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內蒙古自治區某電廠檢測及鑒定

1、工程概況:本項目為內蒙古某能源有限公司電廠局部補強加固項目,600號建筑是變電站,610號建筑是配電站,均為全現澆單層或多層鋼筋混凝土框架結構,在澆筑二層結構時,部分頂板腳手架坍塌,施工單位撤場,新澆筑的二層頂板及二層梁、柱等混凝土構件,因保溫措施不到位,發生混凝土凍害,及坍塌時引起了部分柱變形。受甲方委托對該建筑物進行檢測及安全鑒定。

2、檢測鑒定原因:二層新澆筑混凝土發生凍害及部分框架柱變形,故進行結構安全檢測鑒定。

3、檢測日期:2011年02月04-23日

4、主要儀器設備:

序號

儀器名稱

規格型號

編號

計量檢定有效期

1

鋼筋位置探測儀

FS-10

LG  0404

2011.07.15

2

激光測距儀

PD  20

LS  1801

2011.07.24

3

J2-JDA激光經緯儀

J2

LA  0101

2011.07.07

4

裂縫測寬儀及測深儀

DJCK-2

038271

2012.05.20

5

鋼直尺

0~300mm

LS  0913

2009.05.08

6

游標卡尺

0~200mm

LS  0505

2009.05.14

7

數碼相機

FX-2

ZX  1006

---------

8

水鉆

 

 

 

 5、檢測內容:

    ①此建筑物的框架梁、柱混凝土強度檢測。
    ②此建筑物鋼筋配置及損傷檢測。
    ③此建筑物的裂縫寬度及深度檢測。
    ④此建筑物的框架柱位移檢測。
    ⑤結構驗算。

5、主要檢測結果:

    ①結構的混凝土強度不符合原設計要求。
    ②該工程梁及柱出現了大量寬度超限的裂縫,及部分通縫。
    ③部分框架梁及框架柱出現了過大的變形。
    ④該工程樓板受損較嚴重,須進行加固處理才能繼續承載。

6、主要鑒定結論:

        我國有關規范規定:當地多年氣溫資料中,室外日平均氣溫連續5天穩定低于5℃時,混凝土工程即進入冬期施工階段,我國北方冬期較長,最長可達4~6個月,因而混凝土在冬期施工發生凍害也是必然現象。根據受凍階段不同,混凝土凍害分為三個階段:新拌混凝土受凍、混凝土的早期凍害、硬化后混凝土凍害。混凝土的早期凍害(也稱混凝土早齡期受凍),是指混凝土在澆筑后立即受凍或經歷了一段預養期后,在養護硬化期間受凍。這種凍害在冬期施工中經常遇到,它主要是由于施工方法選擇不當、施工人員技術水平不高或責任心不強而造成的。混凝土的早期凍害會使混凝土的一系列物理力學性能降低,達不到設計要求,影響工程質量甚至發生嚴重事故。

1、混凝土的凍害機理

        無論是預制混凝土構件,還是現澆混凝土施工,一般事先均采取熱拌或摻加外加劑,或用保溫車運輸拌合料等措施,因此混凝土澆筑后不會突然發生受凍,而總是有一個降溫、水化過程的。混凝土的凍害事故,多為水泥凝結硬化過程(如初凝至終凝或終凝后數小時)中受凍所致。根據低溫施工技術研究所的大量試驗證實,立即受凍的混凝土強度損失為:-5℃(45.6~45%),>-10℃(36.4~39.2%),>-20℃(20.9~21.6%);而預養24小時后受凍的混凝土強度損失,則-5℃(0.5~1.1%),>-10℃(2.4~2.5%),>-20℃(3.4~3.8%)。

        混凝土是一種多孔性材料,它在硬化中和硬化后會形成許多大小、形狀不同的孔隙及相互連通的毛細孔通道。這些孔隙和毛細孔通道充滿自由水,當溫度降低到0℃以下時,混凝土結構構件表面的毛細孔中的自由水開始結冰,體積膨脹,并逐漸向內部發展。由于表面部位的水結冰膨脹,致使內部未凍結的水被封閉并沿毛細孔通道壓向混凝土內部。

        隨著凍結的發展,結冰體積越來越大,致使混凝土內部未凍水的壓力越來越高,當內部壓力增高到超過混凝土的抗拉強度時,就會把毛細孔脹破,產生微裂紋。水在一定壓力下,流入產生裂紋的裂縫中,此時毛細孔中的靜水壓降低,破壞有所緩和。之后,凍結再繼續向深層發展。水壓力再次繼續增大,達到一定程度時,裂紋繼續擴大,同時會伴有新的裂紋產生。如此,裂紋不斷發展、增多,使混凝土由內至外發生破壞。

        對于早齡期的混凝土來說,混凝土的內部孔隙結構已基本形成,但并不十分堅固,所以混凝土的早期受凍對混凝土的破壞尤為厲害。另外,施工水灰比越大,混凝土內部自由水含量就越多,使混凝土受凍害時的破壞程度就越嚴重。

2、混凝土凍害的特征

2.1、混凝土早期受凍的外觀形貌特征

初期受凍的混凝土與質量良好的混凝土外觀形貌對比綜合于下表:

混凝土外觀形貌與特征對比表

混凝土類別

質量良好

初期受凍

外觀

潔凈、光滑、棱角分明

表面起灰、缺棱少角

顏色

呈青灰色

呈土黃、土灰色

密實性

結構密實、敲擊聲清脆、只有粗骨料破碎

結構酥松、敲擊即潰,敲擊聲空啞

物理性質

硬度高、富有韌性

硬度低、酥脆

表面狀況

表面油亮、有光澤

表面有針狀冰花、冰菱

回彈強度

具有相當高的回彈值

回彈值很低

斷面狀況

斷面密實

砂漿與粗骨料結合處有水紋痕

2.2、混凝土早期受凍的殘余變形特征

        混凝土可凍結水愈多,其體積膨脹也愈大。這種膨脹的特點是凍融解后混凝土不能完全恢復原形而殘留部分變形。澆筑后6~8小時內凍結的混凝土,殘余變形為6x10-4,是其收縮值的6倍,往往導致結構內部產生微裂紋。殘余變形是水凍結引起的混凝土內部損傷,是體積變化的綜合表現,因此其大小直接反映了混凝土初期受凍的程度。

2.3、混凝土早期受凍的凍害特征

        冬季施工的混凝土結構受凍破壞后,一般都是等到第二年的氣溫回升到常溫后才進行檢測鑒定處理。運用取蕊法檢測鑒定可觀察到如下四類凍害,特征如下:

一:混凝土表面呈現平行模板的針型冰道以致明顯的冰花狀冰道,發本酥。取蕊觀察凍害深度僅在1厘米以內,內部的混凝土凝結硬化正常,強度無損。該類凍害多發生在初冬施工、防凍措施不力的大截面結構構件上。凍害的嚴重的用手即能將石子扒落。

二:混凝土表面粗糙,無平行模板的針型冰道。但回彈值較高,彈擊時有空鼓感,超聲測試聲速很低,以致丟波不易讀數。取蕊觀察凍害深達3-7厘米,主筋與混凝土脫離,有的蕊樣取出后凍害層就脫落,內部混凝土凝結硬化正常,強度無損失。該類凍害發生在深冬施工、防凍措施不力的大截面結構構件上。在大體積混凝土中,往往表現為層狀破壞。

三:混凝土表面粗糙,無平行模板的平行冰道,敲擊無空鼓感,回彈、超聲測值都低。取蕊觀察凍害較深,凍害由表向里呈臺階型逐漸減輕,但到與正常硬化的界面凍害又加重。該類發生在類似第二類的條件下,冰水共存層向內移位較多,外加劑濃縮含量增加,冰點漸降,冰水共存層階段性向內推移,凍害成臺階型逐漸減弱。

四:混凝土表面粗糙,無針型冰道,敲擊無空鼓感。取蕊觀察表里無明顯差異,但蕊樣強度較正常凝結硬化的混凝土強度低30-50%,該類多發生在深冬施工、防凍措施不力的小截面結構構件上,如雨棚陽臺上。混凝土硬化前已經迅速凍透,水分重新分配、冰晶累積程度減弱。

3、混凝土早期凍害對混凝土性能的影響

3.1、早期受凍對混凝土內部結構的破壞

        混凝土澆筑后,在養護初期遭到凍害,內部會產生許多微裂紋. 這些微裂紋主要分布在已經硬化了的水泥石中,尤其在周邊表層部分分布有較多裂紋,裂紋的形成及尺寸大小與受凍前在常溫下養護的時間長短有關,裂紋尺寸及對應尺寸含量見圖1 

圖1 試件制作后受凍的水泥石中裂紋分布

1 - 試件融化后立即測定的裂紋分布
2 - 試件融化后經6d 后測定的裂紋分布
3 - 試件融化后經28d 后測定的裂紋分布

        從圖1可以看出,混凝土如發生早期受凍,在其內部產生大量5~400μm的微裂紋,即使混凝土融化以后再重新養護28d,微裂紋也無法完全修復,仍殘留大量5~50μm的裂紋。這些裂紋極大地降低了混凝土的一些主要性能。

3.2、早期受凍對混凝土強度與彈性模量的影響

        眾所周知,初期凍害的混凝土由于游離水和大孔水的凍結,體積膨脹9%,混凝土內部產生巨大的凍脹應力,致使混凝土內部結構疏松,孔隙率增大,并產生微裂縫。粗骨料與砂漿界面間形成的冰膜,使兩者間粘結力大為削弱;同時由于低溫、負溫下水泥礦物水化緩慢,水分轉移后水泥就難以在氣溫轉暖后繼續水化,致使混凝土最終強度的損失可達到30~50%,彈性模量損失達12.3~22%。

        混凝土早期受凍以后,其抗壓強度和抗拉強度都有一定損失,并且抗拉強度的損失要大于抗壓強度的損失,表1為混凝土澆筑后立即受凍的抗壓強度損失。

         從表1可以看出,普通混凝土澆筑后,如未經適當養護而早期受凍,其抗壓強度損失很大。溫度不太低時,損失反而更大。不論何種強度等級的普通混凝土,其強度損失最大可達50 %左右。因此,在北方地區的早春、深秋季節,施工時應予特別重視。

3.3、早期受凍對鋼筋與混凝土粘結力的影響

        在常溫下,鋼筋和混凝土能很好的粘結在一起,共同承受力的作用,主要原因是:

① 鋼筋和混凝土有相近的線膨脹系數,二者能夠適應溫度的變化;

② 粗糙的混凝土表面和鋼筋接觸,有很強的嚙合能力,使二者能共同工作。但在負溫下,由于液相水變成了固相的冰,體積膨脹9%,改變了混凝土的線膨脹系數,使得鋼筋和混凝土的線膨脹系數產生較大差異,有可能造成二者的剝離。另外,混凝土內部的水逐漸變成冰,產生的內壓力迫使余下的液相水向孔隙或裂縫處轉移,其中有一部分水滲向了鋼筋與混凝土連結處,隨著凍結的進一步擴展,鋼筋表面的水也結成了冰,因而降低了鋼筋和混凝土的粘結力。待融化季節后,冰即變成水流走或蒸發,在鋼筋和混凝土粘結處留下了大量的空隙和孔隙,大大降低了鋼筋混凝土的強度。

        資料表明,受凍后的鋼筋混凝土強度損失很大,最大損失可達75 %左右,并且,混凝土標號越低,其損失值就越大。

3.4、早期受凍對混凝土抗凍性的影響

        混凝土抗凍性是指混凝土含水時抵抗多次凍融循環作用而不破壞的能力。為了了解混凝土早期受凍對混凝土抗凍性的影響,進行了混凝土抗凍耐久性實驗。本實驗采用兩組同標號的混凝土進行,第一組試件經不同的預養時間后,在冷凍室凍結一晝夜后,再經28d標養,然后進行凍融耐久性實驗;第二組試件經不同的預養時間后,不經標養直接進行凍融耐久性實驗。

        實驗結果表明,第一組試件中,沒有經過預養的試件在經過30 次凍融循環后,表面出現剝落破壞現象,而隨著試件預養時間的延長,其表面出現剝落破壞現象的時間隨凍融循環次數的增加而推遲,說明標養以后,早期凍害發生的越晚,混凝土的抗凍性能就越高;而第二組試件中,沒有經預養的試件在經過15次凍融循環后,表面就出現了剝落破壞現象,說明早期凍害若發生在混凝土未達到最高強度以前,其危害性更大。由此可知,早期受凍對普通混凝土抗凍耐久性影響較大,并且混凝土的強度標號越低,這種影響將越明顯。

4、早期受凍的二重性

        冬期負溫下施工的混凝土,并非必然因受凍而產生損害。因為早期受凍雖有造成凍害的反作用,但又有改善水泥石結構形態的作用和水泥石自愈作用。采取一定措施可以使早期受凍的混凝土強度不受損失,甚至反而有所提高。當然,從簡化施工程序,確保混凝土質量等方面考慮,是希望防止混凝土凍害發生的。

5、關于混凝土實測強度的討論

        冬季施工的混凝土結構受凍破壞后,一般都是等到第二年的氣溫回升到常溫后才進行檢測鑒定處理。而本工程在年前就完成了現場檢測及混凝土取芯的工作,取芯的環境溫度為-9℃,仍處于混凝土的受凍期,在試驗室進行10天標養后,進行受壓試驗,所得芯樣的抗壓強度很低,絕大部分遠遠低于設計值C30,其中柱子由于有模板的保護強度值較高(具體芯樣的抗壓強度見檢測報告)。

        造成這種情況的原因主要有以下兩點:

a、混凝土受早期凍害的影響,強度降低。

b、檢測進行的太早,混凝土還沒有解凍,強度還沒有開始恢復,標養的逐日累計養護溫度沒有達到600℃·d,即試件沒有達到等效養護齡期,當試件達到等效養護齡期時,方可對同條件養護試件進行強度試驗。所謂等效養護齡期,就是逐日累計養護溫度達到600℃.d,且齡期宜取14d~60d。一般情況,溫度取當天的平均溫度。故根據以往經驗推定,該工程混凝土的強度隨著氣溫的升高,混凝土自身的修復作用等條件下,會逐漸升高到原設計強度的80~90%左右,現在大部分芯樣的強度在其原設計強度的70%左右。 

 

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