劉 念 陳曉峰 張 凱
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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:
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℃。
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。
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■