某工程混凝土爆裂鑒定分析與處理

孫增斌, 樊麗麗, 馬 萍, 李 瑩, 李 濤

(1 山東建筑大學工程鑒定加固研究院有限公司，濟南 250013；2 齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，濟南 250300；3 山東建固特種專業(yè)工程有限公司，濟南 250013；4 無棣縣建筑設計院，濱州 251900)

0 引言

近年來,隨著我國經濟快速穩(wěn)定發(fā)展,加上嚴格限制混凝土原材料中的粗細骨料的開采,導致工程建設量增長速度與建筑材料短缺的矛盾日益凸顯[1]。為響應環(huán)保要求并提高工業(yè)廢料利用率,學者們發(fā)現(xiàn)將工業(yè)廢料等作為骨料摻入商品混凝土內可以達到更高的強度。但是隨著使用時間的增加,混凝土在碳化過程中,部分骨料被氧化而體積膨脹;有的水泥或骨料內夾雜的生石灰遇水后也會熟化膨脹[2-5],導致商品混凝土爆裂現(xiàn)象頻發(fā)[6-8]?；炷林杏泻Τ煞趾康牟煌瑢Y構安全的影響不同。由于混凝土爆裂發(fā)展周期較長,不易察覺,為工程質量安全敲響了警鐘。

現(xiàn)行《混凝土結構現(xiàn)場檢測技術標準》(GB/T 50784—2013)[9]中明確規(guī)定了混凝土結構采用了安定性不良的水泥,或混凝土外觀發(fā)現(xiàn)可能存在f-CaO時,可以通過對混凝土取樣沸煮后的強度變化和爆裂發(fā)展情況來判定f-CaO對混凝土質量的危害程度。而如何準確判定CaO的存在,并無明確檢測方法,對于有質量糾紛的工程,僅憑主觀經驗判斷,是缺少說服力的,尚需要采用科學有效的檢測方法來驗證。經調查研究,目前比較成熟的X射線衍射(XRD)分析、掃描電鏡(SEM)和面能譜(EDS)分析等可以分析出破壞處混凝土的主要化學成分和化學元素含量[10]。本文以某混凝土爆裂工程為背景,應用上述方法進行原因分析以及危害評估,并給出針對性的處理方案,為后續(xù)類似工程的安全評估提供參考。

1 工程概況及現(xiàn)場調查

某工程主樓為框架-剪力墻結構,地下2層、地上29層;商業(yè)裙樓為框架結構,地下1層、地上3層。在主體建設過程中,發(fā)現(xiàn)部分樓層墻、柱、梁、板出現(xiàn)不同程度的混凝土鼓包、爆裂、剝落現(xiàn)象。為查明爆裂產生的原因和危害程度,并確定修復處理措施,需進行現(xiàn)場調查檢測。

經調查,混凝土在澆筑過程及拆模之前均未發(fā)現(xiàn)任何異常狀況,拆模后發(fā)現(xiàn)該批次混凝土構件存在爆裂現(xiàn)象,爆裂點約650處。現(xiàn)場典型爆裂破壞的照片見圖1。

圖1 典型爆裂破壞照片

爆裂位置呈散點狀分布,爆裂點處混凝土鼓包或脫落,爆裂點中心為已粉化的粗骨料,粒徑大小約10～30mm,顏色主要為白色或灰白色,一經觸碰,表面粉末狀物質即脫落,爆裂以骨料為中心向四周輻射?；炷帘焉疃取⒊叽缗c爆裂點處粉化的骨料粒徑大小及深度有關,粒徑越大、距表面深度越大,爆裂情況就越嚴重些,爆裂部位平面尺寸約30～250mm,中心位置深度約10～40mm。

2 混凝土爆裂原因及危害分析

2.1 爆裂處混凝土骨料成分分析

2.1.1 XRD分析

選取混凝土爆裂位置有代表性的的疏松骨料并進行取樣,對樣品進行XRD分析,見圖2。由圖可得,樣品主要含有為Ca(OH)2和CaCO3。

圖2 樣品的XRD圖譜

2.1.2 SEM和EDS分析

選取混凝土爆裂位置有代表性的的疏松骨料并進行取樣,對樣品進行SEM和EDS分析,見圖3、表1。由圖、表發(fā)現(xiàn),樣品的主要含量元素為Ca、O、C、Si。

表1 樣品的EDS總譜元素含量

圖3 樣品的SEM圖片

2.2 混凝土爆裂危害分析

依據《混凝土結構現(xiàn)場檢測技術標準》(GB/T 50784—2013)、《建筑結構檢測技術標準》(GB/T 50344—2019)[11]以及現(xiàn)場的實際情況,對爆裂嚴重的混凝土構件進行鉆芯取樣,每個芯樣表面切取一個約10mm厚混凝土薄片,其余制成一個75mm高的標準芯樣試件;選取薄片與芯樣試件進行沸煮試驗,分析混凝土爆裂對混凝土芯樣抗壓強度的影響[12]。部分芯樣未經沸煮直接加工后進行混凝土抗壓強度試驗,部分芯樣經沸煮進行快速水化反應試驗,試驗完畢后對完好的芯樣再進行抗壓強度試驗。芯樣及薄片加工后照片見圖4。芯樣分類數量見表2。

表2 芯樣分類數量

圖4 芯樣及薄片加工后照片

將芯樣通過沸煮進行快速水化反應,沸煮時長為6h。沸煮后有一個芯樣出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象(圖5),膨脹骨料為灰白色,其他芯樣及薄片均未出現(xiàn)開裂、疏松、崩潰現(xiàn)象。

將沸煮后未爆裂的混凝土芯樣晾置3d后進行抗壓強度試驗,并與未沸煮芯樣進行對比。試驗結果表明:未沸煮和沸煮后的芯樣混凝土抗壓強度均滿足設計要求,經計算,芯樣抗壓強度變化率的平均值約為9.2%。

通過上述試驗結果分析,骨料中的Ca(OH)2和CaCO3對混凝土抗壓強度無明顯潛在危害。

2.3 原因分析

通過對該工程爆裂區(qū)域現(xiàn)澆混凝土構件的現(xiàn)場調查及檢測分析得到:該區(qū)域混凝土出現(xiàn)爆裂主要是由于原材料粗骨料中摻入了生石灰引起的。生石灰的主要成分為CaO,遇水發(fā)生了膨脹性的化學反應,且生石灰在空間條件受限的情況下產生的膨脹應力更大,將周邊混凝土撐開,導致表層混凝土開裂、剝落,而骨料自身則因發(fā)生化學反應后變得酥松。CaO遇水反應的方程式如下:

CaO+H2O=Ca(OH)2+熱量

根據對商混廠家原材料的追溯調查,攪拌站的車輛在運輸生石灰后,未清理干凈又運輸石子沙子,導致該批次混凝土內摻入了生石灰;另外,供料場內同時生產混凝土用石子和煅燒生石灰,石子加工區(qū)域和石灰煅燒區(qū)域未有效隔離,也造成部分過燒和欠火石灰塊混入粉碎骨料原料內。

3 處理方案

(1)對混凝土構件進行噴水濕潤,讓骨料中近表面的生石灰進行充分水化。

(2)對柱、梁、板、墻爆裂損傷的部位進行修復并采取下列防水處理措施:

1)將爆裂位置疏松混凝土剔除、并鑿毛,其他位置表面混凝土鑿毛,然后用電動鋼絲刷進行表面處理,用高壓氣泵吹去浮灰;再采用高強度聚合物砂漿分層抹實。

2)表面噴水濕潤后,用水泥摻302膠(302膠中摻入水,水與302膠比例為1∶1)對混凝土表面涂刷3遍。

3)最后采用1∶2.5防水砂漿抹面,梁、板抹灰厚度為15mm,墻體抹灰厚度可按原設計要求,但不應小于15mm。

(3)對柱爆裂損傷的部位進行修復后,對整個柱身采用纏繞一層300g碳纖維布的方法進行加固及封閉處理,表面甩砂完成后再抹一層高強度聚合物砂漿。

對混凝土爆裂處理后,該工程已投入使用近十年,且墻、柱、梁、板等結構構件均未出現(xiàn)明顯開裂、鼓包、爆裂現(xiàn)象,處理效果良好。

4 結論

(1)混凝土骨料中摻入的生石灰,在水化過程中體積膨脹,是混凝土爆裂現(xiàn)象發(fā)生的直接原因。

(2)生石灰含量較少且沸煮后強度變化率較小時,對整體混凝土抗壓強度無明顯潛在危害。

(3)通過后續(xù)使用過程中的跟蹤調查,結果表明對該類爆裂問題所采用的檢測方法合理,檢測鑒定結果準確,處理方案有效。

(4)商品混凝土廠家在原材料生產、采購和運輸環(huán)節(jié),需要加強管理,工程各參建單位應加強監(jiān)督、嚴格把關,避免類似問題重現(xiàn)。