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问题骨料引起混凝土开裂的机理及处理措施

 

发布时间:2022-09-20    字号:【

   

混凝土开裂脱落的原因较多,如结构设计不合理,混凝土配比、施工及养护不达标,混凝土原材料使用不当,钢筋锈蚀或环境侵蚀、冻融等。其中,骨料引起混凝土开裂脱落的现象近几年有增多趋势。

  本文介绍钢渣、欠火/过火石灰、水泥熟料、方镁石和碱活性骨料这5种常见的问题骨料,通过描述破坏情况、介绍破坏机理、探讨检测方法和治理措施对问题骨料进行分析,以期对破坏混凝土的问题骨料有更全面的认识。 

  1 钢渣 

  钢渣为炼钢过程中的一种副产品,由生铁中的硅、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类组成。钢渣强度高,破碎后作为混凝土骨料使用很容易达到强度要求,但由于游离CaO和MgO含量大,其安定性是否合格需要引起重视。 

  1.1 破坏情况及机理分析 

  骨料中混有稳定化处理不完全钢渣的混凝土,在浇筑4~8个月甚至竣工1年后,表层混凝土会出现点状径向自崩现象,自崩点中心有结构较疏松的棕色或红褐色颗粒物,其长12~53mm,宽12~50mm,深1~20mm。 

  由于钢渣中的CaO和MgO经过高温煅烧后变得结构致密,减缓了其水化反应,并且混凝土拌合时间短,使得钢渣中大部分CaO和MgO在混凝土硬化前没有水化,没有水化的CaO和MgO在适宜条件下缓慢水化,水化产物Ca(OH)2和Mg(OH)2使体积分别增大98%和220%,当膨胀应力大于其周围混凝土的包裹力时,外层混凝土会产生裂纹、鼓包,甚至自崩。 

  1.2 检测方法及处理措施 

  检测方法:由于钢渣对混凝土的上述破坏作用,其用于混凝土骨料前,最终检验结果必须合格。具体方法如下:钢渣磨粉后参照GB/T 28293—2012《钢铁渣粉》检测其安定性,若不合格,则不可用;若该项试验合格,随机选取至少一百颗钢渣骨料进行压蒸试验(216℃、2MPa条件下至少6h),出现明显开裂破损的颗粒数应小于5%;检验均合格后,成型试件,标准养护28d后,进行蒸养试验(蒸养温度不低于80℃,时间不少于7d),蒸养后的混凝土无肉眼可见损伤,然后进行压蒸试验(216℃、2MPa条件下至少6h),压蒸后试件无肉眼可见损伤,且抗压强度降低幅度不超过10%即认为最终结果合格。 

  处理措施:一是闷渣陈化处理,不仅能够降低钢渣中膨胀成份游离CaO和MgO,而且能使钢渣中CaS遇水生成的不稳定高价硫离子氧化;二是改进炼钢工艺,避免用白云石或方镁石制作渣料,这样可降低钢渣中游离MgO的含量。 

  2 欠火/过火石灰 

  实际生产中,石灰石的煅烧温度高达1000~1100℃,由于石灰石原料尺寸大及窑中温度分布不均等原因,使得石灰石中CaCO3没有完全分解,生成欠火石灰;若温度过高,会造成石灰石表面物质熔融,在表面形成一层深褐色结构致密的玻璃状外壳,生成过火石灰。 

  2.1 破坏情况及机理分析 

  骨料中混入欠火/过火石灰的混凝土,一般在硬化初期,有的在浇筑约一个月后,会出现以某一点为中心的凸起开裂、自崩或弧形脱落现象,中心位置深10~45mm,自崩处中心有直径10~30mm白色、淡黄色或红褐色的颗粒物,同时出现约2mm厚一碰即落的粉末状物质,清理后,粉末状物质会再次出现在骨料表面。 

  欠火石灰中含有的部分生石灰,与石灰石交错分布,遇水后发生缓慢水化,生成Ca(OH)2,造成体积增大1倍左右;过火石灰表层有一层深褐色结构致密的玻璃状外壳,延缓水分的渗入,降低水化速度,但后期体积会慢慢膨胀。若水化膨胀发生于混凝土浅层,会出现凸起、开裂或自崩现象;若发生于混凝土深层,由于受到钢筋或/和外部结构的约束,会在其周围产生较大应力,形成安全隐患。 

  2.2 检测方法及处理措施 

  检测方法:首先从颜色方面区分,欠火石灰和正常生石灰发白,过火石灰表面有一层深褐色的玻璃状外壳,玄武岩为黑色或暗绿色,普通碳酸盐骨料为灰色或灰白色。然后分别取少量块状样品,放入100mL蒸馏水中,1min后,若有大量热放出,说明是正常生石灰,若有少量热放出,说明是欠火石灰,若感觉不到热量放出,说明是过火石灰或正常的骨料;也可以分别取少量试样粉碎,加入HCl溶液(1体积浓HCl和1体积蒸馏水的混合液)中,正常骨料产生气泡最多,欠火石灰产生少量气泡,若没有气泡产生说明是过火石灰或正常生石灰。 

  处理措施:少量过火/欠火石灰混入钢筋混凝土,对混凝土强度和钢筋应力影响不大,建议清理修补爆裂部位,做好防水处理,根据构件分类和性质采用不同处理方法。较薄构件要加强养护,多浇水,使其中未水化石灰部分尽快水化膨胀后再清理,同强度砂浆修补时要进行甩毛,且最好挂网;体积较大构件,表面爆裂处裂缝需进行注浆处理。操作均完成后,构件表面要进行防水处理,对于重要构件或局部严重部位发生爆裂的,应予拆除。 

  3 水泥熟料 

  水泥熟料主要化学成分为CaO、SiO2和少量的Al2O3、Fe2O3 

  3.1 破坏情况及机理分析 

  若混凝土骨料中混有水泥熟料,一般在浇筑半年后混凝土发生局部隆起、开裂,甚至脱落现象,且随着时间的延长,该现象愈发严重,爆裂点中心为5~30mm灰黑色疏松固体。 

  熟料在有水的情况下,发生水化反应,生成膨胀性水化产物,在没有或很少石膏存在的环境下,C3A水化很快,水化产物不断在熟料颗粒表面积聚,对其内部和周围混凝土同时产生一定的膨胀应力,从而加速了熟料颗粒的粉化和外部混凝土的胀裂。 

  3.2 检测方法及处理措施 

  检测方法:把待检测骨料粉碎,使其全部通过0.075mm的方孔筛,取50g,加入25mL蒸馏水,搅拌均匀成糊状,在标准养护箱中放置24h,若硬化,说明是水泥熟料,没有硬化的则是普通骨料。 

  处理措施:用水把出现问题的同批次混凝土外层润湿,使其中的熟料充分水化,清理掉起鼓和脱落的部位后进行修补,外层做好防水处理。对于关键部位或起鼓开裂严重部位,需要进行加固处理,甚至拆除重建,但上述操作,需与设计部门配合进行。 

  4 方镁石 

  方镁石是镁的氧化物矿物,一般为无色到浅灰色的玻璃状颗粒,也有绿色、黄色或黑色。 

  4.1 破坏情况及机理分析 

  常于掺入混凝土半年后开始反应,埋置深的,竣工后七八年,甚至二三十年才表现出来。可疑物一般为中心拱起或爆裂,形成径向辐射状裂纹或凹坑,中心为直径10~50mm的淡黄色或白色疏松石块,有的疏松石块内层仍是坚硬块体。 

  在含水环境下,Mg O发生缓慢的水化反应,生成Mg(OH)2,体积增大,最大膨胀应力高达14MPa,远大于混凝土抗拉强度,极易形成径向辐射裂缝,甚至拱起、脱落。且其水化是从表面一层层向内部进行,内部受到外层的保护,所以有的块体内部几乎没有发生反应,仍然十分坚硬。由于工程实际中MgO反应所需水是从混凝土孔隙中渗入,故水化反应缓慢,胀裂常发生于工程竣工后数年。 

  4.2 检测方法及处理措施 

  检测方法:温度对方镁石水化速率影响较大,温度越高水化膨胀速率越大,将块状试样分别浸泡于(20±3)℃蒸馏水中24h,参照GB/T 750—1992《水泥压蒸安定性试验方法》进行试验,其中压蒸釜中压力控制为(2±0.05)MPa,相当于(215.7±1.3)℃压蒸6h,试验结束后,出现破裂的为方镁石或其他问题骨料,无变化的为普通骨料。 

  处理措施:杨婧等认为针对方镁石反应条件,可采用隔水法处理,如钢板灌胶、粘碳纤维、加大截面法;对梁采用外包钢加固法,对边柱采用外包钢且加大混凝土截面加固法,对中柱采用钢板加固后再粘碳纤维加固法,对板采用粘碳纤维加固法;若方镁石大面积存在于混凝土中,采用隔水加固方法处理不一定是经济的,且处理后还存在继续爆裂的可能,拆除重建是应该考虑的处理方案。符晶华等[18]认为若方镁石存在于局部构件中,可以考虑采用结构置换法,如使用钢结构置换,四周应留适当空隙,允许混凝土自由爆裂。 

  5 碱活性骨料 

  碱活性骨料是指在一定条件下能与混凝土原材料(胶凝材料和外加剂等)中的碱性物质发生化学反应,导致混凝土结构产生膨胀、开裂甚至破坏的骨料。 

  5.1 破坏情况及机理分析 

  在无钢筋约束时,碱骨料反应破坏呈网状裂缝,且一般裂缝一侧拱起,有钢筋约束时,裂缝沿钢筋方向开展,裂缝发展到一定程度,会造成混凝土疏松、脱落。 

  上世纪四十年代,StanTon T. E.首次提出碱硅酸骨料吸水膨胀是混凝土开裂的重要原因之一,上世纪六十年代,Swenson E.G.[20]发现了混凝土骨料的碱碳酸盐反应,1965年Gillott J.E.等发现了另外一种碱骨料反应—碱硅酸盐反应。碱-骨料反应(AAR)有3个条件:一定数量的碱(溶于水能离解出钾、钠离子的物质);一定数量的能与碱反应且反应产物能吸水膨胀的碱活性岩石或矿物;提供水分的环境。 

  碱-硅酸反应(ASR)机理:骨料中活性二氧化硅与混凝土中碱起反应,生成硅酸钠(钾)凝胶体,该凝胶体在受限的情况下吸水膨胀,使混凝土内部沿骨料与水泥石界面发生体积膨胀或骨料内部发生开裂。碱骨料反应速度慢,一般混凝土浇筑几年后开始出现,有的潜伏期长达20年。 

  碱-碳酸盐反应(ACR)机理:一种认为碱与白云石的去白云石化反应前后固相体积无本质差别,但该反应破坏或移去了白云石晶体,打开了进入骨料中粘土矿物成分的水通道,使得未湿润粘土吸水膨胀,以细小胶体状态存在的反应产物Mg(OH)2吸水膨胀,即湿胀理论;另一种认为是去白云石化反应,见式(1)、式(2),反应产物在受限的环境下重结晶、生长,反应产物R2CO3(离解成R+和CO32-)形成水合离子导致总体积大于反应物固相体积,反应产物产生渗透压,造成膨胀。式中R指K、Na等,CaMg(CO3)2为白云石化学成分。 

  CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3 (1) 

  R2CO3+Ca(OH)2=2ROH+CaCO3 (2) 

  碱-硅酸盐反应机理:Gillott J.E.等认为是层状硅酸盐层间矿物吸水膨胀造成层间距增大,汪在芹等认为碱-硅酸盐反应是硅酸盐岩石(如花岗岩等)受碱液腐蚀溶解,生成碱硅酸盐凝胶水化产物,产物在受限条件下吸水膨胀对混凝土产生破坏。万建东等认为,碱-硅酸盐反应的实质是碱与硅酸盐中共生的微晶石英或玉髓反应,使得层状硅酸盐矿物层间距增大,即碱-硅酸反应。 

  5.2 检测方法及处理措施 

  岩相法适用于所有类型骨料是否具有碱活性的初步检测,根据岩石成分和结晶状态判断骨料是否有碱活性成分,若有,则可用岩石柱法、砂浆棒法或混凝土棱柱体法进一步检测。 

  岩石柱法适用于测定碳酸盐骨料的碱活性,试验龄期至少84d,若将岩石制成砂样,因岩石原结构被改变,使得其中的粘土矿物充分暴露出来,大部分失去了在受限环境内吸水膨胀的可能性,因此不能用砂浆试件测定碱-碳酸盐反应;砂浆棒法适用于有潜在碱-硅反应(包括碱-硅酸反应和碱-硅酸盐反应)活性的骨料,试验龄期至少14d;混凝土棱柱体法适用于骨料碱-硅反应和碱-碳酸盐反应活性的检验,试验龄期至少1年。 

  处理措施:发生碱活性破坏的混凝土,若破坏轻微或非关键部位,可清除已发生反应部位,然后进行修补和防水处理,破坏严重或关键部位,需与设计部门联系,进行加固或拆除重建。防范混凝土中骨料碱活性危害的最有效办法是不用碱活性骨料,若不得不用时,可采取措施抑制或减缓碱活性反应,如加强施工组织管理,控制水泥和混凝土含碱量、掺用粉煤灰或矿渣等活性掺合料,使用矿渣含量35%以上的矿渣硅酸盐水泥,掺加引气剂、防水剂、隔绝水汽和空气来源等。但抑制碱-碳酸盐反应比抑制碱-硅酸盐反应困难,因为去白云石化反应过程中碱又被还原出来,使之能够循环反应,直至去白云石反应完全或碱的浓度足够低。 

  6 分析讨论 

  若硬化混凝土表面出现局部隆起或辐射状裂纹,则可能是混凝土骨料中混入了钢渣(活性化处理不完全)、欠火/过火石灰、水泥熟料和方镁石;若硬化混凝土表面出现网状裂缝,有时裂缝一侧拱起,说明混凝土骨料可能具有碱活性。 

  上述5种问题骨料产生膨胀破坏时,均有水的参与,表明水是5种问题骨料是否产生膨胀破坏的关键因素。混凝土产生开裂脱落后,大气中的CO2在有水的环境下,与水化产物Ca(OH)2生成CaCO3,造成碳化收缩。若混凝土足够密实,碳化只限于表层,表层干燥速率最大,干燥与碳化收缩均受到内部混凝土的约束,极易引起混凝土开裂。混凝土开裂后,空气中的CO2和水更易进入混凝土内部,加大混凝土内部的碳化收缩,若周围存在问题骨料,极易水化膨胀引起起鼓、开裂、自崩现象,进一步加剧裂缝的扩展,因此,水泥浆碳化收缩和问题骨料水化膨胀间相互影响,为减缓问题骨料对硬化混凝土的损坏,防水和隔离空气显得尤为重要。 

  发现硬化混凝土存在因问题骨料引起的胀裂缺陷时,已无法确定其开始使用时的性能,且其原材料也已很难获取,所以常通过现场取样进行试验分析。在充分分析其原因的基础上,清除问题骨料,再做防水和隔离空气处理,甚至加固措施,此时需要设计部门对结构受力进行重新验算,以确保结构安全,但后期的监查不可少。 

  因此,骨料在使用前,对疑似钢渣和方镁石的骨料进行安定性检验,对疑似水泥熟料骨料进行是否有遇水硬化的检验,对疑似欠火/过火石灰的骨料进行遇水是否放热的检验,对疑似碱活性的骨料进行碱活性检验,确定其是否问题骨料十分重要。要尽量不用问题骨料成型混凝土构筑物。若不得不用时,用前也要清楚其为何种问题骨料,若是过火/欠火石灰和方镁石,不得用于混凝土骨料;若是钢渣和水泥熟料,用于混凝土骨料前,需进行无活性化处理,并且确保其安定性检验合格;若是碱活性骨料,用于混凝土时,需采取碱活性的抑制措施。 

  结论 

  本文对混凝土骨料中混入钢渣、欠火/过火石灰、水泥熟料、方镁石和碱活性骨料时对硬化混凝土产生破坏的现象、机理和处理措施进行了分析,并分别探讨了这5种类型问题骨料对应的检测方法及处理措施,得出以下结论: 

  (1)根据混凝土破坏的形态和内部物质,可以初步判定骨料是否问题骨料以及是何种问题骨料造成的破坏。 

  (2)问题骨料的水化膨胀直接引起混凝土开裂,水泥浆的碳化收缩和问题骨料的水化膨胀共同导致进一步开裂。 

  (3)解决问题骨料引起的硬化混凝土开裂的一般方法是先清除问题骨料,再进行隔绝水汽处理,若涉及到构筑物关键部位需要加固处理的,需经过设计部门的验证,并且处理后的长期监查必不可少。 

  (4)用作混凝土骨料前,最好对疑似问题骨料有选择地进行安定性检验、遇水是否硬化或放热的检验,以及是否具有碱活性的检验。

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