胀加强带处1 处。反冲洗水池内侧裂缝统计分布示意如图2 所示。由图2可知：内侧仅QB1 和QB3 在连续式膨胀加强带两侧细目钢丝网处产生竖向裂缝；中间隔墙裂缝产生较多；裂缝多集中在长方向壁板膨胀带两侧；短向方向无裂缝。

图2 池体内侧裂缝统计分布示意Fig.2 Statistical distribution of cracks on the inside of the tank

对比图1 和图2 可知，QB1 和QB2 外侧裂缝比内侧裂缝多。若同一竖向截面位置内外均有裂缝，则该处裂缝可能贯穿壁板，共有4 处。

吸水井裂缝发生位置基本上与反冲洗水池吻合，均分布在膨胀加强带附近。连续式膨胀加强带在壁板中未能实现预期期望。

2.2 裂缝产生的原因

上述反冲洗水池和吸水井的裂缝发生在施工过程中，尚未承受较大的外荷载（如外侧水土压力、内侧水压力），因此可以判断这些裂缝的产生原因不是第一类荷载（外荷载），而是归因于第二类荷载即变形荷载（温度、收缩、不均匀沉降）。根据现场池体的沉降观测记录，池体的差异沉降很小，均在规范限值范围内，且在池体施工过程中，周边环境温差变化较小，未出现气温骤降和骤升现象。综合上述分析可知，该池体裂缝的产生原因是混凝土的收缩变形荷载所导致。

混凝土长向收缩大，短向收缩小，故长向易产生裂缝，短向无裂缝。根据上述池体裂缝的分布位置，裂缝基本上均在长向居中处产生，短向无裂缝，进一步表明池体裂缝是由收缩变形荷载引起。

3 改进方案（间歇式膨胀加强带）

《工程结构裂缝控制（第二版）》［5］6.5 节给出了长墙及地基板的温度收缩应力计算公式：

式中各符号物理意义详见文献［5］，根据公式（1）可计算出混凝土的最大拉应力。由公式（1）可知：混凝土的最大拉应力与结构长度L成正比［5］，单块长度越长，计算出来的最大拉应力越大，越容易超过混凝土的抗拉强度，进而开裂产生裂缝，故将整块结构临时划分多块，理论上可减小单块板块的最大拉应力，降低结构开裂的风险。

而间歇式膨胀加强带中，膨胀加强带部位的混凝土与一侧相邻的混凝土同时浇筑，而另一侧是施工缝［3］，其单次浇筑的长度L为连续式的一半，混凝土的最大拉应力较连续式大大降低，结构开裂风险大大降低［5］。

3.1 间歇式膨胀加强带做法

底板、壁板及顶板间歇式膨胀加强带两侧分别设置密孔钢丝网，以防止带外混凝土流入间歇式膨胀加强带。密孔钢丝网网眼尺寸φ5 ～φ10（2 目～4 目）。钢丝网垂直布置在上下层或内外层钢筋之间，并绑扎在钢筋上。施工时先浇筑间歇式膨胀加强带一侧混凝土，再浇筑间歇式膨胀加强带和另一侧混凝土，具体做法见图3。

图3 间歇式膨胀加强做法Fig.3 Construction practices of intermittent expansive strengthening band

膨胀加强带处掺用膨胀剂的混凝土的限制膨胀率：28d 限值膨胀率≥0.040%，Δε ≥0.005%，Δε是混凝土试件在40℃水中养护条件下养护28d的限制膨胀率与养护7d 的限制膨胀率的差值。

3.2 间歇时间

《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ／T 178—2009）虽然明确了膨胀加强带三种做法，但未明确间隙式膨胀加强带的具体间歇时间。根据纪胜敏［6］等人对全国各地不同工程膨胀加强带的间歇时间统计可知：间歇时间大约3d ～7d，其中地上结构为3d，地下结构为7d。

王铁梦［5］对混凝土浇筑后的温度及收缩应变进行监测，结果表明：混凝土浇筑后其温度1d ～3d达到峰值，5d ～7d 后接近环境温度；8h 后早期塑性收缩基本完成；7d ～10d 释放大部分温度收缩效应。

《超长大体积混凝土结构跳仓法技术规程》（T／CECS 640—2019）第6.1.2 条第2 款明确了跳仓法的间隔时间为7d。

综上所述，间歇式膨胀加强施工可看做是跳仓法的一种延伸，结合实例［6］和规范［5，7］，本工程确定后续池体间歇式膨胀加强带的间歇时间为7d。

3.3 实施效果

为了控制后续未浇筑单体水池结构裂缝，选取清水池进行试验性应用，将清水池所有连续型膨胀加强带均改为间歇式膨胀加强带，浇筑拆模后，墙体基本无连续裂缝，表明在本地区、本工程采用间歇式膨胀加强带可进一步减少裂缝的产生。后续其他水池等构筑物亦采用间歇式膨胀加强带，裂缝得到有效控制。

4 结论

1.给水排水工程中的水池、泵房类构筑物采用间歇式膨胀加强带可进一步限制和控制池体裂缝发展。

2.间歇式膨胀加强带间歇时间7d ～10d是合适的，实际施工间歇时间可根据现场实际情况适当微调，但不宜小于7d。