混凝土自崩实例分析

　混凝土自崩实例分析 摘要 基于工程实例中混凝土自崩现象，通过 X 射线荧光光谱分析、XRD 分析和模拟试验等对可疑物进行了辨别。结果表明：可疑物为钢渣，其在混凝土中缓慢水化导致体积膨胀，最终造成表层混凝土自崩。同时，通过模拟试验，分析了引起该类型混凝土自崩所需要的外部环境条件，并给出了防止该现象继续发生的建议。

　关键词：混凝土；钢渣；物相；自崩 0 前言

　某五层钢筋混凝土结构工程于 2019 年 3 月浇筑完成，2019年 7 月，建设单位发现二层混凝土构件（主要为混凝土板，少量梁和柱）表面出现不同程度的自崩现象，而其他楼层混凝土构件表面无自崩现象。经现场查勘，发现自崩现象主要有两种破坏类型：①混凝土表层和腻子层脱落；②混凝土表层和腻子层胀裂，尚未脱落。内部形态以可疑物质为最低点的放射状凹坑，破坏尺寸长 12～53 mm，宽 12～50 mm，深 1～14 mm。

　 为探究其产生原因，本文对此自崩现象进行分析，通过对混凝土自崩部位的可疑物进行荧光光谱和 XRD 分析，以及

　相关模拟试验，判定可疑物质为钢渣，为混凝土的类似质量问题提供一定的参考。

　1 试验概况

　1.1

　 试验原材料

　 从工程现场自崩部位（见图 1~图 3）取回的硬化混凝土和硬化混凝土中的褐色可疑物质。

　 1.2

　 试验仪器设备

　 主要仪器设备有：日本某企业生产的 EDX-7000 型岛津能量散射型 X 射线荧光光谱仪；德国某企业生产的

　D8ADVANCE 型 X 射线衍射仪；浙江某公司生产的 B 型水泥（混凝土）快速养护箱等。

　1.3

　 试验方法和参考标准

　 采用荧光光谱分析法、XRD 分析法对可疑物进行定性分析，参照 GB/T 50344—2019《建筑结构检测技术标准》附录 B 中“f-CaO 对混凝土质量影响的检测”对试样进行模拟试验。

　2 试验分析

　2.1

　 荧光光谱试验

　 为测定样品成分及相对含量以分析其可能的物质种类，分别对混凝土自崩处可疑物（4 个样）、芯样中块状可疑物（4 个样）、芯样中粗骨料（20 个样）进行荧光光谱分析试验，测得主要元素含量（以氧化物形式表示）见表 1，文献资料中煤矸石、石灰石、钢渣和矿渣的主要成分及含量见表 2。

　由表 1 可知，混凝土芯样中块状可疑物化学成分铁、锰含量和烧失量明显区别于其中粗骨料。基于原材料产地和处理工艺不同而造成的钢渣中成分含量间差异，以及混凝土中可疑物 Fe 含量一般高于 Si 和 Mn 含量的特征，结合其中 Ca、Si 和 Mn 含量，初步判断可疑物疑似钢渣。通过表 1 和表 2 对比可以发现，混凝土芯样中块状可疑物化学成分 Ca、Si、Fe、Mn 含量和烧失量与钢渣最相符；而自崩处可疑物中 Ca、Si、Fe 和 Mn 含量与钢渣相符，烧失量大于钢渣的原因可能是 CaO 水化生成了 Ca(OH) 2 ，有的 Ca(OH) 2 又与空气中的 CO 2 生成了 CaCO 3 ，自崩处可疑物是钢渣水化后产物的可能性较大。综合分析得出混凝土中可疑物是钢渣的可能性最大。

　2.2

　 XRD 试验

　 为确定可疑物成分的晶体结构分析其可能的物质种类，对混凝土芯样自崩处可疑物和芯样中可疑物分别进行XRD 分析试验，分析的结果如图 4 和图 5 所示。

　 由图 4 可知，自崩处可疑物矿物相主要是钙硅氧化物（水化硅酸钙 C-S-H）、钙铁氧化物（Ca 2 Fe 2 O 5 等），RO 相（MgO 和 FeO 等氧化物的固溶体），以及由 CaO 水化生成的 Ca(OH) 2 和由 Ca(OH) 2 与空气中 CO 2 接触生成的CaCO 3 。

　由图 5 可知，混凝土芯样中可疑物矿物相主要是 C 2 S（Ca 2 SiO 4 ）、C 3 S（Ca 3 SiO 5 ）、C 2 F（Ca 2 Fe 2 O 5 ）、RO相、CaO 和 Ca(OH) 2 ，以上为钢渣的特征物相。

　 自崩处可疑物样品中部分物相与混凝土芯样中可疑物相同，其中不同物相可由芯样中可疑物的相关矿物相氧化或水化生成，如图 5 中的 C 2 S（Ca 2 SiO 4 ）和 C 3 S（Ca 3 SiO 5 ）可以水化生成图 4 中的钙硅氧化物（水化硅酸钙 C-S-H），游离 CaO 和 RO 相中的活性 CaO 可以水化成 Ca(OH) 2 ，Ca(OH) 2

　与空气接触后又会生成 CaCO 3 。

　 综合分析得出，混凝土芯样中可疑物是钢渣。

　2.3

　 特定环境下模拟试验

　 一般钢渣主要成分为 Ca、Si、Fe、Mn 等，冷却后大多呈块状，颜色为深灰、深褐色。钢渣在产生过程中，经过高温煅烧形成结构致密的游离 CaO 和 RO 相（主要为MgO）等，其水化过程十分缓慢并伴随着体积膨胀，CaO水化成 Ca(OH) 2 时体积增大近 1 倍，MgO 水化成Mg(OH) 2 时体积增大 2.2 倍。混入钢渣的混凝土骨料，在拌和浇筑后，钢渣中游离 CaO 和 MgO 等活性成分与混凝土内或外界渗入的水分发生水化等反应，生成 Ca(OH) 2和 Mg(OH) 2 等水化产物，导致体积膨胀，并以钢渣为中心形成径向辐射爆裂应力，在混凝土表层区域的拉应力小于体积膨胀产生的应力时，就会出现自崩现象。

　选取 13 个芯样，分别截取至少一个无外观缺陷的 10 mm 厚薄片试件，共计 18 个试件。在试件表面寻找并标出可疑物，先采用荧光光谱仪对标记的可疑物进行光谱分析。然后将薄片试件放入水浴锅中加热至沸，恒沸 6 h 后自然冷却至室温。观察 18 个试件沸煮后的标识点及整体破损情况，对破坏点中的物质再次进行荧光光谱分析试验（若无破坏点可不做）。检查沸煮后薄片的外表面，具体情况见表 3，其中 5 个试件无疏松、开裂或崩溃现象，其余 13 个试件存在不同程度的疏松、开裂或崩溃现象，典型试件“初 20-1”和“初 7-1”破坏现象见图 6。

　通过该模拟试验可知，可疑物存在引起混凝土表层自崩的可能，且概率较大。

　2.4

　 荧光光谱分析

　 试样初 20-1 和初 7-1 中出现的疏松破坏点[图 6 （b）和图 6（d）]为沸煮前标识的可疑物所在处[图 6（a）和图 6（c）]，沸煮前后破坏点处可疑物的荧光光谱分析结果以氧化物形式表示如表 4 所示。由表 4 可知，沸煮前芯样薄片表面可疑物中 Fe、Ca、Si、Mn 含量与表 2 中”钢渣”和表 1 中”混凝土芯样中块状可疑物”大致相似；沸煮后与沸煮前试样中 Ca 含量降低的原因是 Ca 在沸煮过程中溶出，生成了一些钙盐[如 Ca(OH) 2 和 C-S-H 凝胶和钙矾石等，表现为沸煮后的溶液中有白色絮状物生成]。因此，再次断定该芯样中引起自崩现象的可疑物为钢渣。

　3 自崩现象产生的原因及防护措施建议

　3.1

　 产生的原因

　从具有潜在自崩可能的芯样中截取 4 个直径 25 mm的芯样，分别对芯样含水状态进行调节，含水状态如表 5所示。将处理后的芯样在密闭环境下（隔绝空气），从室温升至（100±2）℃，恒沸 6 h 后，自然冷却至室温，试件破损情况如表 5 所示，由此可知潮湿环境是其产生自崩的主要条件。

　 3.2

　 防护措施建议

　 尽管钢渣经过处理后，其中的活性成分会大大降低，但是鉴于现阶段处理工艺的缺陷，处理后的钢渣依然存在活性成分，会对混凝土的耐久性产生伤害。因此，一般不建议钢渣用作混凝土骨料（经专业化处理，并用前模拟试验合格的除外），若混凝土中不慎混入钢渣后产生了自崩现象，可以采取如下措施：

　 （1）先清除自崩处疏松混凝土，然后通过隔绝水气的方法，避免钢渣处于潮湿环境中，以减缓其产生有害反应的速度。

　（2）根据混凝土构件状况和使用环境采取不同处理方式，如需必要应同时进行加固处理（如碳纤维加固、外包钢加固等），或根据结构安全需要采取其他处理方式（如钢结构置换等）。

　 （3）要定期检查、监测混入钢渣的混凝土构件，以便及时发现异常并采取有效的应对措施。

　4 结论

　 通过对混凝土表面自崩处可疑物及混凝土内部骨料的化学成分、物相等方面分析可知，硬化混凝土表层自崩主要是由于骨料中混入了钢渣所致。混入钢渣的混凝土浇筑后，钢渣中活性成分发生缓慢反应，导致体积膨胀，使混凝土表层区域出现自崩现象。