某高层住宅楼混凝土胀裂损伤分析与安全性能评价研究

翟光南 （铜陵市建筑工程管理局，安徽 铜陵 244000）

0 前言

随着经济建设及城镇化建设的大规模推进，我国工程建设量呈爆炸式增长，高楼大厦如雨后春笋般出现，但建筑结构病害损伤也屡见不鲜，近年来由于部分地区商品混凝土粗骨料短缺，加之工业冶金渣过剩，部分商品混凝土中掺入部分工业冶金渣状骨料替代普通粗骨料的现象时有发生，掺有渣状骨料的混凝土结构构件常常在混凝土硬化后或房屋使用早期表面出现散状无规律分布的锥体状胀裂损伤现象。

胀裂损伤严重的混凝土结构构件在房屋设计使用年限内可能影响结构安全，随着不间断、无规律胀裂损伤点的出现，严重影响房屋正常使用。本文对某地高层剪力墙结构住宅楼所出现的混凝土构件胀裂损伤进行原因分析及安全性评价研究，可为同类工程事故的处理提供参考借鉴。

1 工程概况

某地高层住宅楼于2020年初建成并交付使用，大楼地下2层，地上32层，总建筑面积约为18000㎡，主体为钢筋混凝土剪力墙结构，设计使用年限为50年，抗震设防类别为丙类，当地抗震设防烈度为7度（分组为第一组），建筑场地类别为III类，抗震墙的抗震等级为二级。房屋建成交付使用约三个月后，局部楼层混凝土构件表面出现点状胀裂损伤，部分居民已入住，已装修的混凝土构件表面胀裂导致装饰面层起鼓、脱落。

2 现状损伤调查与检测

结构现状损伤的调查与检测主要针对混凝土构件的胀裂、起鼓损伤进行调查、检测，对典型的胀裂点尺寸进行检测，为相关试验提供依据。

损伤调查与检测的范围包括损伤楼层的户内、公区及可视范围内的外立面。

根据现场调查、检测可知，部分混凝土构件表面存在不同程度的点状胀裂、起鼓损伤，损伤点呈无规律分散分布，一般胀裂处剥落的混凝土呈锥体形状块体，混凝土剥落后在构件胀裂点处留下以锥体顶点为中心的辐射状凹坑，锥体顶点位置存在黑褐色渣状骨料，该骨料表面呈松散、多孔形态。

图1 混凝土构件典型胀裂点状况照片

研究小组对不同楼层的所有构件胀裂点数量及尺寸进行相关统计分析，结合混凝土浇筑日期，将损伤程度相近的楼层混凝土划分为同一检验批。

现场针对不同检验批的混凝土构件钻取大量混凝土芯样，后续将针对不同检验批楼层开展相关试验研究及性能评价。

3 胀裂原因分析

3.1 X射线衍射分析

现场调查及相关岩矿鉴定分析结果表明，胀裂点中心处的褐色渣状骨料为引起胀裂的可疑物。针对现状损伤程度不同的三个检验批，对其芯样中分离出的典型渣状骨料采用X射线衍射仪进行物相组成定量分析，分析其矿物组份。

由试验结果可知，典型骨料样品中含有斜硅钙石、方钙石、石英、方铁矿、黑钙铁矿。其中含量最多的为斜硅钙石，部分样品中的相对百分比含量为50%左右，其主要成分与水泥中的硅酸二钙一致；方钙石、石英、方铁矿、黑钙铁矿含量相近；方钙石主要成分为氧化钙。

3.2 波长色散XRF元素分析

根据X射线衍射分析可知，混凝土芯样中分离出的渣状骨料成分与工业冶金渣的一般组成成分相同。为进一步确定该冶金渣的化学元素组成及其有害物质的相对含量，选取芯样中的渣状骨料对其进行波长色散XRF元素分析。

由试验结果可知，样品中含量高的氧 化 物 为 SiO2、CaO、Fe2O3、MnO、Al2O3。

相关研究成果表明，钢渣的主要化学成分与硅酸盐水泥熟料和高炉矿渣的化学成分基本相似，钢渣中氧化物相对含量因矿石、炉型、冶炼钢种的不同而不同，主要化学成分为 CaO、Si02、MgO、Fe203、MnO、A1203和P205等。因此可疑物渣状骨料与一般钢渣的组成类似。

3.3 游离氧化钙含量测试

相关研究成果表明，钢渣中绝大多数的CaO都参与反应生成了硅酸盐、铝酸盐及铁铝酸盐等产物，以化合态形式存在的CaO不影响钢渣的体积安定性。但少量CaO以游离态过烧f-CaO形式存在，这种游离态过烧f-CaO因过烧及被钢渣中其他组分包覆，并没有在混凝土凝结硬化前消化，而在混凝土凝结硬化后和水反应生成Ca(OH)2后体积膨胀，影响混凝土体积安定性，是导致混凝土表观出现胀裂损伤的直接原因。

图2 试验的XRD谱

为分析胀裂损伤原因以及为长期性能评价提供必要技术依据，选取不同批次芯样中分离出的渣状骨料，对其f-CaO含量进行测定。

试验采用乙二醇-EDTA化学滴定法测出钢渣中氧化钙总量，根据氢氧化钙在高温下受热分解成氧化钙和水，采用热重分析法通过测量脱水质量计算出钢渣中氢氧化钙含量，二者之差即为钢渣中f-CaO的含量。

测试结果表明，渣状物骨料中含有f-CaO，其质量百分比为小于6%。相关研究显示，f-CaO遇水后反应生成Ca(OH)2后体积增大。

图3 f-CaO含量测试样品照片

4 长期性能试验

4.1 渣状骨料含量检验

选取各检验批部分芯样进行逐一称重后破拆，将渣状骨料与混凝土中常规粗骨料分离，对各芯样中分离出的渣状骨料进行称重，进而计算各检验批芯样渣状骨料的相对含量。

统计分析可知，单个芯样中渣状骨料替代正常骨料的替代率为小于22%。

4.2 游离氧化钙潜在危害性检验

渣状骨料中存在游离氧化钙，游离氧化钙遇水反应后生成氢氧化钙发生体积膨胀可能对混凝土外观质量造成不良影响。

根据《建筑结构检测技术标准》（GB/T50344-2019）的相关规定，硬化混凝土已经出现骨料体积稳定性造成的损伤时，可采取取样沸煮试验的方法检测游离氧化钙是否具有潜在危害性。研究小组对各检验批芯样进行了沸煮试验，确认混凝土渣状骨料的游离氧化钙是否具有潜在危害性。

根据GB/T50344的相关规定，当出现下列情况之一时，可判定游离氧化钙对混凝土质量有潜在危害：

①有两个或两个以上沸煮试件（包括薄片试件和芯样试件)出现开裂、疏松或崩溃等现象；

②试件抗压强度变化率的平均值大于30%；

③仅有一个薄片试件出现开裂、疏松或崩溃等现象，并有一组试件抗压强度变化率大于30%。

试验结果表明，各批次混凝土渣状骨料中所含的游离氧化钙对混凝土安定性存在潜在危害。

游离氧化钙含量测试结果 表1

典型检验批游离氧化钙潜在危害性判定 表2

4.3 膨胀效应测试

相关研究表明，渣状骨料沸煮后其f-CaO的降低量即为目标使用期内可能发生的反应量。研究小组对不同检验批的多组渣状骨料进行高温沸煮后并测试f-CaO含量，通过沸煮前后含量计算可得膨胀源膨胀后的混凝土体积增量。

5 长期性能评价

采用通用结构计算软件（不考虑混凝土构件的局部损伤），按照实测的f-CaO含量计算混凝土体积增量。计算中将混凝土体积增量等效为外部荷载作用于损伤楼层。

图4 潜在危害性试验前后现状照片

图5 某损伤楼层混凝土梁弯矩计算结果比对

计算分析结果表明，考虑膨胀效应后各楼层的混凝土构件的内力包络无明显变化（见图5），承载能力仍能满足现行国家规范的相关要求，即渣状骨料的膨胀反应在房屋目标使用期内对结构安全无明显不利影响。但结构整体膨胀效应分析中未考虑构件存在的现状损伤，混凝土胀裂持续发生将导致截面削弱、耐久性损伤，进而对承载力造成不利影响，故在后续使用过程中应对胀裂损伤进行随时修复。

图6 大楼三维计算模型

6 结语

①混凝土粗骨料中掺入与钢渣组成类似的冶金渣骨料中含有游离态过烧氧化钙，其在混凝土硬化后遇水消化产生体积膨胀是导致混凝土构件表面发生胀裂损伤的根本原因。

②混凝土胀裂损伤的原因可通过对芯样破拆后分离出的渣状骨料进行岩矿鉴定、衍射分析、荧光光谱分析、化学滴定等现状性能试验确定；也可简化为对胀裂损伤产生时间、症状特征、粗骨料来源于运输、胀裂点中心处的骨料颜色、硬度调查结合胀裂点中心处的骨料氧化钙含量化学分析确定。

③对于此类工程事故建议对结构安全性进行长期性能评价。可按照实测的渣状骨料含量计算混凝土体积增量，采用通用结构设计软件考虑混凝土体积增量产生的整体膨胀效应对结构承载力进行计算。

④渣状骨料含量较低时可能对目标使用期内的结构安全无明显不利影响，但由于游离氧化钙的存在对混凝土安定性具有潜在危害，故应对胀裂损伤构件进行及时修复，避免局部膨胀对整体安全造成不利影响。