熟料颗粒在混凝土中的膨胀行为分析

2015-12-20王志学臧军

商品混凝土 2015年5期

关键词：事故现场硅酸盐熟料

王志学，臧军

（徐州中联混凝土有限公司，江苏　徐州　221100）

熟料颗粒在混凝土中的膨胀行为分析

王志学，臧军

（徐州中联混凝土有限公司，江苏徐州221100）

本文通过膨胀收缩试验证实了熟料颗粒在混凝土中存在膨胀行为，并可导致混凝土发生膨胀破坏，与以前发生的工程事故相互验证。混凝土企业应加强骨料运输过程的管理，避免类似事故的发生。

熟料颗粒；混凝土；膨胀

0　前言

粗骨料作为混凝土中体积占比最大的原材料，其质量对混凝土质量起到决定性的作用。粒形、粒度、强度、泥含量等质量指标一直是混凝土公司关注的重点，但粗骨料中掺杂少量有害杂质却一直未能引起混凝土公司生产管理人员的足够重视。近年来，因粗骨料中掺杂生石灰颗粒导致混凝土的质量事故时有发生[1]。

2012 年 9 月份在镇江某电镀企业一年前浇筑的混凝土出现质量事故。顶板发生混凝土局部崩裂，发生崩裂的地方都存在一种黑色的骨料，且此骨料已完全粉化。初步分析认为膨胀源是这种黑色的骨料，事故现场参见图 1。

图1　事故现场爆裂点图片

1　XRD 检测及化学分析

查找施工档案，此批次混凝土浇筑于 2011 年 8 月份，由于时间久远，导致事故发生的骨料来源已很难考证，因此对此黑色骨料进行 XRD 检测和相应的化学成分分析。检测结果如图 2 和表 1 所示。

图2　黑色骨料 XRD 检测结果

表 1　黑色骨料化学分析　　　　　　　%

XRD 图谱中存在着明显的硅酸钙、铝酸钙和铁铝酸钙的衍射峰，说明样品为硅酸盐水泥熟料或者矿物组成类似于硅酸盐水泥熟料的物质。化学分析结果表明样品中的主要化学成分为 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO，由此可以判断该样品为钙的硅酸盐、铝酸盐、铁铝酸盐的混合物，其化学组成与硅酸盐水泥熟料的组成非常类似。由 XRD 图谱及化学分析结果，初步判断此黑色骨料就是硅酸盐水泥熟料。

2　熟料在混凝土中膨胀行为的检测试验

当笔者拿着这一结果请教许多知名专家时，他们都对此结果持怀疑态度，认为熟料在混凝土中是不应该发生膨胀行为的。为了进一步验证这一结果，笔者于 2014 年 10 月份开始以普通 C30 混凝土配合比为基准，用熟料取代 50% 的碎石后测试混凝土的膨胀性能（所选硅酸盐熟料的游离氧化钙和氧化镁指标都在国家标准许可的范围内），试验配比如表 2所示。

表2　膨胀性能测试试验配比　　　　　　　　　　　　　　　　kg/m3

3　试验结果与讨论

将膨胀收缩试块分别放在水、空气、以及绝湿环境中，(20±2)℃下养护。试验结果如表 3 所示。

由试验结果可知，早期（7d）混凝土试块都呈现收缩现象，28d 时水中的试块停止收缩，与 7d 相比已有所膨胀，60d时，水中的试块继续膨胀，试块长度已超过初始值，绝湿状态下的试块也已经停止收缩，试块长度超过了 28d 长度。

表3　膨胀收缩试验结果

对试块进行观察，在 60d 时，在水中的膨胀收缩试块已经发生了局部崩裂破坏，在绝湿状态下的膨胀收缩试块也产生了局部膨胀裂纹。

图3　在水中的膨胀收缩试块发生局部崩裂破坏

图4　在绝湿状态下的膨胀收缩试块发生局部膨胀裂纹

试验结果与事故现场相符，由于事故现场中掺入的熟料颗粒比例更小，因此发生崩裂破坏所需的时间也更长。对此机理进行分析，认为其原因主要有如下几点：

（1）对于水泥颗粒而言，由于粒度较小，熟料矿物水化后固相体积增加，填充体系中水所占据的部位，虽然固相体积增加，但是固相—水体系的体积是减小的，所以水泥水化过程中产生了水泥的收缩（收缩比例参见表 4）。对于熟料颗粒而言，粒度较大，水缓慢地向熟料内部扩散并与熟料矿物反应，熟料矿物周围原本并没有拌合水所占据的空间，所以其表面水化时，周围没有可供凝胶填充的孔隙，因此产生了应力，并导致体系的体积膨胀。

（2）在没有石膏存在的情况下，发生如下反应：

3CaO·Al2O3+CaO·H2O +12H2O=4CaO·Al2O3·13H2O

处于碱性介质中 4CaO·Al2O3·13H2O 可以稳定存在，其数量的不断增加阻碍了凝胶向熟料颗粒内孔隙迁移的进程，加剧了体系内的应力的产生。应力向熟料颗粒内部发展，导致了熟料颗粒的粉化，应力向熟料外部发展，导致混凝土局部发生崩裂破坏。