某建筑混凝土爆裂原因及危害分析

馮亞偉，柳威振

（山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

國內(nèi)基建工程正處于飛速發(fā)展的時期，在建筑材料方面尤其明顯［1］。 在混凝土領(lǐng)域，商品混凝土供應(yīng)商開始尋找相應(yīng)的替代品，有些商品混凝土供應(yīng)商利用工業(yè)廢料（鋼渣）代替部分石子作為骨料進行生產(chǎn)，以提高混凝土的強度和耐久性［2-3］，但在后續(xù)實際使用過程中出現(xiàn)了混凝土點狀爆裂、破損、脫落等現(xiàn)象，對實體工程造成極大的安全隱患［4］。 本文通過某工程實例進行檢測分析并提出處理建議。

1 工程概況

某新建工程為單層工業(yè)建筑，長約16.2m，寬約14.0m，建筑面積為226.8m2，板頂結(jié)構(gòu)標高為7.400m。 結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)。 該建筑混凝土構(gòu)件設(shè)計強度等級均為C30。 建筑設(shè)計使用年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8 度，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，鋼筋混凝土框架抗震等級為二級。 結(jié)構(gòu)平面布置如圖1 所示。

圖1 建筑平面Fig.1 Building plan

該建筑于2018 年9 月10 日開工，2020 年9 月8 日竣工。 從2020 年底至今，開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)混凝土構(gòu)件表面出現(xiàn)點狀爆裂，繼而點狀爆裂處表面混凝土破損、脫落，每個脫落處內(nèi)部存在粗骨料粉化現(xiàn)象。 為了解該建筑的混凝土現(xiàn)狀，對該建筑構(gòu)件的混凝土現(xiàn)狀破損情況進行檢測，分析目前混凝土點狀爆裂、破損、脫落等缺陷對結(jié)構(gòu)的影響。

2 混凝土構(gòu)件檢測

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，依據(jù)相關(guān)規(guī)范對建筑的柱、梁、板類構(gòu)件混凝土現(xiàn)狀情況進行檢測，檢測方法為：現(xiàn)場采集構(gòu)件混凝土脫落處的粉化物及異常物顆粒，測試CaO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，MgO，SiO2等化學成分的含量，分析混凝土內(nèi)部發(fā)生鼓包膨脹的可能主要物料；對混凝土中的堿含量進行檢測；在該區(qū)域混凝土構(gòu)件上鉆芯取樣，檢測游離氧化鈣（f-CaO）是否對混凝土存在潛在危害，并收集芯樣內(nèi)骨料檢驗硫化物及硫酸鹽含量和堿骨料反應(yīng)；抽檢混凝土芯樣中的水溶性氯離子含量。 綜合上述檢測與試驗結(jié)果分析目前缺陷情況對結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 現(xiàn)狀缺陷情況檢測

現(xiàn)場對該建筑柱、梁、板類構(gòu)件混凝土表面點狀爆裂、破損、脫落等外觀現(xiàn)狀缺陷進行檢查及測量。檢查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域所有構(gòu)件混凝土表面均存在不同程度的點狀爆裂、破損、脫落等外觀缺陷，并對構(gòu)件的最大缺陷進行測量：柱表面混凝土存在缺陷的尺寸為70～180mm，深度在10～50mm，如圖2，3 所示。

圖2 柱最大破損點情況Fig.2 The maximum damage point of column

圖3 梁、板缺陷情況Fig.3 The defects of beams and plates

2.2 化學成分含量測試

混凝土的組成成分為水泥、砂子、石子和水，并伴隨一定的礦物摻合料及外加劑等。 各種混合物質(zhì)都含有對應(yīng)的化學成分，在環(huán)境中會發(fā)生相應(yīng)的化學反應(yīng)。 當某種有害成分含量過高，會導致混凝土性能發(fā)生變化，使混凝土處于不太穩(wěn)定的狀態(tài)，從而影響混凝土自身的材料性能，因此，對該建筑構(gòu)件混凝土中粉化物及異常物顆粒進行取樣，共取樣3 個，對取樣做CaO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，MgO，SiO2等化學成分含量試驗，分析混凝土中的異常物成分，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 樣品化學成分質(zhì)量分數(shù)Table 1 The mass fraction of each chemical component in the sample%

根據(jù)表1 可知，現(xiàn)場粉化物取樣的化學成分中，CaO 占40%以上，并且還含有少量的f-CaO。 在煉鋼過程中，為去除鋼水中的有害元素S，P 等雜質(zhì)，優(yōu)化鋼水質(zhì)量，需要加入石灰石做主要的造渣劑，故在排出的鋼渣中不可避免地留存一定數(shù)量未完全反應(yīng)的f-CaO。 本項目現(xiàn)場異常物的外觀形態(tài)以及芯樣表面異常物的剖面表觀都可清晰看出含有上述成分的殘留物，因此可以判定本次檢測區(qū)域內(nèi)柱、梁、板類構(gòu)件混凝土中的異常物為鋼渣類物質(zhì)［5］。

2.3 游離氧化鈣潛在危害的檢測推斷

參照相關(guān)國家規(guī)范要求，結(jié)合該建筑混凝土構(gòu)件的強度等級、澆筑時間等，將該區(qū)域的混凝土構(gòu)件作為一個檢測批。

依據(jù)GB／T 50344—2019《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》中表3.3.10 檢測中構(gòu)件抽取數(shù)量及附錄G 的規(guī)定，結(jié)合JGJ／T 384—2016《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定抽取，此次檢測抽取直徑75mm 的芯樣15 個，將同一個部位鉆取的芯樣加工為1 個無外觀缺陷的10mm 厚薄片試件和2 個高徑比為1.0 的芯樣試件，共計15 個薄片試件及15 組芯樣試件［6-8］。

對加工試件進行外觀檢查，檢查發(fā)現(xiàn)部分芯樣試件及薄片試件均含有一定數(shù)量的異常物，且部分異常物中含有金屬物質(zhì)，如圖4，5 所示［9-10］。

圖4 芯樣試件Fig.4 The core specimen

圖5 薄片試件Fig.5 The wafer specimen

將15 個薄片試件、15 個比對芯樣試件放在沸煮箱的試架上，在30±5min 內(nèi)應(yīng)將沸煮箱內(nèi)的水加熱至沸騰，恒沸時間應(yīng)為6h，整個沸煮過程中，沸煮箱內(nèi)的水位應(yīng)使試件始終處于水中，關(guān)閉沸煮箱后應(yīng)使水溫自然降至室溫；當沸煮試件的粗骨料沒有明顯的膨脹跡象時，可按下列規(guī)定判定游離氧化鈣對混凝土的潛在危害：①2 個或2 個以上沸煮試件出現(xiàn)開裂或崩潰等現(xiàn)象；②芯樣試件強度變化百分率平均值ξcor，m＞30%；③僅有1 個薄片試件出現(xiàn)開裂或崩潰等現(xiàn)象且對應(yīng)芯樣的ξcor＞30%。

沸煮試驗完成后，對試件的外觀進行檢查發(fā)現(xiàn)：部分試件存在開裂、破損情況，且多數(shù)試件表面存在一定數(shù)量的白色點狀粉末物質(zhì)；15 個薄片試件中4 個開裂較嚴重，4 個開裂較輕微（見圖6）；15 個對比芯樣試件中3 個棱角崩潰較嚴重的，4 個棱角輕微破損（見圖7）。

圖6 薄片試件開裂情況Fig.6 The cracking condition of wafer specimen

圖7 芯樣試件破損情況Fig.7 The breakage of core sample

將沸煮后的比對芯樣試件晾置3d，由于沸煮后有3 個芯樣試件棱角崩潰較嚴重，故僅對其余12 組芯樣試件進行抗壓強度測試。

芯樣試件抗壓試驗的操作應(yīng)符合 GB／T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》中對立方體試塊抗壓試驗的規(guī)定。 試驗前對試件的幾何尺寸及外觀情況進行記錄；抗壓試驗完成后的部分芯樣試件內(nèi)部存在異常物，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 芯樣試件抗壓強度及變化率Table 2 Compressive strength and change rate of core specimen

由上述混凝土芯樣試件沸煮試驗以及抗壓強度變化率結(jié)果可知，該建筑混凝土構(gòu)件所取芯樣試件抗壓強度變化百分率的平均值（16.9%）小于規(guī)范規(guī)定的限值（30%），但沸煮試驗中7 個試件出現(xiàn)開裂或崩潰等現(xiàn)象，超過GB／T 50344—2019《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》附錄G.0.9 條的相關(guān)規(guī)定，故判定該建筑混凝土中的f-CaO 對該批混凝土存在潛在危害。

2.4 水溶性氯離子含量檢測

在做完建筑的混凝土芯樣抗壓試驗后，將芯樣進行破碎，依據(jù)有關(guān)規(guī)定進行試樣制備及氯離子含量測定。

混凝土芯樣提取試樣的水溶性氯離子質(zhì)量百分數(shù)實測為0.019%。 由于委托方提供的資料中沒有預(yù)拌混凝土的配合比，參照C30 基準混凝土配合比計算單位體積混凝土中氯離子質(zhì)量比為0.14%，小于規(guī)范限值（0.30%）。

2.5 堿含量檢測

依據(jù)有關(guān)規(guī)定進行試樣制備，混凝土堿含量的檢測操作應(yīng)符合GB／T 176—2017《水泥化學分析方法》的有關(guān)規(guī)定。

混凝土芯樣提取試樣中可致混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)的可溶性堿實測值為0.36%。 由于委托方提供的資料中沒有預(yù)拌混凝土的配合比，參照C30基準混凝土配合比計算單位體積混凝土中可溶性堿含量為2.1kg／m3，小于規(guī)范關(guān)于預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)的限定含量（3.0kg／m3）。

2.6 堿骨料反應(yīng)性檢驗

由于上述混凝土堿含量試驗結(jié)果表明該建筑混凝土芯樣提取試樣中可致混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)的可溶性堿含量小于規(guī)范的限定含量，故此次檢測無需做堿骨料反應(yīng)性檢驗。

3 檢測結(jié)果分析

該建筑所有柱、梁、板類構(gòu)件的混凝土表面均存在不同程度的點狀爆裂、破損、脫落，原因為混凝土中存在的塊狀鋼渣類物質(zhì)所含f-CaO 遇水消解、膨脹所致，特別是在雨季或潮濕環(huán)境下，該現(xiàn)象較嚴重。 混凝土芯樣沸煮試驗表明f-CaO 對該批混凝土具有潛在危害。 目前該建筑構(gòu)件表面均存在點狀破損，部分芯樣表面、內(nèi)部存在塊狀鋼渣類物質(zhì)，證明該建筑構(gòu)件內(nèi)存在一定數(shù)量的含游離氧化鈣塊狀鋼渣類物質(zhì)；在后續(xù)使用過程中含游離氧化鈣塊狀鋼渣類物質(zhì)的存在對構(gòu)件的耐久性與承載力均存在一定的影響，應(yīng)對其進行處理［11-14］。

4 處理建議

建議對該區(qū)域構(gòu)件破損部位全部塊狀鋼渣類物質(zhì)鑿除，參照GB 50550—2010《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》相關(guān)規(guī)定進行界面處理，用高一個設(shè)計強度等級的細石混凝土或灌漿料修補，再在該區(qū)域構(gòu)件外表面采取防水防潮措施，杜絕水分再次進入構(gòu)件混凝土內(nèi)部，且應(yīng)對防水防潮措施進行日常檢查維護，保持防水防潮措施完整有效［15-16］。

5 結(jié)語

在工業(yè)生產(chǎn)中，鋼渣的成分較為特殊，其中除了富含F(xiàn)e 以外，還有大量的f-CaO 和f-MgO，游離氧化鈣在水化反應(yīng)后，容量會迅速擴大，引起物質(zhì)的不穩(wěn)定性。 在實際工程項目建設(shè)中，如果使用了穩(wěn)定性不良的鋼渣混凝土，極有可能引起混凝土爆裂等質(zhì)量問題。

消除f-CaO 的方法主要有以下幾種： 溫水養(yǎng)護處理法、鋼渣陳放法、熱悶渣處理法等。 雖然這些處理方法都能有效消除鋼渣中的f-CaO，但溫水養(yǎng)護和鋼渣存放必須有較大的場地，造成了土壤的過度開發(fā)利用，而且整個過程中還可能引起空氣污染。 熱悶渣處理需要昂貴的機械設(shè)備，效益不高。因此，有必要加強這幾個方面的科學研究能力，從而保證鋼渣的穩(wěn)定性，為其在工程中的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 故在混凝土粗骨料中使用鋼渣替代部分石子時，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范及生產(chǎn)工藝嚴格進行，避免為了降低混凝土生產(chǎn)成本造成的各種問題。