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        薄壁混凝土構(gòu)件凍融破壞的原因分析及對(duì)策

        2019-08-20 03:46:46陳曉峰
        治淮 2019年8期
        關(guān)鍵詞:變幅抗凍欄桿

        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)過綜合比選來確定。經(jīng)過兩年多時(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,造成表面開裂脫落。該期間溫度統(tǒng)計(jì)表見表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裂,由微縫到細(xì)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(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(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)各方面性能都無法滿足長(zhǎng)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(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(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■

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