翟光南 （銅陵市建筑工程管理局，安徽 銅陵 244000）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)及城鎮(zhèn)化建設(shè)的大規(guī)模推進(jìn)，我國工程建設(shè)量呈爆炸式增長，高樓大廈如雨后春筍般出現(xiàn)，但建筑結(jié)構(gòu)病害損傷也屢見不鮮，近年來由于部分地區(qū)商品混凝土粗骨料短缺，加之工業(yè)冶金渣過剩，部分商品混凝土中摻入部分工業(yè)冶金渣狀骨料替代普通粗骨料的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，摻有渣狀骨料的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件常常在混凝土硬化后或房屋使用早期表面出現(xiàn)散狀無規(guī)律分布的錐體狀脹裂損傷現(xiàn)象。

脹裂損傷嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在房屋設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)可能影響結(jié)構(gòu)安全，隨著不間斷、無規(guī)律脹裂損傷點(diǎn)的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響房屋正常使用。本文對(duì)某地高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓所出現(xiàn)的混凝土構(gòu)件脹裂損傷進(jìn)行原因分析及安全性評(píng)價(jià)研究，可為同類工程事故的處理提供參考借鑒。

1 工程概況

某地高層住宅樓于2020年初建成并交付使用，大樓地下2層，地上32層，總建筑面積約為18000㎡，主體為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為丙類，當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為7度（分組為第一組），建筑場地類別為III類，抗震墻的抗震等級(jí)為二級(jí)。房屋建成交付使用約三個(gè)月后，局部樓層混凝土構(gòu)件表面出現(xiàn)點(diǎn)狀脹裂損傷，部分居民已入住，已裝修的混凝土構(gòu)件表面脹裂導(dǎo)致裝飾面層起鼓、脫落。

2 現(xiàn)狀損傷調(diào)查與檢測(cè)

結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀損傷的調(diào)查與檢測(cè)主要針對(duì)混凝土構(gòu)件的脹裂、起鼓損傷進(jìn)行調(diào)查、檢測(cè)，對(duì)典型的脹裂點(diǎn)尺寸進(jìn)行檢測(cè)，為相關(guān)試驗(yàn)提供依據(jù)。

損傷調(diào)查與檢測(cè)的范圍包括損傷樓層的戶內(nèi)、公區(qū)及可視范圍內(nèi)的外立面。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、檢測(cè)可知，部分混凝土構(gòu)件表面存在不同程度的點(diǎn)狀脹裂、起鼓損傷，損傷點(diǎn)呈無規(guī)律分散分布，一般脹裂處剝落的混凝土呈錐體形狀塊體，混凝土剝落后在構(gòu)件脹裂點(diǎn)處留下以錐體頂點(diǎn)為中心的輻射狀凹坑，錐體頂點(diǎn)位置存在黑褐色渣狀骨料，該骨料表面呈松散、多孔形態(tài)。

圖1 混凝土構(gòu)件典型脹裂點(diǎn)狀況照片

研究小組對(duì)不同樓層的所有構(gòu)件脹裂點(diǎn)數(shù)量及尺寸進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合混凝土澆筑日期，將損傷程度相近的樓層混凝土劃分為同一檢驗(yàn)批。

現(xiàn)場針對(duì)不同檢驗(yàn)批的混凝土構(gòu)件鉆取大量混凝土芯樣，后續(xù)將針對(duì)不同檢驗(yàn)批樓層開展相關(guān)試驗(yàn)研究及性能評(píng)價(jià)。

3 脹裂原因分析

3.1 X射線衍射分析

現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)巖礦鑒定分析結(jié)果表明，脹裂點(diǎn)中心處的褐色渣狀骨料為引起脹裂的可疑物。針對(duì)現(xiàn)狀損傷程度不同的三個(gè)檢驗(yàn)批，對(duì)其芯樣中分離出的典型渣狀骨料采用X射線衍射儀進(jìn)行物相組成定量分析，分析其礦物組份。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，典型骨料樣品中含有斜硅鈣石、方鈣石、石英、方鐵礦、黑鈣鐵礦。其中含量最多的為斜硅鈣石，部分樣品中的相對(duì)百分比含量為50%左右，其主要成分與水泥中的硅酸二鈣一致；方鈣石、石英、方鐵礦、黑鈣鐵礦含量相近；方鈣石主要成分為氧化鈣。

3.2 波長色散XRF元素分析

根據(jù)X射線衍射分析可知，混凝土芯樣中分離出的渣狀骨料成分與工業(yè)冶金渣的一般組成成分相同。為進(jìn)一步確定該冶金渣的化學(xué)元素組成及其有害物質(zhì)的相對(duì)含量，選取芯樣中的渣狀骨料對(duì)其進(jìn)行波長色散XRF元素分析。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，樣品中含量高的氧 化 物 為 SiO2、CaO、Fe2O3、MnO、Al2O3。

相關(guān)研究成果表明，鋼渣的主要化學(xué)成分與硅酸鹽水泥熟料和高爐礦渣的化學(xué)成分基本相似，鋼渣中氧化物相對(duì)含量因礦石、爐型、冶煉鋼種的不同而不同，主要化學(xué)成分為 CaO、Si02、MgO、Fe203、MnO、A1203和P205等。因此可疑物渣狀骨料與一般鋼渣的組成類似。

3.3 游離氧化鈣含量測(cè)試

相關(guān)研究成果表明，鋼渣中絕大多數(shù)的CaO都參與反應(yīng)生成了硅酸鹽、鋁酸鹽及鐵鋁酸鹽等產(chǎn)物，以化合態(tài)形式存在的CaO不影響鋼渣的體積安定性。但少量CaO以游離態(tài)過燒f-CaO形式存在，這種游離態(tài)過燒f-CaO因過燒及被鋼渣中其他組分包覆，并沒有在混凝土凝結(jié)硬化前消化，而在混凝土凝結(jié)硬化后和水反應(yīng)生成Ca(OH)2后體積膨脹，影響混凝土體積安定性，是導(dǎo)致混凝土表觀出現(xiàn)脹裂損傷的直接原因。

圖2 試驗(yàn)的XRD譜

為分析脹裂損傷原因以及為長期性能評(píng)價(jià)提供必要技術(shù)依據(jù)，選取不同批次芯樣中分離出的渣狀骨料，對(duì)其f-CaO含量進(jìn)行測(cè)定。

試驗(yàn)采用乙二醇-EDTA化學(xué)滴定法測(cè)出鋼渣中氧化鈣總量，根據(jù)氫氧化鈣在高溫下受熱分解成氧化鈣和水，采用熱重分析法通過測(cè)量脫水質(zhì)量計(jì)算出鋼渣中氫氧化鈣含量，二者之差即為鋼渣中f-CaO的含量。

測(cè)試結(jié)果表明，渣狀物骨料中含有f-CaO，其質(zhì)量百分比為小于6%。相關(guān)研究顯示，f-CaO遇水后反應(yīng)生成Ca(OH)2后體積增大。

圖3 f-CaO含量測(cè)試樣品照片

4 長期性能試驗(yàn)

4.1 渣狀骨料含量檢驗(yàn)

選取各檢驗(yàn)批部分芯樣進(jìn)行逐一稱重后破拆，將渣狀骨料與混凝土中常規(guī)粗骨料分離，對(duì)各芯樣中分離出的渣狀骨料進(jìn)行稱重，進(jìn)而計(jì)算各檢驗(yàn)批芯樣渣狀骨料的相對(duì)含量。

統(tǒng)計(jì)分析可知，單個(gè)芯樣中渣狀骨料替代正常骨料的替代率為小于22%。

4.2 游離氧化鈣潛在危害性檢驗(yàn)

渣狀骨料中存在游離氧化鈣，游離氧化鈣遇水反應(yīng)后生成氫氧化鈣發(fā)生體積膨脹可能對(duì)混凝土外觀質(zhì)量造成不良影響。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50344-2019）的相關(guān)規(guī)定，硬化混凝土已經(jīng)出現(xiàn)骨料體積穩(wěn)定性造成的損傷時(shí)，可采取取樣沸煮試驗(yàn)的方法檢測(cè)游離氧化鈣是否具有潛在危害性。研究小組對(duì)各檢驗(yàn)批芯樣進(jìn)行了沸煮試驗(yàn)，確認(rèn)混凝土渣狀骨料的游離氧化鈣是否具有潛在危害性。

根據(jù)GB/T50344的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可判定游離氧化鈣對(duì)混凝土質(zhì)量有潛在危害：

①有兩個(gè)或兩個(gè)以上沸煮試件（包括薄片試件和芯樣試件)出現(xiàn)開裂、疏松或崩潰等現(xiàn)象；

②試件抗壓強(qiáng)度變化率的平均值大于30%；

③僅有一個(gè)薄片試件出現(xiàn)開裂、疏松或崩潰等現(xiàn)象，并有一組試件抗壓強(qiáng)度變化率大于30%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，各批次混凝土渣狀骨料中所含的游離氧化鈣對(duì)混凝土安定性存在潛在危害。

游離氧化鈣含量測(cè)試結(jié)果 表1

典型檢驗(yàn)批游離氧化鈣潛在危害性判定 表2

4.3 膨脹效應(yīng)測(cè)試

相關(guān)研究表明，渣狀骨料沸煮后其f-CaO的降低量即為目標(biāo)使用期內(nèi)可能發(fā)生的反應(yīng)量。研究小組對(duì)不同檢驗(yàn)批的多組渣狀骨料進(jìn)行高溫沸煮后并測(cè)試f-CaO含量，通過沸煮前后含量計(jì)算可得膨脹源膨脹后的混凝土體積增量。

5 長期性能評(píng)價(jià)

采用通用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件（不考慮混凝土構(gòu)件的局部損傷），按照實(shí)測(cè)的f-CaO含量計(jì)算混凝土體積增量。計(jì)算中將混凝土體積增量等效為外部荷載作用于損傷樓層。

圖4 潛在危害性試驗(yàn)前后現(xiàn)狀照片

圖5 某損傷樓層混凝土梁彎矩計(jì)算結(jié)果比對(duì)

計(jì)算分析結(jié)果表明，考慮膨脹效應(yīng)后各樓層的混凝土構(gòu)件的內(nèi)力包絡(luò)無明顯變化（見圖5），承載能力仍能滿足現(xiàn)行國家規(guī)范的相關(guān)要求，即渣狀骨料的膨脹反應(yīng)在房屋目標(biāo)使用期內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)安全無明顯不利影響。但結(jié)構(gòu)整體膨脹效應(yīng)分析中未考慮構(gòu)件存在的現(xiàn)狀損傷，混凝土脹裂持續(xù)發(fā)生將導(dǎo)致截面削弱、耐久性損傷，進(jìn)而對(duì)承載力造成不利影響，故在后續(xù)使用過程中應(yīng)對(duì)脹裂損傷進(jìn)行隨時(shí)修復(fù)。

圖6 大樓三維計(jì)算模型

6 結(jié)語

①混凝土粗骨料中摻入與鋼渣組成類似的冶金渣骨料中含有游離態(tài)過燒氧化鈣，其在混凝土硬化后遇水消化產(chǎn)生體積膨脹是導(dǎo)致混凝土構(gòu)件表面發(fā)生脹裂損傷的根本原因。

②混凝土脹裂損傷的原因可通過對(duì)芯樣破拆后分離出的渣狀骨料進(jìn)行巖礦鑒定、衍射分析、熒光光譜分析、化學(xué)滴定等現(xiàn)狀性能試驗(yàn)確定；也可簡化為對(duì)脹裂損傷產(chǎn)生時(shí)間、癥狀特征、粗骨料來源于運(yùn)輸、脹裂點(diǎn)中心處的骨料顏色、硬度調(diào)查結(jié)合脹裂點(diǎn)中心處的骨料氧化鈣含量化學(xué)分析確定。

③對(duì)于此類工程事故建議對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行長期性能評(píng)價(jià)?？砂凑諏?shí)測(cè)的渣狀骨料含量計(jì)算混凝土體積增量，采用通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件考慮混凝土體積增量產(chǎn)生的整體膨脹效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行計(jì)算。

④渣狀骨料含量較低時(shí)可能對(duì)目標(biāo)使用期內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全無明顯不利影響，但由于游離氧化鈣的存在對(duì)混凝土安定性具有潛在危害，故應(yīng)對(duì)脹裂損傷構(gòu)件進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，避免局部膨脹對(duì)整體安全造成不利影響。