薄壁混凝土構(gòu)件凍融破壞的原因分析及對(duì)策

劉 念 陳曉峰 張 凱

一、簡(jiǎn)述

宿遷港卓瑪河河道兩側(cè)防護(hù)欄桿總長(zhǎng)度6.3km（二岸累計(jì)數(shù)），于2016年底完成，欄桿的材質(zhì)及造型依據(jù)設(shè)計(jì)并結(jié)合河道景觀需要，最終經(jīng)過(guò)綜合比選來(lái)確定。經(jīng)過(guò)兩年多時(shí)間的運(yùn)行，部分欄桿出現(xiàn)了基礎(chǔ)混凝土碳化、破損等問(wèn)題，尤其是在2017年12月至2018年3月期間，氣溫較低，溫度變幅次數(shù)較多，處在水位變幅區(qū)的部分受損較為明顯。經(jīng)實(shí)地勘測(cè)，南岸欄桿基礎(chǔ)處在水面以上，除部分混凝土表層（長(zhǎng)約800m）發(fā)生脫落、輕微碳化外，其余基礎(chǔ)基本完好。而北岸欄桿基礎(chǔ)均處在正常水位下，其混凝土碳化及破損極為嚴(yán)重。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，凡是欄桿基礎(chǔ)層設(shè)在水位變幅區(qū)內(nèi)的，其損壞程度相對(duì)集中和明顯，且呈連續(xù)性損壞，而基礎(chǔ)層在水位變幅區(qū)以上的欄桿受損程度較輕。

二、破壞受損原因分析

1.受冬季低溫天氣影響

2017年12月至2018年3月期間，卓瑪河河道水位較高，河道北岸約2.5km范圍內(nèi)，水位漫至欄桿腹板以上，當(dāng)時(shí)氣溫受冷空氣及寒流影響，先后經(jīng)歷數(shù)次低溫，最低時(shí)達(dá)到-9℃，從而造成該河道處于結(jié)冰狀態(tài)，使混凝土在冰凍、結(jié)晶、凍融應(yīng)力作用下，造成表面開(kāi)裂脫落。該期間溫度統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

2.受河道水質(zhì)污染影響

冬季凍融應(yīng)力的作用，首先造成較薄混凝土表層的開(kāi)裂，由微縫到細(xì)縫到開(kāi)裂。加之河道內(nèi)排入部分工業(yè)廢水、生活污水，致使河道水質(zhì)酸性相對(duì)較大，并滲透到縫隙中，逐步加快混凝土的碳化，最終加快了表層混凝土脫落和損壞。

3.設(shè)計(jì)存在缺陷

該河道為排水河道，其匯入的污水對(duì)混凝土尤其是薄壁構(gòu)件產(chǎn)生了一定的影響，設(shè)計(jì)部門(mén)應(yīng)提出混凝土的具體防腐要求及抗凍標(biāo)準(zhǔn)，欄桿腹板設(shè)計(jì)較薄且作為下端連接的部位無(wú)抗凍要求，這些都加速了混凝土的碳化和破壞，故應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)基礎(chǔ)部位連接型式、使用材料抗凍抗腐提出明確要求和措施。南岸河道與北岸地勢(shì)相差0.5～1m，故應(yīng)在設(shè)計(jì)欄桿基礎(chǔ)高度上進(jìn)行必要的調(diào)整，如抬高北岸河岸口擋墻的高度，減少水位漫高問(wèn)題的出現(xiàn)等。因此，為防止類似情況的發(fā)生，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)，從而避免薄壁混凝土構(gòu)件在水位變幅區(qū)出現(xiàn)凍融及破壞情況。

三、混凝土凍融破壞機(jī)理

1.凍融受損的基本特征分析

表面剝落是混凝土發(fā)生凍融破壞的顯著特征，首先經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間污水浸泡，碳化程度日益增大，欄桿部分混凝土現(xiàn)狀已露出石子，部分構(gòu)造筋也出現(xiàn)露筋和銹蝕現(xiàn)象。由于構(gòu)件呈薄壁型，易在空氣中碳化，比長(zhǎng)期浸泡在污水中的混凝土碳化速度要慢得多，而長(zhǎng)期浸泡在污水中的混凝土碳化后形成表面縫隙，當(dāng)受到多次低溫凍融后，混凝土毛細(xì)管中的水凍結(jié)成冰，體積膨脹，在反復(fù)循環(huán)的吸水、結(jié)冰、膨脹作用下，使混凝土的凝聚力受到破壞，其破壞過(guò)程是開(kāi)裂→疏松→結(jié)構(gòu)破壞→坍塌。

2.影響混凝土抗凍性的條件

混凝土在含水飽和的狀態(tài)下，經(jīng)受多次凍融循環(huán)而產(chǎn)生表層破壞。同時(shí)，多方面力學(xué)性能隨之減小，影響混凝土抗凍性因素主要為：水泥品質(zhì)、骨料品質(zhì)、混凝土密度、強(qiáng)度、孔隙比等。而本次配置的欄桿構(gòu)件及基礎(chǔ)各方面性能都無(wú)法滿足長(zhǎng)期在污水中浸泡，更無(wú)法經(jīng)受多次凍融循環(huán)，且混凝土截面愈小，受此影響損害會(huì)愈大，因此現(xiàn)場(chǎng)損壞均發(fā)生在較薄的腹板基礎(chǔ)面上。

3.混凝土凍融破壞機(jī)理

在低溫季節(jié)，欄桿先后數(shù)次發(fā)生凍融，其凍融發(fā)生的應(yīng)力使污水浸泡的混凝土碳化表層產(chǎn)生的裂紋有擴(kuò)大趨勢(shì)。單一次性的凍融不足以使表層裂縫擴(kuò)大。但當(dāng)年冬季的氣溫異常，溫度變幅從17℃至-9℃，溫差達(dá)到26℃，水體結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹與收縮對(duì)混凝土產(chǎn)生了一定的破壞作用。期間8次出現(xiàn)這樣凍融循環(huán)，導(dǎo)致裂紋不斷地?cái)U(kuò)大。而河道水質(zhì)呈酸性，也對(duì)裂縫擴(kuò)大起到催化作用。碳化程度的加大，使表層混凝土脫落，導(dǎo)致了混凝土力學(xué)性能降低。大量資料表明：隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土力學(xué)性能均呈下降趨勢(shì)，其中反應(yīng)最為突出的體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，即隨著凍融次數(shù)的增加，這些原有力學(xué)性能指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，而又在碳化作用下，混凝土剝落造成其斷面逐漸減小，其抗壓性能也相應(yīng)減弱。

表1 2017.12～2018.3宿遷地區(qū)氣溫情況統(tǒng)計(jì)表

四、對(duì)策和措施

通過(guò)對(duì)薄壁混凝土構(gòu)件凍融破壞的分析，對(duì)如何減少混凝土產(chǎn)生凍融性破壞，特別是水位變幅區(qū)及以下混凝土構(gòu)建具有十分重要的意義。筆者認(rèn)為防止混凝土凍融產(chǎn)生的破壞應(yīng)從以下幾個(gè)方面加以控制：

1.結(jié)構(gòu)形式上加以改進(jìn)

設(shè)計(jì)中盡可能使薄壁混凝土構(gòu)件布置在水面以上，水下部分采用斷面不小于40cm×40cm的混凝土結(jié)構(gòu)連接水上薄壁構(gòu)件，同時(shí)保證基礎(chǔ)部位施工時(shí)混凝土的入倉(cāng)溫度不低于0℃。

2.注重施工過(guò)程質(zhì)量控制

混凝土水化硬化后多余水分殘留在混凝土中，高溫蒸發(fā)后形成空隙，不僅降低了混凝土的有效強(qiáng)度，更為嚴(yán)冬結(jié)冰再次形成凍融破壞埋下伏筆。對(duì)此要控制好水灰比，主要從提高混凝土強(qiáng)度和耐久性角度考慮，控制好水灰比、含氣量等。此外，還要注重混凝土施工期的養(yǎng)護(hù)，防止混凝土由于養(yǎng)護(hù)不到位使碳化程度加大或出現(xiàn)表層面龜裂，這也會(huì)給冬季凍融破壞提供空間。

3.嚴(yán)格執(zhí)行混凝土抗凍標(biāo)準(zhǔn)

混凝土薄壁構(gòu)件和一般性構(gòu)件都按照《水利工程混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》（DB32/T 2333-2013）要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，其抗凍性（抗凍、耐久性指標(biāo)）應(yīng)不低于規(guī)定值，對(duì)厚度不小于150mm的薄壁混凝土構(gòu)件，在施工中要按設(shè)計(jì)的抗凍等級(jí)（F50-F100）對(duì)混凝土配合比及試塊做抗凍試驗(yàn)，保證其達(dá)到抗凍指標(biāo)要求。同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)構(gòu)件鋼筋保護(hù)層的控制，確保鋼筋保護(hù)層符合相關(guān)規(guī)范要求，減小對(duì)鋼筋的侵蝕，保障混凝土整體強(qiáng)度，延長(zhǎng)混凝土的使用壽命■