某工程混凝土異常膨脹的調查與分析

(重慶市建筑科學研究院，重慶400015)

某工程混凝土異常膨脹的調查與分析

宋開偉，陳國福，張航

(重慶市建筑科學研究院，重慶400015)

該文通過對某工程混凝土出現的冒氣、膨脹、開裂現象的現場調查，結合原材料檢測和XRD分析，揭示了該工程產生異常質量問題的機理和過程，為混凝土生產企業的質量控制提供參考。

混凝土；粉煤灰；鋁粉；XRD

0 引言

隨著混凝土配制技術的進步和高強、高耐久性混凝土的普遍采用，以及國家對節能減排、固體廢棄物資源化的技術和政策支持，摻合料在混凝土中已成為一種不可或缺的重要組分。摻合料在提高混凝土工作性、改善混凝土微觀結構和體積穩定性方面具有獨特優勢，但這很大程度上取決于摻合料自身的品質。很多工業固體廢棄物已經實現了建材資源化，但也有些未經充分論證和研究便盲目使用，造成較大損失的案例屢見不鮮[1-3]。

重慶地區特殊的山地城市特征和高溫氣候，使得商品混凝土生產對粉煤灰具有很大的依賴性。重慶地區的粉煤灰主要來源于重慶華能珞璜電廠和重慶電廠，近年來，一方面國家對火力發電有所限制，另一方面火力發電廠逐步采用更為環保的循環流化床固硫工藝，導致重慶地區的粉煤灰供應在數量和質量上受到較大影響，現實的供不應求和相關標準的滯后，給了很多劣質粉煤灰以可趁之機。

本文通過對某工程混凝土出現的冒氣、膨脹、開裂等質量問題進行調查分析，結合材料檢驗和微觀分析，找出了“隱藏”在混凝土中的冒泡膨脹源——劣質粉煤灰中的鋁粉。

1 某工程混凝土冒氣、膨脹現場調查

某工程在澆筑C30樓板混凝土后，混凝土在初凝至終凝期間，產生以下現象：（1）板面混凝土中不斷有氣體放出（圖1），用打火機可將其點燃；（2）大量氣體的冒出，使得存在泌水的混凝土呈現“沸騰”狀；（3）冒氣通道在混凝土凝結硬化后，形成內部光滑的外喇叭口型氣孔（圖2），在樓板表面較均勻分布；（4）混凝土硬化后，體積明顯膨脹（圖3）。

圖1 冒氣

圖2 氣孔

圖3 體積膨脹

2 試驗結果

2.1 原材料檢驗

對該樓板混凝土所用同批次原材料進行了檢驗，主要針對各種原材料中可能引起混凝土膨脹或安定性不良的組分，如SO3、f-CaO、燒失量、安定性、MgO、堿含量、含氣量和釋放氨等。

經檢驗，該工程樓板混凝土所用水泥、外加劑、粗細骨料、拌合水均合格，但粉煤灰的細度、燒失量、f-CaO、SO3和安定性均不合格，檢驗結果見表1。

表1 粉煤灰檢驗結果

圖4 體積膨脹

圖5 金屬小顆粒

表2 粉煤灰化學分析結果

在采用雷氏夾測定粉煤灰的安定性時，發現安定性試件在沸煮后產生明顯體積膨脹，見圖4。同時在測定粉煤灰細度時，發現篩余物中存在大量帶有金屬光澤的微小顆粒，見圖5。

根據上述檢驗結果，首先可以判斷，造成混凝土產生異常現象的膨脹源存在于粉煤灰中，其次，由于混凝土在膨脹過程中伴隨著氣體放出，表明這種膨脹明顯有別于鈣礬石膨脹和游離氧化鈣膨脹，需要對粉煤灰進行深入分析。

2.2 粉煤灰化學成分分析

對粉煤灰樣品進行了化學分析，結果見表2。

從表2中可以看出，該粉煤灰與常規粉煤灰在氧化物種類上是相同的，但各組分含量特別是三氧化二鋁含量存在較大差異。

2.3 粉煤灰XRD分析

對該粉煤灰樣品進行X射線衍射分析，XRD圖譜見圖6。圖中除二氧化硅（SiO2）、三氧化二鐵（Fe2O3）、三氧化二鋁（Al2O3）、硫酸鈣（CaSO4）晶體衍射峰外，在2.3388A、2.0265A、1.4321A和1.2216A還出現了單質鋁衍射特征峰。

從粉煤灰樣品的XRD衍射可以判斷，存在于粉煤灰中帶金屬光澤的微小顆粒為單質鋁。

3 分析與討論

3.1 機理分析

圖6 XRD圖譜

金屬鋁粉正是早期混凝土行業中，用作混凝土膨脹劑膨脹源的一種比較常用的物質，但鋁粉作膨脹源在膨脹時機和膨脹量上具有很大的不可控性，且對強度影響較大，已被明令禁止用于生產混凝土膨脹劑。

鋁是一種化學性質活潑的兩性金屬，在一定條件下能與強堿發生化學反應，生成氫氣并放出熱量，化學反應方程式見①式：

反應①實質上是一個分步反應，鋁先與水反應（②式），生成氫氧化鋁，且溫度越高反應越快；在強堿環境中，Al（OH）3和OH-反應生成偏鋁酸鹽和水（③式）。

從上可以看出，影響Al與水反應速率的關鍵因素是溫度和強堿性環境，所以該反應的發生應具備三個條件：一定的溫度；強堿環境；有單質鋁參與。

①式中生成的氫氣是一種可燃的氣體，密度為0.0899g/L，約為空氣的1/14，其擴散性和導熱能力為空氣的7倍。根據溫度的不同，1g鋁完全反應后放出的氫氣1.24L～1.44L，如此多量的氫氣如果被密封在混凝土內，將會產生很大的應力，在混凝土強度尤其是抗拉強度很低的早期階段，這種應力足以讓混凝土產生膨脹和開裂。

3.2 混凝土冒氣膨脹過程分析

從前述分析可知，導致該工程樓板混凝土產生冒泡膨脹的源頭是混雜在粉煤灰中的金屬鋁粉，結合其膨脹機理，對其產生的異常情況分析如下：

（1）在混凝土拌合、運輸及澆筑初期，水泥水化反應處于誘導期，放熱速率小，堿度低，粉煤灰中金屬鋁表面存在的氧化物尚未完全溶解，金屬鋁與水反應較為緩慢，冒泡現象不明顯。

（2）在混凝土凝結和早期硬化階段為水泥水化加速期，強堿性環境（pH值10～12）逐漸形成，水化熱逐漸升高，此時三個條件同時具備，反應開始發生。

（3）單質鋁與強堿發生反應，生成可燃性的氫氣并放出熱量，由于該反應有水參與，要消耗掉混凝土中的游離水，混凝土表現出坍落度損失較快；同時擴散性極強的氫氣溢出至混凝土表面后，從混凝土表面泌水、養護水或浮漿中冒出，呈現出“沸騰狀”。

（4）在混凝土尚未完全失去塑性的初凝至終凝階段，混凝土強度特別是抗拉強度很低，封閉在混凝土內部的大量氫氣產生較大的應力，使混凝土體積產生膨脹甚至開裂，氫氣溢出后混凝土內部原先被氫氣占據的空間形成氣孔，表面混凝土形成向外的喇叭口形氣孔。

4 結論

通過對該工程樓板混凝土所用原材料進行深入分析，結合現場調查，得出混凝土發生冒氣、膨脹的原因是粉煤灰中的鋁粉所致。

摻合料是商品混凝土實現高性能、高耐久性的技術措施和必要條件之一，但這很大程度上取決于摻合料的品質，劣質的摻合料往往適得其反。在重慶地區摻合料特別是優質粉煤灰供不應求的現實條件下，如何兼顧生產和質量是每個從業者必須認真思考的問題。此外，開發出一種新型的混凝土摻合料，作為粉煤灰的替代品也是迫在眉睫的。

[1]陳碧宗.淺析高鐵混凝土施工中冒泡現象[J].福建建材，2011，2.

[2]吳丹虹.問題粉煤灰引起混凝土異常現象的原因分析[J].粉煤灰，2009，3.

[3]黃象杭，葉青.一起由粉煤灰引起的混凝土冒泡事故分析[J].浙江建筑，2007，10.

責任編輯：孫蘇，李紅

Study and Analysis on Abnormal Concrete Expansion in A project

Based on on-the-spot survey of concrete steaming,expansion and crazing in a project,and combined with material inspection and analysis on XRD,the mechanism and process of these quality problems are presented for reference.

concrete;coal ash;aluminite powder;XRD

TU528.41

A

1671-9107（2014）07-0046-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.046

2014-04-02

宋開偉（1973-），男，四川南部人，研究生，高級工程師，主要研究方向為建筑材料及固體廢棄物建材資源化。