混凝土工程質量事故的定性分析與定量分析實例

張景發

混凝土工程質量事故的定性分析與定量分析實例

張景發

在混凝土中摻粉煤灰和木鈣減水劑可達到節省水泥改善混凝土性能的效果，由于施工管理不善，發生混凝土質量事故，本文將采取定性分析和定量分析方法來分析混凝土質量事故發生的原因，可供同行們參考。

定性分析；定量分析；混凝土事故；摻量

0　前言

混凝土作為目前用量最大的一種建筑材料，廣泛應用于工業與民用建筑、水利、城市建設，農林交通及海港等工程。

從近代科學關于混凝土的研究及大量的混凝土工程實踐證明，混凝土出現質量問題是不可避免的，只是如何將混凝土質量問題控制在一定范圍內這是人們所關注的。

混凝土出現質量事故后，人們一般遵循著調查、分析、總結的途徑，采用文字來描述、分析事故發生的原因及結果，這對分析事故的發生原因顯然是不夠的，不能滿足工程實踐的需要，必須采用數字來描述事故發生的原因，方能滿足分析事故的需要。

眾所周知在混凝土中，木鈣和粉煤灰摻量超過規定量，混凝土將出現凝結時間過長、早期強度偏低等現象，這種現象就是定性分析的結果。木鈣和粉煤灰超過規定量達到多少才會出現上述現象？在本項工程混凝土質量事故中木鈣摻量超過0.4%、粉煤灰摻量超過15% 就會發生上述現象，這種用數字來描述事故發生的原因可稱之為定量分析。

混凝土工程出現質量事故分析發生的原因，大都采用定性分析即可滿足要求，如果質量事故比較嚴重、影響較大，除作定性分析外，還應做定量分析。

定性分析和定量分析方法的選擇，可根據工程質量事故情況選擇不同的方法，常用的方法有化學的、物理的和物理化學三種方法。科研部門大都采用化學分析方法，而建筑施工部門大都采用物理的和物理化學的分析方法，如比色法、密度法等。

定性分析和定量分析不能截然分開，有時可同時進行，有時定性分析加以控制改進可作為定量分析的基礎。

本文具體介紹某水利工程發生的混凝土質量事故情況，采用定性分析和定量分析，查找事故發生的原因，可供同行們參考。

1　工程簡介

在我國西部某水利工程大壩基礎為現澆特大型大體積混凝土，施工期間發生了質量事故，影響工程進度，造成經濟損失。

1.1設計要求

混凝土設計等級 C20，抗滲 P8，抗凍融等級 D50，同時要求混凝土水化熱低和避免堿骨料反應發生及抗硫酸鹽侵蝕。

1.2混凝土配合比的確定

1.2.1原材料的選擇

水泥：低熱礦渣硅酸鹽水泥32.5，密度3.07g/cm3。

砂：河砂。

碎石：四級配，粒徑5～150mm。

粉煤灰：磨細灰，密度2.34g/cm3。

減水劑：木質素磺酸鈣（以下簡稱木鈣）。

引氣劑：松香熱聚物。

1.2.2混凝土配合比

混凝土配合比如表1所示。

表1　混凝土配合比　kg/m3

1.2.3標養試驗結果

混凝土標養試驗結果，詳見表2。

表2　混凝土標養試驗結果

2　混凝土工程質量事故調查情況

2.1事故現場調查情況

事故發生在8月中上旬的十余天里，在不同部位發生7起混凝土質量事故，詳見表3。共同特點是混凝土表面層為軟弱砂漿層，下部混凝土松軟無強度。

2.2初步調查分析

事故發生后主管部門及有關單位在第一時間內進入施工現場，調查事故情況，并取樣封存送有關單位進行分析，查找事故原因。

2.3事故混凝土取樣封存

主管部門及有關單位會同施工部門共同到現場，接表3對應取樣、造冊、封存，送有關部門分析，為今后分析事故產生原因提供可靠依據。

表3　混凝土質量事故調查表

3　混凝土工程質量事故的定性分析

根據事故調查表（表1）共7起事故，其共同特點是“表面層為軟弱砂漿層，下部混凝土松散無強度”，均系凝結時間超長引起的，因此可以認定與木鈣摻量及粉煤灰與水泥用量比例有關，同時與當地當時的自然環境也有一定關系。

3.1木鈣減水劑（以下簡稱木鈣）摻量與事故混凝土的關系

在本項工程中基準混凝土木鈣摻量為0.4%，由于某些原因造成超摻量而發生質量事故，在用水量（96.7kg/m3）不變的條件下進行定性分析。

（1）木鈣摻量對混凝土早期強度的影響

在本項工程中，木鈣適宜摻量為0.4%，當超過這個數量后混凝土強度均低于適宜摻量下的混凝土強度，摻量愈大強度下降也愈大，早期強度尤其明顯見表4。

表4　木鈣摻量對混凝土早期強度的影響

在保持用水量不變條件下（事故混凝土即是于此）當摻量超過0.5% 時，混凝土1d 強度僅達空白混凝土62%，當摻量達到1% 時，混凝土1d 未凝結硬化。當摻量達到1.5%時，混凝土3d 未凝結硬化（見表2）。 這是由于木鈣摻量多混凝土凝結時間過長引起的，事故混凝土“混凝土松軟顏色發黃”“夾有混凝土松軟層用手捏呈松散狀態”，即是由此引起的。

（2）木鈣摻量對混凝土凝結時間的影響

摻木鈣混凝土凝結時間一般在小于0.4% 時延緩1h 至2h，在用水量相同條件下，摻量為0.75% 混凝土初凝可延緩11h 以上，終凝時間可延緩13h 以上，如果摻量繼續增加，混凝土可達數天不凝結，見表5。

表5　木鈣摻量對混凝土凝結時間的影響

在本項工程中由于木鈣超摻量混凝土凝結時間長，影響混凝土強度的正常發展，造成混凝土早期強度下降或松軟無強度，如事故混凝土調查表中“混凝土松軟顏色發黃”“夾有混凝土松軟層，用手捏呈松散狀態”均與木鈣超摻量有關。

（3）木鈣摻量對混凝土含氣量的影響

有資料顯示在保持用水量不變的條件下，隨著摻量的增加，含氣量也隨著增加。

當木鈣摻量達到0.5% 時，含氣量達5.8%；摻量達0.75%時含氣量可達8%；摻量為1%時含氣量可達10.4%。

含氣量的增加對混凝土后期強度及耐久性將會造成嚴重影響，在水膠比相同時含氣量每增加1%，28d 強度下降4%～6%。當含氣量超過一定值時，混凝土會出現長時間不凝結。

（4）木鈣摻量與混凝土養護溫度的關系

當超摻量使用木鈣時，應把養護溫度作為一個主要因素考慮。

當摻量為0.5% 時，養護溫度為10℃，1d 強度可達空白混凝土的35%；當溫度上升到30℃ 時，可達空白混凝土強度的90%；當養護溫度低于5℃ 時，混凝土會長期不凝結。

本項工程地處我國西北部山區，是典型的大陸性氣候，8月份白天氣溫可達30℃，夜間下降到10℃，溫差達20℃ 以上，相對濕度晚上為20%，白天相對濕度較小。

白天澆筑的混凝土表面很快失水凝結硬化，而內部由于木鈣超摻量，混凝土長時間不凝結，仍保持塑性狀態，這就是事故混凝土中“混凝土松軟無強度”產生的原因。

夜間澆筑的混凝土由于氣溫較低，在木鈣超摻量下混凝土會“長時間不凝結”或者“早期強度偏低”。

（5）木鈣摻量對混凝土和易性和流變性的影響

木鈣摻入混凝土中在一定范圍內其流變性能隨著摻量的增加而增加。當摻量達到某一定值后增加摻量，流變性能無明顯改善。

在混凝土中木鈣摻量在0.75% 以內坍落度變化顯著，當摻量大于0.75%，混凝土坍落度可達20cm 以上，混凝土保水性很差，拌合物易于出現離析泌水現象。見表6。

木鈣摻量過多減水率增加，增大了混凝土流變性能在澆筑和振搗過程中很容易產生離析、分層、水泥漿上浮，骨料下沉形成“軟弱砂漿層”。

事故混凝土中7月11日、8月11日、8月19日三天局部混凝土表面出現“軟弱砂漿層”這是由于攪拌時間短混凝土不均勻，木鈣沒有充分分散過于集中，局部富集引起混凝土緩凝。另外與木鈣摻量過多，減水率增大也有一定關系。

表6　木鈣摻量與坍落度、強度的關系

3.2粉煤灰與水泥用量比例與事故混凝土的關系

在本項工程中基準混凝土粉煤灰與水泥用量比例為15∶85，由于某些原因造成比例失控發生混凝土質量事故。在膠凝材料（粉煤灰+水泥）總量不變條件下（即粉煤灰用量多，水泥用量則少，反之水泥用量多粉煤灰用量少）來作定性分析。

（1）粉煤灰摻量對混凝土早期強度的影響

摻粉煤灰混凝土隨著摻量的增加，水泥用量相對減少，混凝土強度隨之遞減，特別是早期強度（即3d、7d 強度）更為明顯見表7，表8。

粉煤灰的水化反應是在水泥水化釋放出 Ca(OH)2激發下才摻加的，即二次反應，這個過程延緩了混凝土的凝結時間，影響到混凝土早期強度的發展。

表7　粉煤灰摻量對混凝土早期強度影響

表8　混凝土早期強度對比

在膠凝材料總量不變條件下，粉煤灰摻量增多，水泥摻量相對減少，在水泥水化初期就沒有足夠的水化產物 Ca(OH)2去激發粉煤灰的活性，延緩了混凝土凝結時間，使混凝土早期強度偏低或無強度，甚至混凝土不凝結。混凝土事故中，7月11日、8月4日、8月12日、8月14日共四次事故“軟弱砂漿層”，“混凝土無強度”即屬于此。

（2）粉煤灰摻量對混凝土凝結時的影響

混凝土28d 前強度主要靠水泥熟料水化反應提高強度，粉煤灰主要在后期強度上做貢獻，見表8。

隨著粉煤灰摻量的增加，水泥用量的減少，混凝土的凝結時間將會延長，不過對初凝影響較為顯著。這主要是粉煤灰的活性不如水泥，因為自身不同水泥反應，只能等待水泥水化產物產生后再反應即火山灰效應。

摻粉煤灰混凝土凝結時間還受環境溫度和濕度影響較大些。

（3）粉煤灰摻量對混凝土含氣量的影響

眾所周知，粉煤灰中含有一定數量的未燃盡的碳粒，這些碳粒對引氣劑有較強的吸附作用，因而使新拌混凝土含氣量降低。如果要做到混凝土具有原相同的含氣量，需要增加引氣劑的摻量可能要增加幾倍甚至幾十倍。

在本項工程中沒有能及時發現粉煤灰摻量嚴重超標，使混凝土含氣量大幅度降低。因此沒有能及時補加引氣劑摻量，這將會對混凝土性能產生嚴重影響。

由于粉煤灰摻量超標，混凝土含氣量降低將影響新拌混凝土和易性。

（4）粉煤灰摻量對混凝土表觀性能的影響

粉煤灰摻量過多，混凝土會出現浮漿現象，對混凝土性能的影響。大摻量粉煤灰如遇攪拌時間短，振搗時間長，用水量較多時會發生水泥砂漿上浮，骨料下沉現象。由于粉煤灰密度小，多孔會隨著上升到混凝土表面，形成浮漿，致使混凝土質量不均勻，出現分層疏松現象。

水泥的化學性能和表面能較大，加大拌合后形成絮凝團，質量很大，下降趨勢大于粉煤灰。同骨料下沉相結合形成混凝土下部強度高于上部“軟弱砂漿層”。

8月6日發生的事故混凝土“接近粉煤灰色”即是在澆筑、振搗過程砂漿上浮形成的，“浮漿”呈粉煤灰顏色。

7月11日、8月11日、8月19日發生的混凝土質量“軟弱砂漿層”也是如此形成的。

（5）粉煤灰摻量過大與自然環境對混凝土性能的影響

白天澆筑的混凝土由于溫度較高，濕度為0℃，混凝土失水較快，故凝結時間較短，早期強度發展較快，而在夜間溫度下降，混凝土凝結時間延長，早期強度偏低，或長時間不凝結，事故混凝土“軟弱砂漿層”、“混凝土松軟而無強度”均與自然環境有關。

3.3小結

在事故混凝土中，木鈣粉煤灰超摻量，在用水量不變的情況下，在澆筑及振搗過程中，很容易發生混凝土離析泌水，水泥砂漿上浮，骨料下降，混凝土出現分層現象。在上浮的水泥砂漿中由于木鈣及粉煤灰超摻量，會長時間不凝結，早期強度偏低或無強度，出現“軟弱砂漿層”。在骨料下降過程中水泥形成質量較大的“絮凝團”與骨料同時沉降夾帶超摻量的木鈣及粉煤灰使混凝土長時間不凝結，出現“混凝土松軟無強度”。

4　混凝土工程質量事故的定量分析

根據混凝土質量事故調查表（表3）經定性分析認定是木鈣和粉煤灰超摻量造成的質量事故，這對于分析事故原因，顯然是不夠的，必須拿出數據來描述混凝土質量事故，即定量分析法。

4.1木鈣摻量的定量分析

木鈣摻量的定量分析目前可采用三種方法，即電子光譜分析法、比色法和定性分析中確定的摻量。

電子光譜分析法系科研部門經常使用的方法，應用范圍廣、靈敏度高，可測微量成分，但讀譜困難，儀器量器較多、價格昂貴。

比色法是用肉眼觀察進行比色的方法，比較實用，可應用于施工現場進行。

比色分析法是利用已知濃度的標準溶液與另一個未知待測溶液濃度用對比顏色深淺的方法分析的方法。

本文將采用比色法來測定木鈣的含量。

4.1.1標準溶液的制備

（1）基準混凝土的制備

采用事故混凝土配合比及原材料，按照 SD105－82《水工混凝土試驗規程》進行，其中木鈣摻量分別為0.4%（基準）、0.8%、1.2%、1.6%、2%。

（2）標準溶液的制備

分別稱取木鈣不同摻量的塑性混凝土試樣過5mm 方孔篩，將大于5mm 粗砂及碎石除掉，然后將篩下物砂漿放入烘箱中烘干，從中稱取700克干砂漿試樣放在0.16mm 篩上用20公斤清水沖洗，將大于0.16mm 顆粒除去收集沖洗水，沉淀澄清，根據木鈣不同摻量分別裝入5個比色管中備用。見表9。

表9　木鈣不同摻量標準溶液顏色

4.1.2事故混凝土溶液的制備

分別稱取不同日期的未硬化的事故混凝土封存樣品，用手捏碎并經充分分散按照“（2）標準溶液的制備”方法進行，沉淀澄清后分別裝入比色管中備用。

4.1.3比色分析

標準溶液與事故混凝土溶液是在同一條件制得的，因此事故混凝土溶液顏色的深淺和某一標準溶液相等時，它們的摻量也必相等。各種標準溶液木鈣摻量是已知的，于是根據比色的結果就可以知道事故混凝土溶液的摻量。

根據比色結果認定8月12日事故混凝土木鈣摻量是加0.8%，8月14日事故混凝土木鈣摻量加0.6%。

4.1.4根據定性分析結果確定木鈣摻量

根據試驗報告“在混凝土中木鈣摻量在0.75% 以內坍落度變化顯著，當摻量等于或大于0.75% 時混凝土保水性很差，且拌合物離析”結合7月11日、8月11日、8月19日三天事故混凝土出現離析泌水分層現象，可以確定木鈣摻量均在0.75% 左右，極少數可達1%。

4.2粉煤灰與水泥用量比例的定量分析

采用測定粉狀混合物（粉煤灰、水泥、細粉砂）密度的方法來計算粉煤灰與水泥用量比例，粉狀混合物密度越小，說明粉煤灰含量越多，水泥用量越少，混凝土早期強度越低。

這個方法的基本原理是粉煤灰密度（2.34g/cm3）和水泥密度（3.07g/cm3）相差較大，小于0.16mm 細粉砂在混合物中含量較少，經測試僅為11% 且含量較穩定，因此可以采用測定粉狀混合物密度的方法來定量分析水泥與粉煤灰用量比例。

4.2.1標準混凝土粉狀混合物密度的測定

（1）基準混凝土的制備

采用事故混凝土配合比及原材料按照 SD105－82《水工混凝土試驗規程》進行。其中，水泥、粉煤灰用量比例分別為100:0，85:15，70:30，55:45，40:60，27:75，0:100。

（2）分別稱取粉煤灰與水泥不同比例的塑性混凝土試樣過5mm 方孔篩，將大于5mm 粗砂及碎石除去，然后將篩下物砂漿放入烘箱中烘干，從中稱取700g 干砂漿試樣，放在0.16mm 篩上用20kg 水沖洗，將大于0.16mm 顆粒除去，將沖洗水中沉淀物收集起來烘干，其主體成分為粉煤灰、水泥、細粉砂混合物。

（3）測定標準混合物密度

天平稱量500g，感量1/100。容量瓶200ml（最好用比重瓶）。吸液管25～50ml。短頸小玻璃漏斗。自來水（最好用煤油）。

測試過程：首先向容量瓶內注水至刻線（第一次讀數）然后稱取烘干后的粉狀混合物50g，經漏斗徐徐加入容量瓶內，水平方向搖動，趕出氣泡，容量瓶水位上升到某一刻度記下（第二次讀數）。

其中：

r——混合物密度，g/cm3。

P——混合物試樣重量，取50g。

V——被混合物排出的液體體積，即第二次讀數減去第一次讀數，cm3。

標準混合物密度測定結果見表10。

表10　標準粉狀混合物密度表

4.2.2事故混凝土粉狀混合物密度的測定

（1）粉狀混合物的制備

分別稱取不同日期的未硬化的事故混凝土封存樣品，用手捏碎并經充分分散按照“4.2.1標準混凝土粉狀混合物密度的測定”進行。

（2）密度測定的結果

密度測定的結果，見表11。

表11　事故混凝土粉煤灰及水泥用量比例

4.2.3事故混凝土粉煤灰與水泥用量比例的確定

事故混凝土粉煤灰與水泥用量比例的確定有兩種方法：一是作圖法，二是計算法。

（1）作圖法

以粉煤灰不同用量比例為橫坐標（X 軸），以粉狀混合物密度為縱坐標（Y 軸），當用全部膠凝材料為水泥時測得密度為2.84（x1=0，y1=2.34），當用全部膠凝材料為粉煤灰時，測得密度為2.34（x2=0，y2=2.84）。兩點連接得到一條斜線。

在縱軸上任取截距 y 值（事故混凝土粉狀混合物密度）做水平線交于斜線 P 點，過 P 點作垂直線向下交于橫軸 X點，即為所求粉煤灰摻量比例，見圖1。

圖1　粉煤灰摻量比例

作圖法準確度受到多方面影響，因此精度較差。

（2）計算法

通過兩點（x1，y1）（x2，y2）作直線方程：

式中：y1=2.84，y2=2.34，x1=0，x2=100

代入（1）式整理后得：

將事故混凝土粉狀混合物密度（y）代入（2）式即得粉煤灰（x）摻量比例，計算結果見表12。

求得粉煤灰摻量比例余量即為水泥用量比例見表12。

表12　混凝土工程質量事故定性分析與定量分析匯總表

4.3小結

（1）本鈣摻量：基準混凝土摻量為0.4%，事故混凝土通過比色法分析摻量達0.6%～0.8%，根據定性分析結果木鈣的摻量為0.75%，少數達1%。

（2）粉煤灰與水泥摻量比例：基準混凝土粉煤灰∶水泥=15%∶85%，事故混凝土通過密度分析方法為粉煤灰∶水泥=(92.8%～49%)∶(7.2%～51%)。

［通訊地址］遼寧省遼陽市遼鞍路28號第十七號信箱（111200）

張景發（1937—），男，高級工程師、總工程師，工業與民用建筑專業，長期從事混凝土外加劑及商品混凝土的研制、開發、生產與應用方面的技術工作。