(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400015)

某工程混凝土異常膨脹的調(diào)查與分析

宋開偉，陳國(guó)福，張航

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400015)

該文通過對(duì)某工程混凝土出現(xiàn)的冒氣、膨脹、開裂現(xiàn)象的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合原材料檢測(cè)和XRD分析，揭示了該工程產(chǎn)生異常質(zhì)量問題的機(jī)理和過程，為混凝土生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量控制提供參考。

混凝土；粉煤灰；鋁粉；XRD

0 引言

隨著混凝土配制技術(shù)的進(jìn)步和高強(qiáng)、高耐久性混凝土的普遍采用，以及國(guó)家對(duì)節(jié)能減排、固體廢棄物資源化的技術(shù)和政策支持，摻合料在混凝土中已成為一種不可或缺的重要組分。摻合料在提高混凝土工作性、改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)和體積穩(wěn)定性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但這很大程度上取決于摻合料自身的品質(zhì)。很多工業(yè)固體廢棄物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了建材資源化，但也有些未經(jīng)充分論證和研究便盲目使用，造成較大損失的案例屢見不鮮[1-3]。

重慶地區(qū)特殊的山地城市特征和高溫氣候，使得商品混凝土生產(chǎn)對(duì)粉煤灰具有很大的依賴性。重慶地區(qū)的粉煤灰主要來源于重慶華能珞璜電廠和重慶電廠，近年來，一方面國(guó)家對(duì)火力發(fā)電有所限制，另一方面火力發(fā)電廠逐步采用更為環(huán)保的循環(huán)流化床固硫工藝，導(dǎo)致重慶地區(qū)的粉煤灰供應(yīng)在數(shù)量和質(zhì)量上受到較大影響，現(xiàn)實(shí)的供不應(yīng)求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的滯后，給了很多劣質(zhì)粉煤灰以可趁之機(jī)。

本文通過對(duì)某工程混凝土出現(xiàn)的冒氣、膨脹、開裂等質(zhì)量問題進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)合材料檢驗(yàn)和微觀分析，找出了“隱藏”在混凝土中的冒泡膨脹源——劣質(zhì)粉煤灰中的鋁粉。

1 某工程混凝土冒氣、膨脹現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

某工程在澆筑C30樓板混凝土后，混凝土在初凝至終凝期間，產(chǎn)生以下現(xiàn)象：（1）板面混凝土中不斷有氣體放出（圖1），用打火機(jī)可將其點(diǎn)燃；（2）大量氣體的冒出，使得存在泌水的混凝土呈現(xiàn)“沸騰”狀；（3）冒氣通道在混凝土凝結(jié)硬化后，形成內(nèi)部光滑的外喇叭口型氣孔（圖2），在樓板表面較均勻分布；（4）混凝土硬化后，體積明顯膨脹（圖3）。

圖1 冒氣

圖2 氣孔

圖3 體積膨脹

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 原材料檢驗(yàn)

對(duì)該樓板混凝土所用同批次原材料進(jìn)行了檢驗(yàn)，主要針對(duì)各種原材料中可能引起混凝土膨脹或安定性不良的組分，如SO3、f-CaO、燒失量、安定性、MgO、堿含量、含氣量和釋放氨等。

經(jīng)檢驗(yàn)，該工程樓板混凝土所用水泥、外加劑、粗細(xì)骨料、拌合水均合格，但粉煤灰的細(xì)度、燒失量、f-CaO、SO3和安定性均不合格，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 粉煤灰檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 體積膨脹

圖5 金屬小顆粒

表2 粉煤灰化學(xué)分析結(jié)果

在采用雷氏夾測(cè)定粉煤灰的安定性時(shí)，發(fā)現(xiàn)安定性試件在沸煮后產(chǎn)生明顯體積膨脹，見圖4。同時(shí)在測(cè)定粉煤灰細(xì)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)篩余物中存在大量帶有金屬光澤的微小顆粒，見圖5。

根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果，首先可以判斷，造成混凝土產(chǎn)生異?，F(xiàn)象的膨脹源存在于粉煤灰中，其次，由于混凝土在膨脹過程中伴隨著氣體放出，表明這種膨脹明顯有別于鈣礬石膨脹和游離氧化鈣膨脹，需要對(duì)粉煤灰進(jìn)行深入分析。

2.2 粉煤灰化學(xué)成分分析

對(duì)粉煤灰樣品進(jìn)行了化學(xué)分析，結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，該粉煤灰與常規(guī)粉煤灰在氧化物種類上是相同的，但各組分含量特別是三氧化二鋁含量存在較大差異。

2.3 粉煤灰XRD分析

對(duì)該粉煤灰樣品進(jìn)行X射線衍射分析，XRD圖譜見圖6。圖中除二氧化硅（SiO2）、三氧化二鐵（Fe2O3）、三氧化二鋁（Al2O3）、硫酸鈣（CaSO4）晶體衍射峰外，在2.3388A、2.0265A、1.4321A和1.2216A還出現(xiàn)了單質(zhì)鋁衍射特征峰。

從粉煤灰樣品的XRD衍射可以判斷，存在于粉煤灰中帶金屬光澤的微小顆粒為單質(zhì)鋁。

3 分析與討論

3.1 機(jī)理分析

圖6 XRD圖譜

金屬鋁粉正是早期混凝土行業(yè)中，用作混凝土膨脹劑膨脹源的一種比較常用的物質(zhì)，但鋁粉作膨脹源在膨脹時(shí)機(jī)和膨脹量上具有很大的不可控性，且對(duì)強(qiáng)度影響較大，已被明令禁止用于生產(chǎn)混凝土膨脹劑。

鋁是一種化學(xué)性質(zhì)活潑的兩性金屬，在一定條件下能與強(qiáng)堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣并放出熱量，化學(xué)反應(yīng)方程式見①式：

反應(yīng)①實(shí)質(zhì)上是一個(gè)分步反應(yīng)，鋁先與水反應(yīng)（②式），生成氫氧化鋁，且溫度越高反應(yīng)越快；在強(qiáng)堿環(huán)境中，Al（OH）3和OH-反應(yīng)生成偏鋁酸鹽和水（③式）。

從上可以看出，影響Al與水反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素是溫度和強(qiáng)堿性環(huán)境，所以該反應(yīng)的發(fā)生應(yīng)具備三個(gè)條件：一定的溫度；強(qiáng)堿環(huán)境；有單質(zhì)鋁參與。

①式中生成的氫氣是一種可燃的氣體，密度為0.0899g/L，約為空氣的1/14，其擴(kuò)散性和導(dǎo)熱能力為空氣的7倍。根據(jù)溫度的不同，1g鋁完全反應(yīng)后放出的氫氣1.24L～1.44L，如此多量的氫氣如果被密封在混凝土內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，在混凝土強(qiáng)度尤其是抗拉強(qiáng)度很低的早期階段，這種應(yīng)力足以讓混凝土產(chǎn)生膨脹和開裂。

3.2 混凝土冒氣膨脹過程分析

從前述分析可知，導(dǎo)致該工程樓板混凝土產(chǎn)生冒泡膨脹的源頭是混雜在粉煤灰中的金屬鋁粉，結(jié)合其膨脹機(jī)理，對(duì)其產(chǎn)生的異常情況分析如下：

（1）在混凝土拌合、運(yùn)輸及澆筑初期，水泥水化反應(yīng)處于誘導(dǎo)期，放熱速率小，堿度低，粉煤灰中金屬鋁表面存在的氧化物尚未完全溶解，金屬鋁與水反應(yīng)較為緩慢，冒泡現(xiàn)象不明顯。

（2）在混凝土凝結(jié)和早期硬化階段為水泥水化加速期，強(qiáng)堿性環(huán)境（pH值10～12）逐漸形成，水化熱逐漸升高，此時(shí)三個(gè)條件同時(shí)具備，反應(yīng)開始發(fā)生。

（3）單質(zhì)鋁與強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)，生成可燃性的氫氣并放出熱量，由于該反應(yīng)有水參與，要消耗掉混凝土中的游離水，混凝土表現(xiàn)出坍落度損失較快；同時(shí)擴(kuò)散性極強(qiáng)的氫氣溢出至混凝土表面后，從混凝土表面泌水、養(yǎng)護(hù)水或浮漿中冒出，呈現(xiàn)出“沸騰狀”。

（4）在混凝土尚未完全失去塑性的初凝至終凝階段，混凝土強(qiáng)度特別是抗拉強(qiáng)度很低，封閉在混凝土內(nèi)部的大量氫氣產(chǎn)生較大的應(yīng)力，使混凝土體積產(chǎn)生膨脹甚至開裂，氫氣溢出后混凝土內(nèi)部原先被氫氣占據(jù)的空間形成氣孔，表面混凝土形成向外的喇叭口形氣孔。

4 結(jié)論

通過對(duì)該工程樓板混凝土所用原材料進(jìn)行深入分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得出混凝土發(fā)生冒氣、膨脹的原因是粉煤灰中的鋁粉所致。

摻合料是商品混凝土實(shí)現(xiàn)高性能、高耐久性的技術(shù)措施和必要條件之一，但這很大程度上取決于摻合料的品質(zhì)，劣質(zhì)的摻合料往往適得其反。在重慶地區(qū)摻合料特別是優(yōu)質(zhì)粉煤灰供不應(yīng)求的現(xiàn)實(shí)條件下，如何兼顧生產(chǎn)和質(zhì)量是每個(gè)從業(yè)者必須認(rèn)真思考的問題。此外，開發(fā)出一種新型的混凝土摻合料，作為粉煤灰的替代品也是迫在眉睫的。

[1]陳碧宗.淺析高鐵混凝土施工中冒泡現(xiàn)象[J].福建建材，2011，2.

[2]吳丹虹.問題粉煤灰引起混凝土異常現(xiàn)象的原因分析[J].粉煤灰，2009，3.

[3]黃象杭，葉青.一起由粉煤灰引起的混凝土冒泡事故分析[J].浙江建筑，2007，10.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Study and Analysis on Abnormal Concrete Expansion in A project

Based on on-the-spot survey of concrete steaming,expansion and crazing in a project,and combined with material inspection and analysis on XRD,the mechanism and process of these quality problems are presented for reference.

concrete;coal ash;aluminite powder;XRD

TU528.41

A

1671-9107（2014）07-0046-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.046

2014-04-02

宋開偉（1973-），男，四川南部人，研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻ㄖ牧霞肮腆w廢棄物建材資源化。