熟料顆粒在混凝土中的膨脹行為分析

王志學(xué)，臧軍

（徐州中聯(lián)混凝土有限公司，江蘇　徐州　221100）

熟料顆粒在混凝土中的膨脹行為分析

王志學(xué)，臧軍

（徐州中聯(lián)混凝土有限公司，江蘇徐州221100）

本文通過膨脹收縮試驗證實了熟料顆粒在混凝土中存在膨脹行為，并可導(dǎo)致混凝土發(fā)生膨脹破壞，與以前發(fā)生的工程事故相互驗證。混凝土企業(yè)應(yīng)加強骨料運輸過程的管理，避免類似事故的發(fā)生。

熟料顆粒；混凝土；膨脹

0　前言

粗骨料作為混凝土中體積占比最大的原材料，其質(zhì)量對混凝土質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。粒形、粒度、強度、泥含量等質(zhì)量指標(biāo)一直是混凝土公司關(guān)注的重點，但粗骨料中摻雜少量有害雜質(zhì)卻一直未能引起混凝土公司生產(chǎn)管理人員的足夠重視。近年來，因粗骨料中摻雜生石灰顆粒導(dǎo)致混凝土的質(zhì)量事故時有發(fā)生[1]。

2012 年 9 月份在鎮(zhèn)江某電鍍企業(yè)一年前澆筑的混凝土出現(xiàn)質(zhì)量事故。頂板發(fā)生混凝土局部崩裂，發(fā)生崩裂的地方都存在一種黑色的骨料，且此骨料已完全粉化。初步分析認(rèn)為膨脹源是這種黑色的骨料，事故現(xiàn)場參見圖 1。

圖1　事故現(xiàn)場爆裂點圖片

1　XRD 檢測及化學(xué)分析

查找施工檔案，此批次混凝土澆筑于 2011 年 8 月份，由于時間久遠(yuǎn)，導(dǎo)致事故發(fā)生的骨料來源已很難考證，因此對此黑色骨料進行 XRD 檢測和相應(yīng)的化學(xué)成分分析。檢測結(jié)果如圖 2 和表 1 所示。

圖2　黑色骨料 XRD 檢測結(jié)果

表 1　黑色骨料化學(xué)分析　　　　　　　%

XRD 圖譜中存在著明顯的硅酸鈣、鋁酸鈣和鐵鋁酸鈣的衍射峰，說明樣品為硅酸鹽水泥熟料或者礦物組成類似于硅酸鹽水泥熟料的物質(zhì)。化學(xué)分析結(jié)果表明樣品中的主要化學(xué)成分為 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO，由此可以判斷該樣品為鈣的硅酸鹽、鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽的混合物，其化學(xué)組成與硅酸鹽水泥熟料的組成非常類似。由 XRD 圖譜及化學(xué)分析結(jié)果，初步判斷此黑色骨料就是硅酸鹽水泥熟料。

2　熟料在混凝土中膨脹行為的檢測試驗

當(dāng)筆者拿著這一結(jié)果請教許多知名專家時，他們都對此結(jié)果持懷疑態(tài)度，認(rèn)為熟料在混凝土中是不應(yīng)該發(fā)生膨脹行為的。為了進一步驗證這一結(jié)果，筆者于 2014 年 10 月份開始以普通 C30 混凝土配合比為基準(zhǔn)，用熟料取代 50% 的碎石后測試混凝土的膨脹性能（所選硅酸鹽熟料的游離氧化鈣和氧化鎂指標(biāo)都在國家標(biāo)準(zhǔn)許可的范圍內(nèi)），試驗配比如表 2所示。

表2　膨脹性能測試試驗配比　　　　　　　　　　　　　　　　kg/m3

3　試驗結(jié)果與討論

將膨脹收縮試塊分別放在水、空氣、以及絕濕環(huán)境中，(20±2)℃下養(yǎng)護。試驗結(jié)果如表 3 所示。

由試驗結(jié)果可知，早期（7d）混凝土試塊都呈現(xiàn)收縮現(xiàn)象，28d 時水中的試塊停止收縮，與 7d 相比已有所膨脹，60d時，水中的試塊繼續(xù)膨脹，試塊長度已超過初始值，絕濕狀態(tài)下的試塊也已經(jīng)停止收縮，試塊長度超過了 28d 長度。

表3　膨脹收縮試驗結(jié)果

對試塊進行觀察，在 60d 時，在水中的膨脹收縮試塊已經(jīng)發(fā)生了局部崩裂破壞，在絕濕狀態(tài)下的膨脹收縮試塊也產(chǎn)生了局部膨脹裂紋。

圖3　在水中的膨脹收縮試塊發(fā)生局部崩裂破壞

圖4　在絕濕狀態(tài)下的膨脹收縮試塊發(fā)生局部膨脹裂紋

試驗結(jié)果與事故現(xiàn)場相符，由于事故現(xiàn)場中摻入的熟料顆粒比例更小，因此發(fā)生崩裂破壞所需的時間也更長。對此機理進行分析，認(rèn)為其原因主要有如下幾點：

（1）對于水泥顆粒而言，由于粒度較小，熟料礦物水化后固相體積增加，填充體系中水所占據(jù)的部位，雖然固相體積增加，但是固相—水體系的體積是減小的，所以水泥水化過程中產(chǎn)生了水泥的收縮（收縮比例參見表 4）。對于熟料顆粒而言，粒度較大，水緩慢地向熟料內(nèi)部擴散并與熟料礦物反應(yīng)，熟料礦物周圍原本并沒有拌合水所占據(jù)的空間，所以其表面水化時，周圍沒有可供凝膠填充的孔隙，因此產(chǎn)生了應(yīng)力，并導(dǎo)致體系的體積膨脹。

（2）在沒有石膏存在的情況下，發(fā)生如下反應(yīng)：

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

處于堿性介質(zhì)中 4CaO·Al2O3·13H2O 可以穩(wěn)定存在，其數(shù)量的不斷增加阻礙了凝膠向熟料顆粒內(nèi)孔隙遷移的進程，加劇了體系內(nèi)的應(yīng)力的產(chǎn)生。應(yīng)力向熟料顆粒內(nèi)部發(fā)展，導(dǎo)致了熟料顆粒的粉化，應(yīng)力向熟料外部發(fā)展，導(dǎo)致混凝土局部發(fā)生崩裂破壞。

表4　幾種礦物—水體系的減縮作用[2]

4　結(jié)論

（1）在混凝土中混入一定量的熟料顆粒會導(dǎo)致混凝土發(fā)生膨脹崩裂破壞。因此應(yīng)加強骨料運輸工具的管理，避免骨料中混入熟料。

（2）熟料顆粒在混凝土中的膨脹行為與環(huán)境有關(guān)，濕度越大，其發(fā)生膨脹破壞的可能性就越大。

[1] 張建勇，朱志敏，等．一起混凝土質(zhì)量事故的分析[J]．商品混凝土，2012 (12): 64-65．

[2] 沈威．水泥工藝學(xué)[M]．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2011．

［通訊地址］徐州市銅山經(jīng)濟開發(fā)區(qū)第三工業(yè)園盛寶路西首徐州中聯(lián)混凝土有限公司（221100）

王志學(xué)（1964—），男，碩士，工程師，長期從事水泥混凝土企業(yè)的經(jīng)營及生產(chǎn)質(zhì)量管理工作。