薄壁混凝土构件冻融破坏的原因分析及对策

刘 念 陈晓峰 张 凯

一、简述

宿迁港卓玛河河道两侧防护栏杆总长度6.3km（二岸累计数），于2016年底完成，栏杆的材质及造型依据设计并结合河道景观需要，最终经过综合比选来确定。经过两年多时间的运行，部分栏杆出现了基础混凝土碳化、破损等问题，尤其是在2017年12月至2018年3月期间，气温较低，温度变幅次数较多，处在水位变幅区的部分受损较为明显。经实地勘测，南岸栏杆基础处在水面以上，除部分混凝土表层（长约800m）发生脱落、轻微碳化外，其余基础基本完好。而北岸栏杆基础均处在正常水位下，其混凝土碳化及破损极为严重。

根据现场踏勘，凡是栏杆基础层设在水位变幅区内的，其损坏程度相对集中和明显，且呈连续性损坏，而基础层在水位变幅区以上的栏杆受损程度较轻。

二、破坏受损原因分析

1.受冬季低温天气影响

2017年12月至2018年3月期间，卓玛河河道水位较高，河道北岸约2.5km范围内，水位漫至栏杆腹板以上，当时气温受冷空气及寒流影响，先后经历数次低温，最低时达到-9℃，从而造成该河道处于结冰状态，使混凝土在冰冻、结晶、冻融应力作用下，造成表面开裂脱落。该期间温度统计表见表1。

2.受河道水质污染影响

冬季冻融应力的作用，首先造成较薄混凝土表层的开裂，由微缝到细缝到开裂。加之河道内排入部分工业废水、生活污水，致使河道水质酸性相对较大，并渗透到缝隙中，逐步加快混凝土的碳化，最终加快了表层混凝土脱落和损坏。

3.设计存在缺陷

该河道为排水河道，其汇入的污水对混凝土尤其是薄壁构件产生了一定的影响，设计部门应提出混凝土的具体防腐要求及抗冻标准，栏杆腹板设计较薄且作为下端连接的部位无抗冻要求，这些都加速了混凝土的碳化和破坏，故应在设计时对基础部位连接型式、使用材料抗冻抗腐提出明确要求和措施。南岸河道与北岸地势相差0.5～1m，故应在设计栏杆基础高度上进行必要的调整，如抬高北岸河岸口挡墙的高度，减少水位漫高问题的出现等。因此，为防止类似情况的发生，应根据实际情况优化基础混凝土设计，从而避免薄壁混凝土构件在水位变幅区出现冻融及破坏情况。

三、混凝土冻融破坏机理

1.冻融受损的基本特征分析

表面剥落是混凝土发生冻融破坏的显著特征，首先经过较长时间污水浸泡，碳化程度日益增大，栏杆部分混凝土现状已露出石子，部分构造筋也出现露筋和锈蚀现象。由于构件呈薄壁型，易在空气中碳化，比长期浸泡在污水中的混凝土碳化速度要慢得多，而长期浸泡在污水中的混凝土碳化后形成表面缝隙，当受到多次低温冻融后，混凝土毛细管中的水冻结成冰，体积膨胀，在反复循环的吸水、结冰、膨胀作用下，使混凝土的凝聚力受到破坏，其破坏过程是开裂→疏松→结构破坏→坍塌。

2.影响混凝土抗冻性的条件

混凝土在含水饱和的状态下，经受多次冻融循环而产生表层破坏。同时，多方面力学性能随之减小，影响混凝土抗冻性因素主要为：水泥品质、骨料品质、混凝土密度、强度、孔隙比等。而本次配置的栏杆构件及基础各方面性能都无法满足长期在污水中浸泡，更无法经受多次冻融循环，且混凝土截面愈小，受此影响损害会愈大，因此现场损坏均发生在较薄的腹板基础面上。

3.混凝土冻融破坏机理

在低温季节，栏杆先后数次发生冻融，其冻融发生的应力使污水浸泡的混凝土碳化表层产生的裂纹有扩大趋势。单一次性的冻融不足以使表层裂缝扩大。但当年冬季的气温异常，温度变幅从17℃至-9℃，温差达到26℃，水体结晶产生的膨胀与收缩对混凝土产生了一定的破坏作用。期间8次出现这样冻融循环，导致裂纹不断地扩大。而河道水质呈酸性，也对裂缝扩大起到催化作用。碳化程度的加大，使表层混凝土脱落，导致了混凝土力学性能降低。大量资料表明：随着冻融次数的增加，混凝土力学性能均呈下降趋势，其中反应最为突出的体现在抗拉强度和抗折强度，即随着冻融次数的增加，这些原有力学性能指标呈下降趋势，而又在碳化作用下，混凝土剥落造成其断面逐渐减小，其抗压性能也相应减弱。

表1 2017.12～2018.3宿迁地区气温情况统计表

四、对策和措施

通过对薄壁混凝土构件冻融破坏的分析，对如何减少混凝土产生冻融性破坏，特别是水位变幅区及以下混凝土构建具有十分重要的意义。笔者认为防止混凝土冻融产生的破坏应从以下几个方面加以控制：

1.结构形式上加以改进

设计中尽可能使薄壁混凝土构件布置在水面以上，水下部分采用断面不小于40cm×40cm的混凝土结构连接水上薄壁构件，同时保证基础部位施工时混凝土的入仓温度不低于0℃。

2.注重施工过程质量控制

混凝土水化硬化后多余水分残留在混凝土中，高温蒸发后形成空隙，不仅降低了混凝土的有效强度，更为严冬结冰再次形成冻融破坏埋下伏笔。对此要控制好水灰比，主要从提高混凝土强度和耐久性角度考虑，控制好水灰比、含气量等。此外，还要注重混凝土施工期的养护，防止混凝土由于养护不到位使碳化程度加大或出现表层面龟裂，这也会给冬季冻融破坏提供空间。

3.严格执行混凝土抗冻标准

混凝土薄壁构件和一般性构件都按照《水利工程混凝土耐久性技术规范》（DB32/T 2333-2013）要求进行设计和施工，其抗冻性（抗冻、耐久性指标）应不低于规定值，对厚度不小于150mm的薄壁混凝土构件，在施工中要按设计的抗冻等级（F50-F100）对混凝土配合比及试块做抗冻试验，保证其达到抗冻指标要求。同时，还要加强对构件钢筋保护层的控制，确保钢筋保护层符合相关规范要求，减小对钢筋的侵蚀，保障混凝土整体强度，延长混凝土的使用寿命■