某生化池预制钢筋混凝土盖板断裂原因分析

某生化池预制钢筋混凝土盖板断裂原因分析

张航

（重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400015）

摘  要：针对某生化池预制钢筋混凝土盖板产生的疏松、剥落、钢筋外露锈蚀、断裂等质量问题，通过对现场情况的调查和取样测试分析，结合盖板承载力计算和混凝土物相XRD相关数据，分析了侵蚀性环境条件下外力作用致盖板断裂的过程及原因。研究表明，盖板底部混凝土遭受石膏结晶型硫酸盐侵蚀是导致盖板承载力大幅度降低，在人体自重或冲击作用下发生断裂的主要原因，应引起高度重视。

关键词：生化池；混凝土盖板；石膏结晶型硫酸盐侵蚀；XRD

中图分类号：TU502+.5 文献标识码：A

Fracture Cause Analysis on Precast Reinforced Concrete Cover Plate in A Certain Biochemical Pool

Zhang Hang

（Chong qing Construction Science Research Institute, Chong qing 400015,China）

Abstract:Aiming at the quality problem of concrete cover plate loose,spalling,exposed steel corrosion and fracture in a certain biochemical pool,through investigation on the field situation and the analysis of the sampling test,also connected with the results of calculation of bearing capacity of cover plate and XRD of the concrete phase,analyzed

the process and reason of the cracking of cover plate caused by the external force under the condition of aggressive environment.Researches showed that in the bottom of the cover plate, the corrosion of the gypsum crystal with concrete is the main cause of the bearing capacity of the cover plate, and the fracture occurs under the weight of the human body or impact effect,which should be attracted great attention.

Keywords:biochemical pool;concrete cover plate;gypsum crystalline sulfate attack;XRD

0 引言

随着城市化进程的不断推进，各类房建及市政配套基础设施日益增多，使检查井、井盖板的数量急剧增加。检查井盖按原材料主要分为金属和非金属2类，非金属井盖一般采用混凝土内配置钢筋、掺加钢纤维或复合材料等方式制成，金属井盖则采用铸铁或球墨铁制成[1]。预制钢筋混凝土盖板是非金属井盖中最常用的一种，其成本低、重量大、无回收价值不易丢失，可防止因井盖被盗而发生安全事故，因此常取代铸铁井盖用于普通道路、住宅小区和工厂的雨水口、排污沟、污水井和地下管道、通信等检查井。

与金属井盖相比，预制钢筋混凝土盖板承载力低、抗冲击疲劳性差，特别在侵蚀性介质环境或恶劣气候条件下易加速劣化导致承载力大幅下降。近年来，由于设计、施工不当，井盖性能和使用环境不匹配，维修保养不及时等多方面的原因，导致以前使用的混凝土盖板破坏普遍较严重，主要表现为承载力不足，出现了较多的疏松、钢筋外露锈蚀、断裂等破坏现象，这不仅影响正常使用功能，甚至会造成人员伤亡和车辆损坏事故。目前对钢筋混凝土盖板的耐久性能研究尚少，为此，研究钢筋混凝土盖板在侵蚀性坏境中受外力作用断裂的过程及原因非常重要。针对这一问题，根据工程实例，通过试验、计算、机理分析等，明确盖板断裂破坏的原因，为避免类似问题提供参考。

1 实例概况

该生化池位于重庆市忠县某住宅小区内，2012年4月投入使用。该生化池工程设计及施工图纸齐全，生化池预制钢筋混凝土盖板为施工单位外购，盖板混凝土设计强度等级为C20，钢筋采用直径大于12mm的二级钢筋，钢筋保护层厚度为15mm。设计荷载按行人取值，实际使用过程中未改变使用用途，也未发生超载使用情况。

经现场调查发现，井盖板纵向搁置长度约90mm，横向搁置长度约140mm，井盖板跨度约975mm，盖板所处生化池井深约8.5m，水位线位于底部约0.5m，井壁不同标高设有排水孔，生化池所排为生活污水、雨水，水流通畅，未见堵塞，生化池口有明显刺激性气味溢出。盖板表面泄气（水）孔被土、苔藓及垃圾堵塞，部分混凝土盖板产生疏松、剥落、钢筋外露锈蚀甚至断裂等现象，且多集中于底部。发生盖板断裂现象的生化池如图1所示（断裂部分已落入生化池）。

图1 盖板断裂处某生化池                        

2 测试内容

经过现场调查，在生化池的不同部位选取了4块盖板和少量生化池污水。如图2所示，将盖板分别编为1#、2#、3#、4#号，其中1#盖板（发生断裂的盖板）、2#盖板取自同一生化池，3#盖板、4#盖板（无明显外观缺陷的盖板）取自与其相邻的两个生化池。

（1）1#盖板                                （2）2#盖板

（3）3#盖板                                （4）4#盖板

图2 现场提取的样品

将现场取得的样品带回试验室后，按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2015[2]、《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》JGJ/T23-2011[3]及相关标准、规范对1#盖板~4#盖板、生化池污水等进行了试验测试分析。

2.1 截面尺寸及配筋

采用钢卷尺测试了盖板的截面尺寸，利用钢筋位置测试仪结合局部剥开混凝土的方法，对受损较为严重的1#、2#、3#盖板，完好的4#盖板进行了配筋测试。4块盖板的截面尺寸及配筋测试结果见表1所示。

表1 盖板的截面尺寸及配筋测试结果（单位：mm）

由表1可以看出：（1）盖板的实测宽度大于设计值，长度、高度小于设计值；（2）原设计盖板为双筋截面梁型式，而实际配筋为单向板型式配筋，纵向受力筋为5根7mm的冷轧带肋钢筋，实际配筋改变了原设计受力模型。

2.2 混凝土抗压强度

因盖板厚度不足70mm，不能采用钻芯的方法测试混凝土抗压强度。在清除盖板表面覆土、苔藓和垃圾后发现表层混凝土基本保持完好，因此采用坐浆法在平整地面浇筑厚度为40mm的快硬混凝土，然后将盖板置于混凝土层上并使二者紧密结合，待混凝土硬化后，按照JGJ/T23-2011对盖板的表层混凝土抗压强度进行测试（见图3所示）。1~4#盖板表层混凝土回弹法测强度试验结果见表2所示。

图3 盖板混凝土抗压强度测试

表2 盖板表层混凝土强度测试结果（单位：MPa）

由表2可以看出，经由各盖板表层混凝土回弹平均值、均方差计算所得的推定强度均大于20MPa，满足设计强度等级C20的要求。但因1#~3#盖板底部混凝土严重脱落，匀质性极差，此推定强度不能代表整个盖板，仅能代表表层混凝土的强度。

2.3 钢筋锈蚀及力学性能

对4块盖板剔除混凝土，将钢筋取出，采用12%的盐酸溶液对取出的部分钢筋样品进行酸洗，经清水漂净后，再用石灰水中和，最后后经丙酮擦拭后烘干，观察钢筋锈蚀状况，测试剩余有效截面尺寸。对从4#盖板取出的钢筋，经酸洗除锈后另取3根进行力学性能测试，所得结果以平均值表示。钢筋锈蚀及力学性能试验结果见表3所示。

表3 钢筋锈蚀及力学性能测试结果

2.4 生化池污水

现场取回的生化池污水浑浊，有臭味和悬浮物，将其过滤除去沉淀，对其中常见的腐蚀性离子进行测试，试验结果见表4所示。

表4 生化池污水测试结果

3 断裂原因分析

3.1 1#盖板原承载力检算

从现场取回4块盖板的实体检测结果可以看出，部分参数与设计存在差异，需对1#断裂盖板的原承载力进行检算。检算原承载力时，盖板厚度取实测值45mm，保护层厚度取实测值10mm，主筋截面积取38.48mm2（完好盖板φR7钢筋实测值），钢筋强度取完好盖板钢材断裂极限强度平均值595N/mm2，主筋数量5根，混凝土抗压强度24.1MPa。

按照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[4]、《建筑结构荷载规范》GB50009-2012[5]对承载力进行计算。经计算，在完好状态下1#盖板所能承受的断裂弯矩为3.06kN·m，相当于作用于板跨中12.55kN（1255kg）的集中荷载所产生的弯矩。按设计行人荷载考虑，该盖板原承载力能够满足要求。

3.2 1#盖板受损后承载力检算

由于1#盖板在使用过程中，底部混凝土严重脱落，导致钢筋严重锈蚀至断裂，失去抗拉能力，使得盖板的破坏模型由原来的单筋截面梁破坏转化为素混凝土板受力弯拉破坏。检算1#盖板受损后承载力时，盖板厚度取30mm（原厚度扣除已脱落混凝土与疏松层厚度的平均厚度），盖板宽度取410mm（总宽度扣除纵向搁置长度），混凝土弯拉强度取2.0N/mm

2（按C20混凝土弯拉强度取值），钢筋断裂，不考虑钢筋作用。经计算，受损后1#盖板所能承受的断裂弯矩为0.123 kN·m，相当于作用于板跨中0.50 kN（50kg）的集中荷载所产生的弯矩。从检算结果可以看出，受损后1#盖板的承载力大为降低，仅有原承载力的4%。

3.3 盖板断裂原因分析

根据现场调查，1#盖板断裂位置约在0.38倍净跨位置（经测量，断板长边长度平均值为513mm，该端部搁置长度为140mm，板净跨长为975mm）。 经计算，使盖板断裂的集中力约为0.535kN（53.5kg），可以看出，当人体自重和冲击作用对盖板产生的作用力大于53.5kg时，盖板就会断裂。因此，盖板承载力大幅度降低是导致断裂发生的直接原因，而盖板承载力的降低又与钢筋锈蚀、断裂和有效截面减小直接相关，而这些都与混凝土严重脱落，失去对钢筋的保护作用相关。以下将对混凝土产生严重脱落的原因进行分析。

3.3.1 盖板底部混凝土物相分析

取适量4#板和1#板底部混凝土分别作为基准和腐蚀样品，剔除其中混入的骨料、杂质，并将其磨细，在65℃条件下烘干，最后研磨过80μm筛。采用日本理学（D/MAX-ⅢC型）X射线衍射仪，Cokα靶，管压35kV，电流30mA，扫描步长0.02°，扫描速度8°/min，扫描范围（2θ）5～70°，对样品分别进行X射线衍射试验，并参照无机非金属材料图谱手册[6]进行分析，样品XRD图谱见图4和图5所示。

图4 4#盖板样品XRD图谱

从图4可以看出，该样品中包含以下矿物的特征衍射峰：1）羟钙石Ca（OH）2（对应图谱中的CH相：d=0.490、0.2627、0.1925nm）；2）水化硅酸钙Ca2SiO4·0.35H2O（对应图谱中的C2SH相：d=0.335、0.304、0.246nm）；3）方解石CaCO3（对应图谱中的C相：d=0.3859、0.3034、0.2495、0.2285、0.2095、0.1913、0.1875nm）；4）斜方钙沸石CaAl2Si2O8·4H2O（对应图谱中的CA相：d=0.427、0.334、0.319、0.182、0.154nm）；5）石膏CaSO4·2H2O（对应图谱中的CS相：d=0.7558、0.4265、0.3057nm）。其中Ca（OH）2、Ca2SiO4·0.35H2O、CaAl2Si2O8·4H2O（钙铝硅酸盐）等为水泥水化产物。

图5 1#盖板样品XRD图谱

从图5可以看出，该样品中包含以下矿物的特征衍射峰：1）石膏CaSO4·2H2O（对应图谱中的CS相：d=0.7558、0.4265、0.3788、0.3057、0.2865、0.2679、0.2080、0.1898nm）；2）方解石CaCO3（对应图谱中的C相：d=0.3034、0.2495、0.2285）；3）水化硅酸钙Ca2SiO4·0.35H2O（对应图谱中的C2SH相：d=0.335、0.304、0.289、0.267nm）；4）斜方钙沸石CaAl2Si2O8·4H2O（对应图谱中的CA相：d=0.427、0.334、0.319nm）。其中Ca2SiO4·0.35H2O、CaAl2Si2O8·4H2O（钙铝硅酸盐）等为水泥水化产物，CaSO4·2H2O可能是未反应的石膏和腐蚀产物，CaCO3可能是骨料带入的，或者是表层羟钙石碳化产物。与基准样品物相成分相比，腐蚀样品中无Ca（OH）2，水化产物特征峰少，衍射强度低，相反CaSO4·2H2O特征峰显著增加，衍射强度高，石膏组分的增多表明混凝土发生了硫酸盐侵蚀。

3.3.2 盖板底部混凝土脱落原因分析

1#盖板底部混凝土的XRD图谱中存在大量的石膏衍射峰，表明混凝土发生了石膏结晶型侵蚀，混凝土的石膏结晶型侵蚀是硫酸盐侵蚀的一种形式，是硫酸根离子与混凝土中水泥水化产物发生化学反应，生成的化合物产生结晶膨胀，导致混凝土组成和结构发生破坏、强度下降、表面剥落、外观劣化（发白）等。

石膏型硫酸盐侵蚀作用机理为：硫酸根离子渗入混凝土中的水泥石内，与氢氧化钙CH反应，生成二水石膏，根据硫酸根存在形成的不同（阳离子为H+、Na+、Mg2+等），也可能将C-S-H凝胶转变为石膏，化学反应简式见①、②、③所示：

H2SO4+CH+2H=CaSO4·2H2O+2H2O                                                   ①

Na2SO4+CH+2H=CaSO4·2H2O+2NaOH                                                 ②

3MgSO4+3C-S-H+18H=3(CaSO4)·2H2O+3Mg(OH)2 +2SiO2·H2O                           ③

在硬化的水泥石内部生成的二水石膏体积增大1.24倍，使水泥石因内应力过大而破坏。

因此，1#板底混凝土的严重脱落主要是以下3方面共同作用的结果：

1）在①式中，CH参与反应使混凝土碱度降低，导致混凝土中钢筋表面钝化膜遭到破坏，钢筋失去保护产生锈蚀；

2）在①、②式中，C-S-H凝胶参与反应，C-S-H凝胶是混凝土形成强度的骨架，C-S-H凝胶的不断消耗，使得混凝土逐步瓦解、脱落；

3）①、②、③式中生成的石膏使得硬化混凝土体积产生膨胀，进而引起开裂、保护层脱落，大量侵蚀介质进入混凝土内部，导致钢筋发生锈胀而与混凝土失去握裹作用，直至钢筋锈蚀断裂。

3.3.3 侵蚀过程分析

某生化池排放水为生活污水、雨水，经测试分析，污水样品的化学需氧量（COD）为461.67mg/L，SO42-含量为51.04mg/L，污水中存在大量的好氧菌，包括硫化氢还原菌等，这些好氧菌在代谢过程中，将溶解于污水中的硫酸根还原成硫化氢、二氧化碳、有机酸等对混凝土具有腐蚀作用的物质。因1#盖板表面透气（水）孔完全堵塞，硫化氢等溢出后不能排出而被封闭在生化池内，与盖板底部混凝土长期接触发生石膏结晶侵蚀，进而产生膨胀、开裂和脱落。

4 结语

通过以上分析可知，该生化池预制钢筋混凝土盖板产生的疏松、剥落、钢筋外露锈蚀、断裂等质量问题，主要由石膏结晶型硫酸盐侵蚀引起，当侵蚀使混凝土及内部钢筋损伤达到一定程度时，将会导致盖板承载力大幅度降低，在人体自重或冲击作用下发生断裂。针对这种由于外界环境侵蚀和荷载综合作用导致的构件破坏现象，只有充分了解其侵蚀机理，明确其断裂原因，才能从本质出发，主动预防预制钢筋混凝土盖板的腐蚀、断裂，保证行人或车辆的安全。目前，在西部地区许多房屋建筑工程的生化池、检查井井盖板仍然大量采用预制钢筋混凝土盖板，在侵蚀性及长期受疲劳荷载环境中使用时，具有很大的安全风险，应尽快开发新型专用盖板或采取相关技术措施预防事故发生。

参考文献

[1] 杨晓华,张矿生.某主干道上检修井盖断裂破坏理论研究[J].市政技术,2009,2(27):129-133.

[2] 中国建筑科学研究院.GB 50204-2015 混凝土结构工程施工质量验收规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2015.

[3] 陕西省建筑科学研究院.JGJ/T23-2011 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.

[4] 中国建筑科学研究院.GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

[5] 中国建筑科学研究院.GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2012.

[6] 杨南如,岳文海.无机非金属材料图谱手册[M].武汉:武汉工业大学出版社,2000.