污水处理构筑物大体积抗渗水工混凝土配合比研究

污水处理构筑物大体积抗渗水工混凝土配合比研究

刘洪波 ,高宝胜 ,孙阿龙

中铁大桥局第七工程有限公司   430050

摘　要：本文对榆中县新建污水处理厂污水处理构筑物大体积抗渗水工混凝土配合比进行了研究。从混凝土原材料、配合比等方面论述了如何通过材料选择和控制来合理设计混凝土配合比，以保证水工构筑物混凝土质量。讨论了如何保证大体积混凝土的体积稳定性，分析了过量掺加膨胀剂的危害性，并通过合理使用混凝土掺合料，规范使用外加剂等技术手段来达到防止混凝土体积收缩、温差开裂以及使混凝土具备抗渗、可泵送及耐久性等技术要求。

关键词：大体积，抗裂性，耐久性，可泵性。

一、项目概况

榆中县新建污水处理厂工程采用全地埋式建厂模式。工程新建全地下钢筋混凝土箱体1座，箱体地下共两层，箱体总长271米，总宽101米。箱体设计污水日处理能力5万m³/天。本工程主要水工构筑物包括格栅间、曝气沉砂池、初沉池、调节池、生化池、二沉池、高密池、滤池、接触池等；本项目水工构筑物均采用整体平板式筏形基础，单次混凝土浇筑方量最高达3000m³，筏板最厚处达1.2米，为大体积混凝土；设计采用C35P6抗渗混凝土。本工程建筑结构对混凝土抗渗要求高，且涉及污水处理、大体积、泵送、抗冻等方面，对混凝土的耐久性、可泵性、抗裂性等都提出了很高的要求。

二、大体积抗渗水工混凝土原材料的选择

（一）水泥的选用

大体积抗渗水工混凝土应选择水化热值较低的水泥，以防止温度裂缝。水泥的水化热的测定较为复杂，一般也很少做这项试验，因此通过水化热值选择水泥，以现有技术条件难以做到，研究表明水化热是水泥与水进行一系列化学反应时所释放热量的总和，一定龄期水化热值应与同期水化反应的完成情况相对应；而这时水化反应的完成情况又与同期水泥抗压强度对应，通过上述推理可以得出同一时期水泥水化热与抗压强度值存在对应关系。通过考察几种水泥早期抗压强度情况来确定水泥牌号，选择那些早期强度并不突出而后期强度较高的水泥，结合当地实际情况，最终选择了甘肃京兰PO42.5普通硅酸盐水泥。

（二）掺合料的选用

粉煤灰和矿粉作为大体积混凝土掺合料其应用技术及理论已发展得较为完善，应用范围极广，国内外应用于污水工程的范例也不胜枚举。而粉煤灰矿粉双掺混凝土虽然不能产生膨胀但其收缩较普通混凝土大大降低，徐变也只有普通混凝土的一半左右。粉煤灰的火山灰反应生成的水化硅酸钙可以填充其中的孔隙，其微粒填充效应也可改变混凝土微观结构，使之结构密实，因而阻碍其收缩，并且抗渗性能也非常出色。同时掺加粉煤灰矿粉可取代部分水泥，有利于泵送。经过综合比选，本项目最终选择榆中鑫合源生产的Ⅱ级粉煤灰，榆中鸿源生产的S95级矿粉。

（三）合理运用外加剂

混凝土外加剂已成为现代混凝土不可缺少的组成材料。它能够提高混凝土质量、改善混凝土施工性能、加快施工进度、改善施工工艺、降低水灰比、节约水泥用量，获得较好的经济和社会效益。并且使混凝土具有一般混凝土难以达到的性能。因此在国内外混凝土工程中已广泛使用。

项目开工前针对混凝土大体积、抗渗、泵送等若干特性进行了外加剂选择。为了达到减少混凝土内部升温、防止温度裂缝、保持体积稳定性、防止收缩开裂、抗渗等目的，本项目使用的外加剂主要有膨胀剂、引气剂、减水剂、抗裂剂、水化热抑制剂。

（四）镁质抗裂剂、水化热抑制剂的使用

为进一步增加混凝土的抗渗、抗裂及可泵性，本项目在进行混凝土配合比试配时加入了一定比例的镁质抗裂剂和水化热抑制剂，取得了良好的效果，混凝土的抗裂、抗渗及可泵性都有显著的提高。

镁质高性能混凝土抗裂剂是在补偿收缩混凝土的基础上研制的新型外加剂产品。以轻烧氧化镁为主要膨胀源，辅以部分活性掺合料粉磨制备而得。利用氧化镁特有的延迟微膨胀变形性能，补偿混凝土的化学收缩、干燥收缩和温度收缩，使混凝土膨胀速率与混凝土收缩速率相匹配，从而有效防止混凝土开裂渗水，提高混凝土耐久性能。本项目使用的镁质抗裂剂为武汉三源生产的FQY型高性能镁质抗裂剂。

混凝土水化热抑制剂，是针对降低大体积、高强度混凝土内部水化温度而研制的一种新型混凝土外加剂。水化热抑制剂与传统缓凝剂相比最显著的区别在于：缓凝剂对削弱放热速率和温度峰值并无明显作用；水化热抑制剂能大幅缓解水泥水化集中放热程度，降低温峰，显著降低混凝土结构的温度开裂风险。本项目使用的水化热抑制剂为武汉三源生产的HHC-S型水化热抑制剂。

三、膨胀剂与外加剂作用机理

（一）膨胀剂的作用机理

掺入膨胀剂的混凝土在水化过程中，形成了大量体积增大的钙钒石，产生一定的膨胀能，改善了混凝土的孔隙结构，使总孔隙率减少，毛细孔径减小，提高了抗渗性并产生一定的体积膨胀，可以补偿混凝土的收缩。但是目前对于膨胀剂能否安全应用于大体积混凝土，存在两种不同的观点：一种认为可以安全使用；而另一种认为膨胀剂用于大体积混凝土，首先进行钙矾石反应生成高硫型硫铝酸钙产生膨胀，这时混凝土中水泥水化反应正在进行，随着水化反应的进行，混凝土温度不断升高，当混凝土温度升到60 ℃以上或更高80 ℃以上时，原来混凝土中生成的钙矾石会发生分解生成低硫型硫铝酸钙，丧失膨胀作用(一般混凝土升温不会超过60 ℃,钙矾石不会产生分解)。由于膨胀能消失，混凝土开始产生收缩趋势，随着时间的推移水化反应减弱，混凝土不断向外散热,其温度开始下降，当温度下降至60℃以下时，钙矾石已分解的组份又将发生“二次钙矾石反应”重新生成高硫型硫铝酸钙产生第二次膨胀(即延迟钙矾石反应)。由此产生膨胀→收缩→再膨胀的体积变化，混凝土开裂的机会大大增加。考虑到以上原因和使用膨胀剂带来的混凝土含碱量升高(对耐久性的损害)等因素故在大体积抗渗水工混凝土配合比设计时应严格控制膨胀剂的使用，通过使用粉煤灰和有引气性的缓凝高效减水剂以及其它辅助手段来达到要求。

（二）减水剂和引气剂的作用机理

混凝土掺入减水剂后之所以能提高抗渗性且具备防水能力，其原因分析如下：①掺入减水剂后，由于减水剂的分散作用，使水泥颗粒表面形成一层稳定的水膜，借助于水的润滑作用，混凝土的和易性显著增加。因此混凝土掺入减水剂后在满足一定施工和易性的条件下，可降低拌合水用量，从而减少混凝土游离水的数量和水分蒸发后留下的毛细孔体积，提高了混凝土的的密实性；②减水剂溶于水后离散为阴离子和金属阳离子，阴离子吸附于水泥颗粒表面，使之带负电荷而互相排斥，因而使水泥颗粒彼此分离，分布均匀，从而改变了混凝土中孔结构的分布情况，使孔径及总孔隙率显著减小。③缓凝剂可以推迟和降低混凝土放热峰值便于泵送施工。

引气剂会使混凝土拌合物中产生大量微小均匀的气泡，这些微小气泡有以下一些作用：①使拌合物中砂子颗粒之间的接触点大大减少，降低了摩擦力，使混凝土拌合物的和易性显著改善；②起阻隔作用，使沉降阻力相应增加，减少了由于沉降作用引起的混凝土不均匀缺陷、骨料周围粘结不良及沉降孔隙；③在混凝土中产生封闭的气泡，从而降低泌水率，提高了水泥的保水能力，使拌合物的泌水大为减少，有利于提高混凝土的抗渗性；④由于气泡的阻隔使混凝土拌合物中自由水的蒸发路线变得曲折、细小、分散，因而改变了毛细管的数量和特性，减少了混凝土的渗水通路。

四、大体积抗渗水工混凝土的耐久性与可泵性

污水处理构筑物内的污水对混凝土具有一定的侵蚀性，因此混凝土的耐久性是配合比设计中应当考虑的问题。考虑到混凝土的耐久性要求本项目在在选择外加剂时采用了高效减水剂复合引气剂的添加方法。

本项目使用的高效减水剂及引气剂均为甘肃湘星生产，其中高效减水剂为HPCA型聚羧酸盐减水剂，引气剂配套产品。引气剂的引气组份通过引入大量微小气泡使混凝土含气量显著增加，硬化后混凝土的耐久性，特别是抗冻融循环能力将显著提高。其原理是由于混凝土中起约束作用的非结晶水被冻结，会产生很大的膨胀压，使混凝土产生压应力或拉应力。但如拌入适量的空气泡，膨胀压使自由水容易移动，就可防止应力产生，避免组织破坏。

掺入粉煤灰、矿粉可以有效避免混凝土的“碱骨料反应”，使其具有高“耐久性”。引气剂引入的微小气泡会使混凝土与泵送管壁的摩擦力迅速降低，使泵送更加容易。粉煤灰、矿粉掺合料的加入也保证了新拌混凝土的和易性，使混凝土更易泵送，同时也降低了水泥用量和混凝土初期水化热峰值。

五、正确设计缓凝时间，消除“冷缝”

为了方便施工，现场采用混凝土泵送的浇筑方式。现场情况是：浇筑混凝土方量大，泵送时间长，要完成连续浇筑须采取缓凝措施。研究表明混凝土在初凝(新拌混凝土贯入阻力3 .5 MPa)时接缝，混凝土硬化后试件中心开裂；而新拌混凝土贯入阻力小于1 .5 MPa时完成接缝，硬化后试件不会产生中心开裂。根据现场情况，需通过缓凝型外加剂将混凝土初凝时间控制在10小时以上，同时混凝土浇筑时应避开高温时段施工方可实现消除冷缝的要求。

六、配合比的确定及效果

通过以上几方面的综合考虑，经过反复试配最终确定了C35泵送抗渗混凝土配合比，考虑到混凝土中采用了粉煤灰矿粉双掺技术，混凝土强度发展的较为缓慢，试配以60天龄期为强度判定标准。配合比如下：水泥221kg/m³；粉煤灰90kg/m3；矿粉74 kg/m3；砂671kg/m3；碎石1096kg/m3；水168kg/m3；膨胀剂25kg/m3；减水剂8.6kg/m3；引气剂4.1kg/m3；镁质抗裂剂30kg/m3；缓凝剂8.2kg/m3；水化热抑制剂4.1kg/m3。该配合比60 d龄期试配强度达到规范与设计要求，抗渗等级满足>P6的设计要求。

本项目水工构筑物于2021年4月开始浇筑，目前已浇筑完成6万余方，浇筑过程中混凝土工作性能良好，有较好的流动性、粘聚性、保水性，无泌水、无离析现象；易于泵送，过程中未出现堵管、卡泵现象。在混凝土浇筑过程中通过预埋测温传感元件对浇筑后的混凝土实体进行温度监测，经监测混凝土内外最大温差没有超过规范要求，拆模后混凝土外观质量较好，未出现裂缝，混凝土结构实体强度经检测达到设计要求。

参考文献

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