内蒙古自治区某电厂检测及鉴定

1、工程概况：本项目为内蒙古某能源有限公司电厂局部补强加固项目，600号建筑是变电站，610号建筑是配电站，均为全现浇单层或多层钢筋混凝土框架结构，在浇筑二层结构时，部分顶板脚手架坍塌，施工单位撤场，新浇筑的二层顶板及二层梁、柱等混凝土构件，因保温措施不到位，发生混凝土冻害，及坍塌时引起了部分柱变形。受甲方委托对该建筑物进行检测及安全鉴定。

2、检测鉴定原因：二层新浇筑混凝土发生冻害及部分框架柱变形，故进行结构安全检测鉴定。

3、检测日期：2011年02月04－23日

4、主要仪器设备：

 5、检测内容：

    ①此建筑物的框架梁、柱混凝土强度检测。
    ②此建筑物钢筋配置及损伤检测。
    ③此建筑物的裂缝宽度及深度检测。
    ④此建筑物的框架柱位移检测。
    ⑤结构验算。

5、主要检测结果：

    ①结构的混凝土强度不符合原设计要求。
    ②该工程梁及柱出现了大量宽度超限的裂缝，及部分通缝。
    ③部分框架梁及框架柱出现了过大的变形。
    ④该工程楼板受损较严重，须进行加固处理才能继续承载。

6、主要鉴定结论：

        我国有关规范规定：当地多年气温资料中，室外日平均气温连续5天稳定低于5℃时,混凝土工程即进入冬期施工阶段，我国北方冬期较长，最长可达4～6个月，因而混凝土在冬期施工发生冻害也是必然现象。根据受冻阶段不同，混凝土冻害分为三个阶段：新拌混凝土受冻、混凝土的早期冻害、硬化后混凝土冻害。混凝土的早期冻害（也称混凝土早龄期受冻），是指混凝土在浇筑后立即受冻或经历了一段预养期后，在养护硬化期间受冻。这种冻害在冬期施工中经常遇到，它主要是由于施工方法选择不当、施工人员技术水平不高或责任心不强而造成的。混凝土的早期冻害会使混凝土的一系列物理力学性能降低，达不到设计要求，影响工程质量甚至发生严重事故。

1、混凝土的冻害机理

        无论是预制混凝土构件，还是现浇混凝土施工，一般事先均采取热拌或掺加外加剂，或用保温车运输拌合料等措施，因此混凝土浇筑后不会突然发生受冻，而总是有一个降温、水化过程的。混凝土的冻害事故，多为水泥凝结硬化过程（如初凝至终凝或终凝后数小时）中受冻所致。根据低温施工技术研究所的大量试验证实，立即受冻的混凝土强度损失为：-5℃（45.6~45％），＞-10℃（36.4~39.2％），＞-20℃（20.9~21.6％）；而预养24小时后受冻的混凝土强度损失，则-5℃（0.5~1.1％），＞-10℃（2.4~2.5％），＞-20℃（3.4~3.8％）。

        混凝土是一种多孔性材料，它在硬化中和硬化后会形成许多大小、形状不同的孔隙及相互连通的毛细孔通道。这些孔隙和毛细孔通道充满自由水，当温度降低到0℃以下时，混凝土结构构件表面的毛细孔中的自由水开始结冰，体积膨胀，并逐渐向内部发展。由于表面部位的水结冰膨胀，致使内部未冻结的水被封闭并沿毛细孔通道压向混凝土内部。

        随着冻结的发展，结冰体积越来越大，致使混凝土内部未冻水的压力越来越高，当内部压力增高到超过混凝土的抗拉强度时，就会把毛细孔胀破，产生微裂纹。水在一定压力下，流入产生裂纹的裂缝中，此时毛细孔中的静水压降低，破坏有所缓和。之后，冻结再继续向深层发展。水压力再次继续增大，达到一定程度时，裂纹继续扩大，同时会伴有新的裂纹产生。如此，裂纹不断发展、增多，使混凝土由内至外发生破坏。

        对于早龄期的混凝土来说，混凝土的内部孔隙结构已基本形成，但并不十分坚固，所以混凝土的早期受冻对混凝土的破坏尤为厉害。另外，施工水灰比越大，混凝土内部自由水含量就越多，使混凝土受冻害时的破坏程度就越严重。

2、混凝土冻害的特征

2.1、混凝土早期受冻的外观形貌特征

初期受冻的混凝土与质量良好的混凝土外观形貌对比综合于下表：

混凝土外观形貌与特征对比表

2.2、混凝土早期受冻的残余变形特征

        混凝土可冻结水愈多，其体积膨胀也愈大。这种膨胀的特点是冻融解后混凝土不能完全恢复原形而残留部分变形。浇筑后6~8小时内冻结的混凝土，残余变形为6x10-4，是其收缩值的6倍，往往导致结构内部产生微裂纹。残余变形是水冻结引起的混凝土内部损伤，是体积变化的综合表现，因此其大小直接反映了混凝土初期受冻的程度。

2.3、混凝土早期受冻的冻害特征

        冬季施工的混凝土结构受冻破坏后，一般都是等到第二年的气温回升到常温后才进行检测鉴定处理。运用取蕊法检测鉴定可观察到如下四类冻害，特征如下：

一：混凝土表面呈现平行模板的针型冰道以致明显的冰花状冰道，发本酥。取蕊观察冻害深度仅在1厘米以内，内部的混凝土凝结硬化正常，强度无损。该类冻害多发生在初冬施工、防冻措施不力的大截面结构构件上。冻害的严重的用手即能将石子扒落。

二：混凝土表面粗糙，无平行模板的针型冰道。但回弹值较高，弹击时有空鼓感，超声测试声速很低，以致丢波不易读数。取蕊观察冻害深达3-7厘米，主筋与混凝土脱离，有的蕊样取出后冻害层就脱落，内部混凝土凝结硬化正常，强度无损失。该类冻害发生在深冬施工、防冻措施不力的大截面结构构件上。在大体积混凝土中，往往表现为层状破坏。

三：混凝土表面粗糙，无平行模板的平行冰道，敲击无空鼓感，回弹、超声测值都低。取蕊观察冻害较深，冻害由表向里呈台阶型逐渐减轻，但到与正常硬化的界面冻害又加重。该类发生在类似第二类的条件下，冰水共存层向内移位较多，外加剂浓缩含量增加，冰点渐降，冰水共存层阶段性向内推移，冻害成台阶型逐渐减弱。

四：混凝土表面粗糙，无针型冰道，敲击无空鼓感。取蕊观察表里无明显差异，但蕊样强度较正常凝结硬化的混凝土强度低30-50％，该类多发生在深冬施工、防冻措施不力的小截面结构构件上，如雨棚阳台上。混凝土硬化前已经迅速冻透，水分重新分配、冰晶累积程度减弱。

3、混凝土早期冻害对混凝土性能的影响

3.1、早期受冻对混凝土内部结构的破坏

        混凝土浇筑后,在养护初期遭到冻害,内部会产生许多微裂纹. 这些微裂纹主要分布在已经硬化了的水泥石中,尤其在周边表层部分分布有较多裂纹,裂纹的形成及尺寸大小与受冻前在常温下养护的时间长短有关,裂纹尺寸及对应尺寸含量见图1 

图1 试件制作后受冻的水泥石中裂纹分布

1 - 试件融化后立即测定的裂纹分布
2 - 试件融化后经6d 后测定的裂纹分布
3 - 试件融化后经28d 后测定的裂纹分布

        从图1可以看出，混凝土如发生早期受冻，在其内部产生大量5～400μm的微裂纹，即使混凝土融化以后再重新养护28d，微裂纹也无法完全修复，仍残留大量5～50μm的裂纹。这些裂纹极大地降低了混凝土的一些主要性能。

3.2、早期受冻对混凝土强度与弹性模量的影响

        众所周知，初期冻害的混凝土由于游离水和大孔水的冻结，体积膨胀9％，混凝土内部产生巨大的冻胀应力，致使混凝土内部结构疏松，孔隙率增大，并产生微裂缝。粗骨料与砂浆界面间形成的冰膜，使两者间粘结力大为削弱；同时由于低温、负温下水泥矿物水化缓慢，水分转移后水泥就难以在气温转暖后继续水化，致使混凝土最终强度的损失可达到30~50％，弹性模量损失达12.3~22％。

        混凝土早期受冻以后，其抗压强度和抗拉强度都有一定损失，并且抗拉强度的损失要大于抗压强度的损失，表1为混凝土浇筑后立即受冻的抗压强度损失。

         从表1可以看出，普通混凝土浇筑后，如未经适当养护而早期受冻，其抗压强度损失很大。温度不太低时，损失反而更大。不论何种强度等级的普通混凝土，其强度损失最大可达50 %左右。因此,在北方地区的早春、深秋季节，施工时应予特别重视。

3.3、早期受冻对钢筋与混凝土粘结力的影响

        在常温下，钢筋和混凝土能很好的粘结在一起，共同承受力的作用，主要原因是：

① 钢筋和混凝土有相近的线膨胀系数，二者能够适应温度的变化；

② 粗糙的混凝土表面和钢筋接触，有很强的啮合能力，使二者能共同工作。但在负温下，由于液相水变成了固相的冰，体积膨胀9%，改变了混凝土的线膨胀系数，使得钢筋和混凝土的线膨胀系数产生较大差异，有可能造成二者的剥离。另外，混凝土内部的水逐渐变成冰，产生的内压力迫使余下的液相水向孔隙或裂缝处转移，其中有一部分水渗向了钢筋与混凝土连结处，随着冻结的进一步扩展，钢筋表面的水也结成了冰，因而降低了钢筋和混凝土的粘结力。待融化季节后，冰即变成水流走或蒸发，在钢筋和混凝土粘结处留下了大量的空隙和孔隙，大大降低了钢筋混凝土的强度。

        资料表明，受冻后的钢筋混凝土强度损失很大，最大损失可达75 %左右，并且，混凝土标号越低，其损失值就越大。

3.4、早期受冻对混凝土抗冻性的影响

        混凝土抗冻性是指混凝土含水时抵抗多次冻融循环作用而不破坏的能力。为了了解混凝土早期受冻对混凝土抗冻性的影响，进行了混凝土抗冻耐久性实验。本实验采用两组同标号的混凝土进行，第一组试件经不同的预养时间后，在冷冻室冻结一昼夜后，再经28d标养，然后进行冻融耐久性实验；第二组试件经不同的预养时间后，不经标养直接进行冻融耐久性实验。

        实验结果表明，第一组试件中，没有经过预养的试件在经过30 次冻融循环后，表面出现剥落破坏现象，而随着试件预养时间的延长，其表面出现剥落破坏现象的时间随冻融循环次数的增加而推迟，说明标养以后，早期冻害发生的越晚，混凝土的抗冻性能就越高；而第二组试件中，没有经预养的试件在经过15次冻融循环后，表面就出现了剥落破坏现象，说明早期冻害若发生在混凝土未达到最高强度以前，其危害性更大。由此可知,早期受冻对普通混凝土抗冻耐久性影响较大，并且混凝土的强度标号越低，这种影响将越明显。

4、早期受冻的二重性

        冬期负温下施工的混凝土，并非必然因受冻而产生损害。因为早期受冻虽有造成冻害的反作用，但又有改善水泥石结构形态的作用和水泥石自愈作用。采取一定措施可以使早期受冻的混凝土强度不受损失，甚至反而有所提高。当然，从简化施工程序，确保混凝土质量等方面考虑，是希望防止混凝土冻害发生的。

5、关于混凝土实测强度的讨论

        冬季施工的混凝土结构受冻破坏后，一般都是等到第二年的气温回升到常温后才进行检测鉴定处理。而本工程在年前就完成了现场检测及混凝土取芯的工作，取芯的环境温度为-9℃，仍处于混凝土的受冻期，在试验室进行10天标养后，进行受压试验，所得芯样的抗压强度很低，绝大部分远远低于设计值C30，其中柱子由于有模板的保护强度值较高（具体芯样的抗压强度见检测报告）。

        造成这种情况的原因主要有以下两点：

a、混凝土受早期冻害的影响，强度降低。

b、检测进行的太早，混凝土还没有解冻，强度还没有开始恢复，标养的逐日累计养护温度没有达到600℃·d，即试件没有达到等效养护龄期，当试件达到等效养护龄期时，方可对同条件养护试件进行强度试验。所谓等效养护龄期，就是逐日累计养护温度达到600℃.d，且龄期宜取14d～60d。一般情况，温度取当天的平均温度。故根据以往经验推定，该工程混凝土的强度随着气温的升高，混凝土自身的修复作用等条件下，会逐渐升高到原设计强度的80~90％左右，现在大部分芯样的强度在其原设计强度的70％左右。