超限游離氧化鈣混凝土的體積安定性試驗

曾家民，曾琦芳，林煌斌

（1.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門361021；2.華僑大學(xué) 建筑學(xué)院，福建 廈門361021；3.同濟大學(xué) 應(yīng)用力學(xué)研究所，上海200092；4.集美大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，福建 廈門361021）

水泥體積安定性是指水泥在凝結(jié)硬化過程中體積變化的均勻性，即水泥硬化后內(nèi)部不再產(chǎn)生大的體積變化［1］.安定性不良會使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹性裂縫，引起結(jié)構(gòu)損傷，而損傷持續(xù)累積會影響到結(jié)構(gòu)整體安全［2-3］.水泥體積安定性是水泥最主要的技術(shù)指標(biāo).造成水泥體積安定性不合格，主要有以下3點原因：水泥中游離f-CaO過多、游離f-Mg O過多，以及SO3過多.在水泥標(biāo)準(zhǔn)中，f-Mg O和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5%和3.5%，因此，對出廠水泥的安定性檢驗主要針對f-CaO.混凝土體積安定性不合格的破壞性可在混凝土澆筑后1～3 d表現(xiàn)，也可在28 d強度檢驗中發(fā)現(xiàn)異常，最危險的情況是在正常使用條件下，隱藏多年待反應(yīng)條件適合才爆發(fā)，按常規(guī)方法檢驗混凝土強度，較難發(fā)現(xiàn)問題 .混凝土體積安定性檢測一般采用以下3種方法：1）膨脹應(yīng)力法［4-6］；2）定量分析法；3）沸煮法.沸煮法的檢測結(jié)果比較直觀、可靠［7-8］.本文結(jié)合某工業(yè)廠房鑒定項目，分析超限f-CaO水泥體積安定性的試驗方法.

1 結(jié)構(gòu)安定性試驗方案

1.1 工程概況

以福建泉州某現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的六層廠房和七層宿舍樓為工程案例.當(dāng)時因趕工程進(jìn)度，在進(jìn)場水泥復(fù)檢結(jié)果未明確前，將水泥用于廠房第五層梁板和五層柱，以及宿舍樓第六層柱和七層梁板.工程所用原材料為P.O 42.5R水泥、河砂（細(xì)度模數(shù)2.6，泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.2%）、碎石（花崗巖，粒徑20～40 mm）.混凝土強度等級為C20，水泥、河砂、碎石、水的體積質(zhì)量比分別為318，668，1 230，185 kg·m-3，水灰比（W／C）為0.58，坍落度為60 mm.

施工后發(fā)現(xiàn)使用的水泥安定性不合格，因此采用沸煮法進(jìn)行混凝土安定性檢驗 .但對其膨脹性能，特別是對混凝土的破壞能力未能充分反應(yīng)，需要結(jié)合強度檢測等其他方法對比.

1.2 混凝土體積安定性試驗取樣

對使用水泥體積安定性有問題的混凝土結(jié)構(gòu)隨機取芯制樣 .為減小對混凝土結(jié)構(gòu)損傷，芯塊直徑取75 mm，每區(qū)鉆取2組，芯塊兩端面鋸平粗磨后分別作常態(tài)檢驗和沸煮非常態(tài)檢驗，分別進(jìn)行體積變化對比和強度對比.取樣部位和所在軸線，如表1所示.

表1 取樣部位和所在軸線Tab.1 Sampling location and axis

1.3 混凝土體積安定性試驗

1）取各區(qū)鉆取的一組試塊，在其端面畫出十字中心線后用千分表測其長度L0，再進(jìn)行蒸煮.2）試塊置于大鍋，浸水淹沒超50 mm，加溫速度小于20℃·h-1，待水煮沸后持續(xù)3 h；之后讓其降溫，降溫速度應(yīng)小于25℃·h-1，以免降溫速度過快導(dǎo)致混凝土試塊產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；試塊溫度降到室溫后擦干，用千分表測其長度L1，并計算ΔL.3）測定同區(qū)經(jīng)熱處理和未經(jīng)熱處理的混凝土試塊強度，比較其差異.4）對安定性超標(biāo)，批號為052的存量水泥抽樣，檢測SO3和MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并復(fù)檢該水泥的物理力學(xué)性能.5）采用其他合格水泥制成40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試塊，進(jìn)行同條件試驗以作比較.

1.4 混凝土結(jié)構(gòu)取芯后修復(fù)法

混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)取芯后的孔洞必須認(rèn)真修復(fù)，芯孔清理潔凈后，用膨脹混凝土填塞，打擊成型，養(yǎng)護(hù)齡期不少于14 d.膨脹混凝土中P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥、水泥膨脹劑UEA、中砂、碎石（粒徑5～10 mm）的體積質(zhì)量比分別為1.00，0.12，1.50，2.00 kg·m-3.加水量以手捏成團，無明顯水滴為宜.

2 試驗結(jié)果與分析

對安定性超標(biāo)的水泥抽樣，測定其主要化學(xué)成分MgO和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表2所示.表2中：η0為標(biāo)準(zhǔn)值；η1為水泥廠的檢驗結(jié)果；η2為華僑大學(xué)化工學(xué)院的試驗結(jié)果.水泥物理力學(xué)性能復(fù)檢結(jié)果，如表3所示.表3中：fr為抗折強度；fc為抗壓強度；t0，te分別為初凝、終凝時間；細(xì)度F為水泥試樣篩余百分?jǐn)?shù)，采用負(fù)壓篩法測定；ΔL為線變化（雷氏膨脹值），用于表征水泥安定性，采用雷氏法測定.從表2，3可知：復(fù)檢結(jié)果與水泥生產(chǎn)廠檢驗結(jié)果無大差異，MgO和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除Mg O和SO3的影響.

表2 MgO和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass fraction of MgO and SO3

表3 水泥物理力學(xué)性能復(fù)檢試驗Tab.3 Inspection test of cement physical and mechanical properties

混凝土芯樣和P.O 42.5R水泥制成的膠砂試塊經(jīng)同等條件濕熱處理后，其線變化、線變化率和抗壓強度分別如表4，5所示.表4，5中：L0為初始長度；L1為濕熱處理后長度；ΔL為線變化；η為線變化率；d為混凝土芯樣直徑；F為破壞荷載；fr為抗折強度；fc為抗壓強度；水泥試塊的尺寸（長×寬×高）為160 mm×40 mm×40 mm，測線變化時需標(biāo)養(yǎng)3 d.

表4 芯樣濕熱處理后的測試結(jié)果比較Tab.4 Test results of core sample after heat-moisture treatment

表5 P.O 42.5R水泥試塊濕熱處理后的測試結(jié)果比較Tab.5 Test result of P.O 42.5R cement briquette after heat-moisture treatment

2000年4月24日，華僑大學(xué)土木工程檢測中心水泥試驗室再次復(fù)檢，水泥安定性（雷氏法）為3 mm，比2000年3月26日進(jìn)場復(fù)檢的6 mm小.因為2000年2月24日出廠后水泥已再儲存2個月，水泥中f-CaO隨時間趨于穩(wěn)定，對水泥體積安定性的檢驗結(jié)果越有利.3 d和28 d測得的水泥抗折強和抗壓強度均符合標(biāo)準(zhǔn).

從以上試驗結(jié)果可得出：經(jīng)一定的濕熱工藝［9-11］條件處理后，水泥中f-CaO及其他成分已充分反應(yīng).該工程芯樣線變化率在±0.013%之內(nèi)，小于允許變形范圍，強度又未明顯下降.而水泥成型養(yǎng)護(hù)齡期僅3 d，經(jīng)同條件濕熱處理后，其線變化率明顯增大，抗折和抗壓強度顯著降低.圍墻地圈梁混凝土芯樣的線變化率和抗壓強度也沒有發(fā)現(xiàn)異常，與主體結(jié)構(gòu)芯樣檢測結(jié)果類似，由此可推斷地圈梁混凝土和檢測主體的混凝土均未發(fā)現(xiàn)其所用的水泥體積安定性有不良行為.雖然試驗樣本數(shù)有限，未能按數(shù)理統(tǒng)計方法得出規(guī)律性定量結(jié)論，但并不影響該試驗結(jié)果的定性推斷.

3 結(jié)論

1）對所用水泥中MgO和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行復(fù)檢，兩者均符合規(guī)范要求，排除MgO和SO3過多對水泥體積安定性的影響，確定f-CaO超限可能是引起體積安定性為主要因素.對混凝土芯樣經(jīng)過嚴(yán)格的濕熱工藝處理后，芯樣線變化率和抗壓強度均在允許的范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)混凝土質(zhì)量異常.經(jīng)試驗結(jié)果論證，推定該工程不用拆除可繼續(xù)施工的鑒定結(jié)論.

2）該工程建成至今13 a，經(jīng)持續(xù)觀測，未發(fā)現(xiàn)因水泥中f-CaO問題引起的工程質(zhì)量異常.

3）該工程案例表明：水泥體積安定性超限的混凝土工程不一定都要拆除，應(yīng)根據(jù)其超限程度，運用水泥混凝土材料理論，對水泥和混凝土結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行全面的檢測論證.

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