问题骨料引起混凝土开裂的机理及处理措施.docx

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1、引言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“2L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。近年来，我国大力推动装配式建筑的发展，行业规 模不断增长，各种装配式建筑技术和产品层出不穷。预制叠合楼盖由于对建筑物 结构的影响相对较小，容易通过叠合方式实现规范规定的“等效现浇”目标，同时 在国内大部分地区的

2、评定规则中，预制叠合板可以按照投影面积计算预制率，因 此被作为装配式建筑的“标配”技术和产品，应用广泛。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 48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1253mm,宽1250mm,深1 20mm汽 由于钢渣

3、中的CaO和MgO经过高温燧烧后变得结构致密，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%6l,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G钢渣磨粉后参照GB/T 282932012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

4、行压蒸试验（216C、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（2160C 2MPa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Mg0, 而且能使钢渣中CaS遇水生成的不稳定高价硫离子氧化网;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

5、燃烧温度高达1000-11OO0C,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1045mm,自崩处中心有直径1030mm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 骨料表面划。欠火石灰中含有的部分生石灰，与石灰石交错分布，

6、遇水后发生缓慢 水化，生成Ca(C)H)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IOOmL蒸储水中，Imin后， 若有大量热放出，说明是正常生石灰，若有少量热

7、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Hel和1体积蒸偏水的混合液)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

8、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、Si2和少量的AI2O3、 Fe2O3o3.1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530mm 灰黑色疏松固体口筑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。孔 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

9、通过0.075mm的方孔筛， 取50g,加入25mL蒸馅水，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。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

10、辐射 状裂纹或凹坑，中心为直径1050mm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【均。在含水环境下，MgO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（203） C蒸馈

11、水中24h,参照 GB/T 7501992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（20.05） MPa,相当于 5.71.3） 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：杨婿等认为 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。8认为若方镁石

12、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。20世纪40年代，StanTonT.ER9）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一，20世纪60年代，SwensonEGXOl 发现了混凝土骨料的碱碳酸盐反应，19

13、65年Gillott JE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

14、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，即湿胀理论卬-2司；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C032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【26-27。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=2ROHCaCO3(2)碱-硅酸盐反应机理：Gillott J

15、.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1281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。万建东等国认为，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

16、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14&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