基于實(shí)例的煤矸石混凝土局部爆裂原因分析

張航，宋開(kāi)偉

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400015）

基于實(shí)例的煤矸石混凝土局部爆裂原因分析

張航，宋開(kāi)偉

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400015）

針對(duì)某房屋樓板混凝土底部產(chǎn)生局部爆裂，且爆裂點(diǎn)出現(xiàn)不明黑色物質(zhì)的現(xiàn)象，該文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的調(diào)查和取樣測(cè)試分析，結(jié)合化學(xué)成分分析、X射線衍射分析、差熱分析等相關(guān)數(shù)據(jù)，分析了產(chǎn)生爆裂的原因。研究表明，溫度、濕度和接觸介質(zhì)變化導(dǎo)致煤矸石、蒙脫石等膨脹、崩解是樓板混凝土底部發(fā)生局部爆裂的原因，骨料中混雜煤矸石對(duì)混凝土外觀、耐久性的潛在危害應(yīng)引起高度重視。

煤矸石；膨脹；局部爆裂；差熱分析

0　引言

隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，混凝土用量日益增大，混凝土中砂、石骨料的不斷消耗與天然骨料資源逐漸匱乏的矛盾加深。骨料在混凝土中占較大比例，其品質(zhì)、組成對(duì)混凝土的強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、長(zhǎng)期耐久性能等影響顯著，關(guān)于現(xiàn)代混凝土骨料的品質(zhì)更多的是關(guān)注強(qiáng)度、級(jí)配及粒形等［1］，對(duì)骨料的來(lái)源、化學(xué)成分、礦物組成等不夠重視。目前，重慶地區(qū)砂石行業(yè)的一些小企業(yè)存在產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊、亂挖亂采等現(xiàn)象，由此帶來(lái)了不少因骨料而產(chǎn)生的混凝土質(zhì)量問(wèn)題，例如骨料混雜煤矸石導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、爆裂等。煤矸石與煤系地層共生，是在煤炭開(kāi)采和洗選過(guò)程中被分離出來(lái)的巖石，其具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特征，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單破碎、篩分即可作為集料配制混凝土，但是由于煤矸石成分較普通石子復(fù)雜，其耐久性是否可靠仍存在爭(zhēng)議［2］。為此，研究煤矸石對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性、耐久性的影響及機(jī)理非常重要。針對(duì)這一問(wèn)題，根據(jù)工程實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、試驗(yàn)、機(jī)理分析等，明確摻有煤矸石混凝土局部爆裂破壞的原因，為避免類似問(wèn)題提供參考。

1　實(shí)例概況

該房屋為住宅用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，板厚100mm，2014年竣工，現(xiàn)已裝修完畢且業(yè)主已入住，在房屋使用過(guò)程中業(yè)主發(fā)現(xiàn)其臥室及客廳樓板板底裝飾層局部爆裂，爆裂點(diǎn)出現(xiàn)不明黑色物質(zhì)。對(duì)該房屋樓板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，情況如下：

（1）爆裂形態(tài)及分布。部分爆裂點(diǎn)表現(xiàn)為裝飾層開(kāi)裂，裂縫形態(tài)呈點(diǎn)放射狀（如圖1所示），部分爆裂點(diǎn)裝飾層已經(jīng)脫落（如圖2所示），總數(shù)量約有10余處，直徑5～15mm，在樓板板底呈隨機(jī)分布，其他部位未見(jiàn)異?，F(xiàn)象。

圖1　裝飾層開(kāi)裂

圖2　裝飾層脫落

（2）將爆裂點(diǎn)處裝飾層局部剔除，發(fā)現(xiàn)爆裂源來(lái)自于混凝土中的骨料，骨料顏色呈深灰色或黑色，邊緣與四周混凝土存在較明顯的輪廓線（如圖3所示），輪廓線較圓滑、完整，未產(chǎn)生尖銳突變和中斷，輪廓線內(nèi)的黑色骨料發(fā)生破裂或部分粉化，但顆粒形狀基本保持完整，顏色呈深棕色或黃色（如圖3所示）。

圖3　黑色骨料輪廓線

（3）將黑色骨料掏出并仔細(xì)清理爆裂部位，發(fā)現(xiàn)輪廓線外的混凝土中無(wú)微裂縫產(chǎn)生，混凝土密實(shí)性良好，采用酚酞溶液測(cè)試，內(nèi)部混凝土堿度正常。

（4）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查完成后，在樓板3個(gè)不同爆裂點(diǎn)處提取了黑色骨料樣品，并在該工程商品混凝土攪拌站提取了骨料樣品，此外，還取得與該批次樓板混凝土相關(guān)的工程資料。

2　樣品測(cè)試分析

將現(xiàn)場(chǎng)取回的黑色骨料樣品，剔除其中混入的砂漿、膩?zhàn)樱ゼ?xì)樣品，并過(guò)80μm篩，烘干后進(jìn)行樣品測(cè)試分析。

2.1化學(xué)成分分析

按照《建材用石灰石化學(xué)分析方法》GB/T5762-2012［3］對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1　現(xiàn)場(chǎng)黑色骨料化學(xué)成分分析結(jié)果（單位：%）

由表1可以看出：該樣品主要是由Si-Al-Fe組成的礦物，氧化鈣含量較低，但燒失量較高，可以判定燒失組分不是由Ca-CO3和MgCO3等可分解礦物產(chǎn)生，而可能來(lái)自于其中的炭份。為了判斷該骨料樣品的礦物類型，同時(shí)選取了使用最為普遍的石灰石碎石、卵碎石進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2　石灰石、卵碎石化學(xué)成分分析結(jié)果（單位：%）

從表1和表2的結(jié)果可以看出，現(xiàn)場(chǎng)所取的黑色骨料樣品在化學(xué)成分上不同于混凝土常用骨料，需要進(jìn)一步分析其礦物成分。

2.2礦物成分分析

2.2.1X射線衍射分析

組成物質(zhì)的各種相都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)（點(diǎn)陣類型、晶胞形狀與大?。?dāng)X射線照射晶態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)，將受到晶體點(diǎn)陣排列的不同原子或分子所衍射，形成對(duì)應(yīng)各相的X射線衍射花樣特征（衍射線位置與強(qiáng)度），因此可以利用X射線衍射試驗(yàn)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行精確的物相定性分析［4］。

將現(xiàn)場(chǎng)取回的黑色骨料樣品，剔除其中混入的砂漿和其他雜質(zhì)，并將其磨細(xì)，在65℃條件下烘干，最后研磨過(guò)80μm篩。采用日本理學(xué)（D/MAX-ⅢC型）X射線衍射儀［5］，Cokα靶，管壓35kV，電流30mA，掃描步長(zhǎng)0.02°，掃描速度8°/min，掃描范圍（2θ）5～70°，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)，XRD圖譜見(jiàn)圖4所示。

圖4　現(xiàn)場(chǎng)樣品XRD圖譜

從圖4的XRD圖譜可以看出，該樣品中包含以下礦物的特征衍射峰：（1）黃鐵礦FeS2（對(duì)應(yīng)圖譜中的F相∶d=0.2708、0.2422、0.1633nm）；（2）鋁土礦（對(duì)應(yīng)圖譜中的A相，即硬水鋁石α-AlOOH∶d=0.231、0.207、0.1634nm）；（3）蒙脫石（對(duì)應(yīng)圖譜中的Mt相∶d=1.50、0.302、0.258、0.150nm）；（4）莫來(lái)石（對(duì)應(yīng)圖譜中的Ml相∶d=0.343、0.269、0.221nm）；（5）石英SiO2（對(duì)應(yīng)圖譜中的S相∶d=0.4255、0.3342、0.2281nm）；（6）石膏CaSO4·2H2O（對(duì)應(yīng)圖譜中的C相∶d=0.7558、0.4265、0.2865nm）；（7）褐鐵礦（對(duì)應(yīng)圖譜中的H相，即水合氧化鐵礦∶d=0.470、0.312、0.250nm）相。

在XRD圖譜中出現(xiàn)的蒙脫石、黃鐵礦、鋁土礦、石英是煤矸石的特征組分，莫來(lái)石是煤渣或粉煤灰的常見(jiàn)組分，而石膏、水銹（褐鐵礦）可能是反應(yīng)產(chǎn)物。

2.2.2差熱分析

差熱分析（DSC-TGA熱重差熱聯(lián)用分析法）是在程序控制溫度下測(cè)量物質(zhì)和參比物之間的溫度差、能量和質(zhì)量變化的一種分析方法，試驗(yàn)原理是利用物質(zhì)在升溫、降溫或恒溫過(guò)程中發(fā)生的物理和化學(xué)變化伴隨著吸熱、放熱、質(zhì)量變化等現(xiàn)象來(lái)判斷試樣的物相組成或了解試樣的熱變化特性［6］。采用美國(guó)TA公司制造的SDT-Q600型同步熱分析儀，升溫范圍（室溫～1000℃），升溫速率5℃/min，對(duì)磨細(xì)烘干后的樣品進(jìn)行差熱試驗(yàn)，樣品DSC-TGA曲線如圖5所示。

從圖5的DSC-TGA曲線可以看出：在50～200℃、250～ 350℃、450～600℃和950～1000℃之間分別出現(xiàn)了明顯的吸熱谷。結(jié)合該樣品的XRD圖譜分析，50～200℃出現(xiàn)的吸熱谷是由吸附水脫水、石膏脫水變成無(wú)水石膏產(chǎn)生；250～350℃出現(xiàn)的吸熱谷是由蒙脫石分階段脫失層間吸附水；450～600℃出現(xiàn)的吸熱谷是由蒙脫石失去結(jié)晶水，晶格遭到破壞，同時(shí)硬水鋁石OH逸出，轉(zhuǎn)化為Al2O3而產(chǎn)生；950～1000℃出現(xiàn)的吸熱谷是蒙脫石剩余羥基脫失，轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)而產(chǎn)生。

該樣品的DSC-TGA曲線進(jìn)一步證實(shí)了現(xiàn)場(chǎng)黑色骨料樣品中存在蒙脫石組分。

2.3黑色骨料判斷

2.3.1分析結(jié)果判斷

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取黑色骨料的化學(xué)成分分析、礦物組分分析（XRD、DSC-TGA分析），該樣品在化學(xué)組成上以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主，主要礦物成分包括黃鐵礦、鋁土礦、蒙脫石、莫來(lái)石、褐鐵礦、石英等。從化學(xué)成分和礦物組分上初步判斷該樣品為煤矸石。

煤矸石是在煤炭形成過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量低、比較堅(jiān)硬的黑色巖石。按化學(xué)成分的差異分為三種形式：炭質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)。三種煤矸石的典型化學(xué)成分見(jiàn)表3所示。

根據(jù)化學(xué)成分判斷，該樣品屬于炭質(zhì)煤矸石。

2.3.2樣品來(lái)源判斷

該樓板澆注于2012年10-11月期間，查閱該樓板澆筑期間商品混凝土攪拌站的混凝土骨料進(jìn)場(chǎng)臺(tái)賬，獲知該批骨料采購(gòu)自重慶巴南區(qū)某建材廠，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該公司采石場(chǎng)局部穿越煤層，所生產(chǎn)的混凝土骨料中混雜少量煤矸石。從實(shí)驗(yàn)室樣品測(cè)試分析和溯源調(diào)查，推斷該房屋樓板中出現(xiàn)的黑色物質(zhì)為混雜在混凝土骨料中的煤矸石。

圖5　現(xiàn)場(chǎng)樣品DSC-TGA曲線

表3　三種煤矸石的典型化學(xué)成分（單位：%）

3　爆裂原因分析

3.1煤矸石的性質(zhì)

從前面的分析可知，該房屋樓板混凝土中存在的黑色骨料為炭質(zhì)煤矸石，煤矸石在大氣中容易風(fēng)化、崩解，這種性質(zhì)是與其礦物組成相關(guān)的，很大程度上是由煤矸石中的蒙脫石引起，蒙脫石是一種顆粒極細(xì)的含水鋁硅酸鹽構(gòu)成的層狀礦物，具有較高的吸水膨脹能力。

3.2煤矸石膨脹、崩解的條件

煤矸石具有較強(qiáng)的吸水性，但其裂隙結(jié)構(gòu)的吸水過(guò)程是緩慢進(jìn)行的，一般會(huì)持續(xù)一至二年，同時(shí)還需具備一定的條件，主要條件有以下兩個(gè)方面：

（1）溫度變化是引起煤矸石風(fēng)化的主要因素，炭質(zhì)煤矸石呈黑褐色，吸熱能力較強(qiáng)，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，煤矸石受熱或冷卻，其內(nèi)部不同礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)力遭到破壞，使煤矸石產(chǎn)生裂縫，同時(shí)煤矸石自身強(qiáng)度較低，不能抵抗裂縫的擴(kuò)展，導(dǎo)致崩解分離成松散的顆粒。

（2）鹽類結(jié)晶。煤矸石中溶于水的鹽類也會(huì)產(chǎn)生一定的破壞作用，特別是蒙脫石具有較強(qiáng)的吸濕性，能從空氣中吸收大量的水分而使體積增大，產(chǎn)生膨脹，也會(huì)造成煤矸石自身的崩解。

也就是說(shuō)煤矸石產(chǎn)生膨脹、崩解是溫度、濕度和接觸介質(zhì)三方面綜合作用的結(jié)果。

3.3工程爆裂原因分析

結(jié)合煤矸石的性質(zhì)、崩解條件和工程實(shí)際情況，分析工程樓板混凝土產(chǎn)生局部爆裂的過(guò)程及原因如下：

（1）在工程樓板澆筑初期，混凝土骨料中混雜部分煤矸石骨料，混凝土中存在大量拌合水，但此階段水主要參與水化反應(yīng)，水泥漿的包裹對(duì)煤矸石與水的接觸起到阻隔作用，所以在混凝土澆筑初期至水泥水化反應(yīng)基本完成的階段，樓板混凝土并沒(méi)有出現(xiàn)因煤矸石崩解造成的爆裂現(xiàn)象。

（2）在水泥水化反應(yīng)基本完成后，混凝土內(nèi)部仍然還存在極少量的自由水，水分經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的滲透后與煤矸石接觸，產(chǎn)生吸水膨脹，但內(nèi)部混凝土足夠的強(qiáng)度對(duì)煤矸石的崩解形成較強(qiáng)的約束，所以內(nèi)部混凝土未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂。

（3）板底表面混凝土直接與大氣接觸，空氣中的水分經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的滲透進(jìn)入表層混凝土以及樓板裝飾裝修材料中的水分，與煤矸石接觸后，具備了促使煤矸石發(fā)生崩解的濕度條件，部分煤矸石開(kāi)始吸水膨脹、崩解，膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力使得強(qiáng)度較低的裝飾層破裂。

（4）據(jù)委托方了解，該樓板在4-6月份產(chǎn)生爆裂的現(xiàn)象較多，這是因?yàn)樵诖似陂g，溫度變化較為劇烈，形成了促使煤矸石發(fā)生崩解的溫度條件。

（5）產(chǎn)生爆裂的數(shù)量、程度和時(shí)間與煤矸石中膨脹性成分的含量、接觸介質(zhì)的狀況有關(guān)，所以現(xiàn)場(chǎng)觀察到的爆裂點(diǎn)呈隨機(jī)分布，且嚴(yán)重程度不一。

（6）煤矸石骨料中硫鐵礦等有色礦物組分的氧化還原反應(yīng)生成水銹（褐鐵礦），使得產(chǎn)生爆裂的煤矸石骨料四周出現(xiàn)黃色或褐色的輪廓線。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，該房屋樓板混凝土底部局部爆裂現(xiàn)象，主要是由于溫度、濕度和接觸介質(zhì)變化導(dǎo)致煤矸石、蒙脫石等膨脹、崩解造成的。針對(duì)這種由于溫、濕度環(huán)境、接觸介質(zhì)變化等綜合作用導(dǎo)致的混凝土破壞現(xiàn)象，只有充分了解其侵蝕機(jī)理，明確其爆裂原因，才能從本質(zhì)出發(fā)主動(dòng)預(yù)防混凝土的開(kāi)裂破壞，保證結(jié)構(gòu)的安全、耐久性能。目前，在重慶地區(qū)許多預(yù)拌混凝土仍然有不少采用混有煤矸石的骨料，在溫濕度不斷變化、長(zhǎng)期受疲勞荷載環(huán)境中使用時(shí)，具有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡快規(guī)范骨料質(zhì)量管理或采取相關(guān)技術(shù)措施預(yù)防類似質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生。

［1］張紅.砂石骨料已成為制約高性能混凝土發(fā)展的瓶頸［J］.混凝土世界，2015，5（71）：42-45.

［2］張長(zhǎng)森.煤矸石資源化綜合利用新技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：12-13.

［3］中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院.GB/T5762-2000建材用石灰石化學(xué)分析方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000：3-11.

［4］楊南如，岳文海.無(wú)機(jī)非金屬材料圖譜手冊(cè)［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2000：1-2.

［5］遼寧儀表研究所.JB/T 9400-2010 X射線衍射儀技術(shù)條件［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：1-2.

［6］公安部天津消防研究所.GB/T13464-2008物質(zhì)熱穩(wěn)定性的熱分析試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：2-3.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

建筑檢測(cè)

回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度的最新規(guī)定

1.回彈儀M彈儀的標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量仍為2.207 J，它在洛氏硬度HRc為60+2的鋼砧上的率定值為80+2不變。規(guī)程規(guī)定可采用數(shù)學(xué)式回彈儀，但其上應(yīng)同時(shí)帶有指針直讀示值系統(tǒng)，數(shù)字顯示的回彈值與指針直讀示值相差不應(yīng)超過(guò)1。

2.檢測(cè)技術(shù)構(gòu)件和測(cè)區(qū)的檢測(cè)數(shù)量?；炷翉?qiáng)度按單個(gè)構(gòu)件或批量進(jìn)行檢測(cè)。單個(gè)構(gòu)件檢測(cè)：測(cè)區(qū)不宜少于10個(gè)，當(dāng)受檢構(gòu)件數(shù)大于30個(gè)，且不需提供單個(gè)構(gòu)件推定強(qiáng)度或受檢構(gòu)件尺寸大于4.5mm時(shí)，每個(gè)構(gòu)件的測(cè)區(qū)可適當(dāng)減少，但不應(yīng)少于5個(gè)。批量檢測(cè)：仍規(guī)定抽檢數(shù)不少于同批構(gòu)件總數(shù)30%，且不宜少于10個(gè)。

強(qiáng)度換算值的修正。當(dāng)檢測(cè)條件與常用條件有較大差異時(shí)（普通混凝土、普通成型工藝、干燥表面、強(qiáng)度不大于60 MPa），可采用同條件立方體試件（尺寸為邊長(zhǎng)150mm、不少于6個(gè)）或在構(gòu)件上鉆取混凝土芯樣（直徑100mm、高徑比為1，不少于6個(gè)）對(duì)測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度值用修正量進(jìn)行修正，芯樣在測(cè)區(qū)內(nèi)鉆取。將試樣或芯樣結(jié)果的平均值與相對(duì)應(yīng)的測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度換算值的平均值之差作為修正量，舊規(guī)程采用測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度換算值乘以修正系數(shù)）。

回彈值測(cè)量。測(cè)量時(shí)回彈儀軸線垂直于混凝土檢測(cè)表面，對(duì)泵送混凝土測(cè)量應(yīng)選在混凝土構(gòu)件的側(cè)面。每一測(cè)區(qū)讀取16個(gè)回彈值。

碳化深度值。碳化深度值與回彈值決定混凝土的強(qiáng)度換算值。測(cè)量方法與舊標(biāo)準(zhǔn)相同，不同之處：可采用1%～2%的酚酞酒精溶液來(lái)處理，用深度測(cè)量?jī)x測(cè)3次，每次讀數(shù)精確到0.25mm，取三次測(cè)量平均值為檢測(cè)結(jié)果，精確到0.5mm。

3.回彈值計(jì)算計(jì)算方法與舊規(guī)程相同，即從該測(cè)區(qū)16個(gè)回彈值中去除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，余下的按算術(shù)平均值計(jì)算測(cè)區(qū)的平均回彈值，精確至0.1。用該平均回彈值可直接查表（規(guī)程附錄A，B）求得混凝土的強(qiáng)度換算值。對(duì)非水平方向檢測(cè)混凝土澆筑側(cè)面或水平方向檢測(cè)混凝土澆筑表面或澆筑底面時(shí)測(cè)區(qū)的平均回彈值應(yīng)加以修正。

4.測(cè)強(qiáng)曲線規(guī)程規(guī)定了通過(guò)試驗(yàn)建立測(cè)強(qiáng)曲線的條件，保留了使用20年的非泵送混凝土的統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線。規(guī)程以大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立泵送混凝土的測(cè)強(qiáng)曲線。

Cause Analysis on Partial Cracking of Gangue Concrete in A

Based on a practical case where partial cracking takes place at concrete floor bottom with unidentified dark material appears at the cracking point，through on-the-spot investigation and sample analysis，and combine with analysis on chemical composition，X-ray diffraction，differential thermal analysis and so forth，the cracking causes are analyzed.The study shows that the alteration of temperature，humidity and contact medium leading to the expansion and disintegration of gangue and montmorillonite is the cause for partial cracking，and the gangue mixed in aggregate has potential hazards to the concrete appearance and durability，which should be given much attention.

gangue；expansion；partial cracking；differential thermal analysi

TU502+.5

A

1671-9107（2016）09-0056-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.09.056

2016-06-07

張航（1985-），男，湖北襄陽(yáng)人，研究生，工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ牧?、工程質(zhì)量檢測(cè)。