薄壁混凝土構(gòu)件凍融破壞的原因分析及對策

劉 念 陳曉峰 張 凱

一、簡述

宿遷港卓瑪河河道兩側(cè)防護欄桿總長度6.3km（二岸累計數(shù)），于2016年底完成，欄桿的材質(zhì)及造型依據(jù)設計并結(jié)合河道景觀需要，最終經(jīng)過綜合比選來確定。經(jīng)過兩年多時間的運行，部分欄桿出現(xiàn)了基礎(chǔ)混凝土碳化、破損等問題，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)實地勘測，南岸欄桿基礎(chǔ)處在水面以上，除部分混凝土表層（長約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重。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，凡是欄桿基礎(chǔ)層設在水位變幅區(qū)內(nèi)的，其損壞程度相對集中和明顯，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，當時氣溫受冷空氣及寒流影響，先后經(jīng)歷數(shù)次低溫，最低時達到-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、凍融應力作用下，造成表面開裂脫落。該期間溫度統(tǒng)計表見表1。

2.受河道水質(zhì)污染影響

冬季凍融應力的作用，首先造成較薄混凝土表層的開裂，由微縫到細縫到開裂。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.設計存在缺陷

該河道為排水河道，其匯入的污水對混凝土尤其是薄壁構(gòu)件產(chǎn)生了一定的影響，設計部門應提出混凝土的具體防腐要求及抗凍標準，欄桿腹板設計較薄且作為下端連接的部位無抗凍要求，這些都加速了混凝土的碳化和破壞，故應在設計時對基礎(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相差0.5～1m，故應在設計欄桿基礎(chǔ)高度上進行必要的調(diào)整，如抬高北岸河岸口擋墻的高度，減少水位漫高問題的出現(xiàn)等。因此，為防止類似情況的發(fā)生，應根據(jù)實際情況優(yōu)化基礎(chǔ)混凝土設計，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)過較長時間污水浸泡，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，比長期浸泡在污水中的混凝土碳化速度要慢得多，而長期浸泡在污水中的混凝土碳化后形成表面縫隙，當受到多次低溫凍融后，混凝土毛細管中的水凍結(jié)成冰，體積膨脹，在反復循環(huán)的吸水、結(jié)冰、膨脹作用下，使混凝土的凝聚力受到破壞，其破壞過程是開裂→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，多方面力學性能隨之減小，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)各方面性能都無法滿足長期在污水中浸泡，更無法經(jīng)受多次凍融循環(huán)，且混凝土截面愈小，受此影響損害會愈大，因此現(xiàn)場損壞均發(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)生的應力使污水浸泡的混凝土碳化表層產(chǎn)生的裂紋有擴大趨勢。單一次性的凍融不足以使表層裂縫擴大。但當年冬季的氣溫異常，溫度變幅從17℃至-9℃，溫差達到26℃，水體結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹與收縮對混凝土產(chǎn)生了一定的破壞作用。期間8次出現(xiàn)這樣凍融循環(huán)，導致裂紋不斷地擴大。而河道水質(zhì)呈酸性，也對裂縫擴大起到催化作用。碳化程度的加大，使表層混凝土脫落，導致了混凝土力學性能降低。大量資料表明：隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土力學性能均呈下降趨勢，其中反應最為突出的體現(xiàn)在抗拉強度和抗折強度，即隨著凍融次數(shù)的增加，這些原有力學性能指標呈下降趨勢，而又在碳化作用下，混凝土剝落造成其斷面逐漸減小，其抗壓性能也相應減弱。

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

四、對策和措施

通過對薄壁混凝土構(gòu)件凍融破壞的分析，對如何減少混凝土產(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。筆者認為防止混凝土凍融產(chǎn)生的破壞應從以下幾個方面加以控制：

1.結(jié)構(gòu)形式上加以改進

設計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，同時保證基礎(chǔ)部位施工時混凝土的入倉溫度不低于0℃。

2.注重施工過程質(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度，更為嚴冬結(jié)冰再次形成凍融破壞埋下伏筆。對此要控制好水灰比，主要從提高混凝土強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，防止混凝土由于養(yǎng)護不到位使碳化程度加大或出現(xiàn)表層面龜裂，這也會給冬季凍融破壞提供空間。

3.嚴格執(zhí)行混凝土抗凍標準

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）要求進行設計和施工，其抗凍性（抗凍、耐久性指標）應不低于規(guī)定值，對厚度不小于150mm的薄壁混凝土構(gòu)件，在施工中要按設計的抗凍等級（F50-F100）對混凝土配合比及試塊做抗凍試驗，保證其達到抗凍指標要求。同時，還要加強對構(gòu)件鋼筋保護層的控制，確保鋼筋保護層符合相關(guān)規(guī)范要求，減小對鋼筋的侵蝕，保障混凝土整體強度，延長混凝土的使用壽命■