装配式预应力混凝土结构用于生物厌氧发酵罐体的研究

陈文龙

（山西八建集团有限公司，太原 030027）

1 引言

由于农业生产方式的改变和农民生活水平的提高，原先用于肥料和燃料的农业废弃物越来越多。其中，大部分废弃物被当作垃圾丢弃或焚烧排放到自然环境中，造成可利用资源的浪费和对环境的污染[1]。经济的发展对生态环境的破坏日益严峻。

新时代低碳经济背景下，农业经济发展模式的转变向专家学者和环保人士提出了新的课题，必须结合当地农业经济结构和实际现状采取个性化、科学合理的举措，以实现农业GDP 的绿色、环保、可持续发展[2]。基于此理念，本文利用不同类型的秸秆、畜禽粪便等农业废弃物，通过罐体预应力板工厂模块化生产，现场工具化安装，通过无黏结预应力后张技术施工形成厌氧发酵罐体，为秸秆资源和畜禽粪便的循环利用提供技术保障。

2 工程概况

某新能源有限公司2×104Nm3/d 生物天然气及有机肥生态循环利用施工总承包工程。工程建设用地79 483.8 m2，总建筑面积34 325.2 m2（包括道路及广场用地13 683 m2），绿化率4.29%（3 410 m2）。该厂区是由农业农村部拨款，某新能源有限公司投资实施建设的山西省内首个农林资源化利用环保项目。

本项目包括6 个直径32.74 m，高7 m，净容积5 048 m3的装配式预应力混凝土结构罐体。采用德国厌氧发酵技术，现场通过预应力钢绞线后张法安装施工形成发酵罐体。利用玉米秸秆、鸡粪、牛粪等农林废弃物通过发酵罐体进行厌氧发酵、沼气提纯，最终形成生物天然气及有机肥产物进行资源回收利用。

3 技术优势

厌氧发酵罐体装配式预应力混凝土结构的主体为预制预应力混凝土板体（φ9.5 mm 钢绞线先张法施工）。其中，围护板体安装是关键环节。

3.1 整体性强

每一块预应力混凝土弧形板体厚130～165mm、长7000mm、宽1 575 mm。板与板之间安装结束后，由钢绞线通过后张连接成整体。

3.2 密封性好

板与板之间在拼装时，在板的凹面抹专用瑞士西卡SikaTopseal107 防水黏结双组分砂浆（粉剂+液剂）黏结砂浆通过板体之间的相互挤压，保证其密封性。

3.3 施工便易

预制板体通过加工厂生产，一次成型，运输到施工现场后通过吊车吊运组装，无须其他辅助设备。

3.4 抗渗漏性可靠

现浇混凝土结构施工过程中，原材料、现场振捣、混凝土养护等外在条件影响较多，会出现一定的微裂缝，造成使用过程中渗漏水等质量缺陷的产生。因此，采用预制拼装板在加工厂一次成型，并采取蒸汽养护有效避免了现场混凝土浇筑等施工因素的影响。另外，在安装过程中，通过对板体之间竖向接缝与水平接缝的处理，可以有效消除渗漏现象的出现。

3.5 工期短、造价低

预应力混凝土板体运至现场直接进行装配拼接，板面无须进行二次处理，故施工速度快，工期缩短。

4 工艺原理

发酵罐体墙板为预应力混凝土板体，以水泥、石子、中粗砂、钢筋、钢绞线等为主要原料，采用专用模具混凝土浇筑成型，如图1 所示。经10～12 h 蒸汽养护环境制作而成的高性能混凝土墙板，具有强度高，表面无裂缝，板面整洁、光滑等特性。此墙板现场安装方便，使用施工机械数量少，耐腐蚀性能强，绿色环保、集成化高、施工简便、使用寿命长。

图1 张拉板剖面图（质量5.4 t，3 块/ 罐体；单位：mm）

发酵罐体墙板施工采用单块吊装，板与板之间采用瑞士西卡SikaTopseal107 预拌专用防水黏结砂浆进行黏结，于板体横向预留孔道内穿入一道φ15.24 m 钢绞线预张拉紧箍，挤出多余黏结砂浆。每一块墙板安装就位后，采用可调解支撑杆临时固定。待发酵罐墙板安装达整体的1/3 时，可拆除可调解支撑杆以备安装剩余墙板时使用。安装完毕后于板体横向穿入29 道φ15.24 m 钢绞线，间隔7 d，分两次进行张拉，最终形成整体发酵罐体。

5 施工工艺流程及关键技术

5.1 工艺流程

工艺流程：加工厂预制→墙板进场及验收→墙板场内码放→施工放线及验收→装配组装拼接→细节处理，现场施工时需要重点把控装配组装拼接和各部位细节处理环节。

5.2 关键技术

5.2.1 加工厂预制

每个生物厌氧发酵罐体由68 块（65 块标准板和3 块张拉板）预制墙板拼装而成，墙板规格为1 575 mm×（130～165 mm）×7 000 mm，混凝土强度等级为C45。

墙板在生产过程中应重点控制预留洞口位置的准确性和混凝土振捣的密实性，构件出厂前重点核查预应力板的完整性和预留张拉孔道的畅通性。

5.2.2 墙板进场及验收

墙板在运输过程中须固定稳妥，每垛码放高度不超过4块板，板与板之间用100 mm×100 mm 垫木三点支撑且垫木位置摆放准确，如图2 所示。板材运至现场后用25 t 汽车吊进行卸车，由监理工程师组织相关人员对其进行验收。

图2 拼装板码放支点图（单位：mm）

5.2.3 墙板场内码放

把验收合格的预制墙板吊运至指定的发酵罐体基础上，每垛码放高度不超过6 块，每垛板与板之间垫木摆放位置准确（见图2），起吊时采用专用尼龙吊带（规格为100 mm×10 m，每根吊带可承重3 t）捆绑在板材两端约1/4 处。码放按事先制定的拼装顺序分别编号进行摆放，对于张拉板进行单独码放，位置严格按基础上划定的区域摆放。

5.2.4 施工放线及验线

在预制板材拼装前，根据施工图纸在罐体筏板基础上对每块预制标准墙板、张拉板的拼装位置进行标记。放线完成后，选定一基准点，测量每块预制墙板拼装位置的高程偏差并在相应位置做好记录，并通知监理单位，会同业主单位、设计单位进行现场验收。

5.2.5 装配组装拼接

1）安装节点做法

放线及高程偏差测量完成后，按照编号顺序对预制墙板进行吊装，板与板直接采用后张法预应力固定。

2）安装步骤

（1）单块预应力混凝土板体固定：将80 t 汽车吊支设在罐体筏板基础圆心处，起吊前先在墙板纵向凹面处满抹黏结砂浆，吊装到指定位置后，采用可调支撑杆对其进行临时固定。

（2）板体就位调平：人工配合汽车吊将墙板吊至对应位置，用硬质PE 塑料垫块在墙板底部进行高程偏差调整，通过调整支撑杆的伸出长度调整墙板垂直度直至合格。

（3）安装顺序：在罐体筏板指定位置处安装第一块张拉板，然后沿顺时针方向（板体纵向凹面）依次进行，直至安装到第二块张拉板处，按此顺序依次类推，直至预应力混凝土板体封闭成环。

（4）安装后处理：板体安装完成后，首先在板体内横向的29 道预留孔道内穿设钢绞线，然后按照设计张拉顺序进行第一次张拉，张拉达到设计值后，间隔7 d，再次进行二次张拉。二次张拉至设计值后，用专用黏结砂浆（SikaTopseal 107）对预应力混凝土板体间缝隙进行补平，外侧涂刷防水涂料。

（5）切除多余钢绞线，采用专用密封材料封堵张拉孔。

5.2.6 细部处理

1）预应力混凝土板块间缝隙处理

预应力混凝土板安装时，在板体纵向凹面处满涂专用黏结砂浆，砂浆厚度不小于20 mm。第一块张拉板安装就位后，在板内预留孔道内穿入一道φ15.24 m 钢绞线，待第二块预应力混凝土板就位后，将上述钢绞线通过张拉设备进行设计张拉力的10%预紧（初张），使砂浆与板体之间紧密接触。

2）特殊部位防水处理

板体安装完毕后，板体与筏板基础之间的水平缝隙处理尤为重要。首先，将板体下部内侧防水凹槽及筏板基础表面清理干净，保持干燥，涂刷专用胶黏剂，粘贴止水密封条；待罐体的所有预应力板体全部安装完成且二次张拉达到设计值后，在板体根部二次浇筑200 mm 高C35 微膨胀混凝土上翻梁，混凝土浇筑时注意振捣方式，严禁碰撞止水密封条。如图3所示。

图3 板与板之间连接细节（单位：mm）

3）发酵罐体内闭水

在预应力混凝土板安装验收完成后进行闭水试验。发酵罐体内蓄水500 mm 高，蓄水持续时间不得小于24 h。

蓄水后定时检查接缝处有无渗漏现象。发现有渗漏水、渗湿、印水现象的部位作醒目标记，查明渗漏原因，并将检查情况作详细书面记录。

4）拆除斜支撑杆后预留支撑孔洞的处理

发酵罐体预应力混凝土墙板安装完成后，采用专用防水材料对支撑杆预留孔洞进行封堵。

6 结语

采用装配式预应力混凝土结构施工，实现了罐体快速、安全的施工，缩小了壁体截面尺寸，节约了材料，有效避免了大体积混凝土浇筑产生的裂缝等问题，减少了现场施工带来的粉尘污染、噪声污染，减少了劳务力的投入，施工简便易行[3]。另外，构件外观质量、截面尺寸、整体平整度以及混凝土强度均能够达到设计及规范要求，预留孔道和周边混凝土振捣密实性的重点控制，使得整体施工质量得以有效保障[4]。

该项目根据施工图纸，严格控制工艺流程，把控关键环节，注重细部处理，确保施工质量。项目投产后，利用厌氧发酵罐体将农林废弃物进行高效循环利用，每年可消纳10～20 万亩农作物秸秆（1 亩=666.67 m2），处理畜禽养殖废弃物10～15 万t，生产生物天然气1 400 万m3、固体有机肥3 万余吨、液态有机肥1 万余吨、气肥600 万m3。该项目是贯彻落实国家关于围绕资源化利用农林废弃物，开展规模化生物天然气试点，加快生态文明建设，推进农林可持续发展战略部署的具体举措。

该项目是山西省首个生物厌氧发酵天然气及有机肥项目，有效解决了农林废弃物处理带来的资源浪费和环境污染问题，有利于促进地方生态环境改善及农业可持续性发展。该工艺符合国家政策要求，达到国际领先水平，对探索可持续、可复制、可推广的农业废弃物资源化利用有效治理模式具有积极带动作用和广阔的应用前景。