某工程混凝土异常膨胀的调查与分析

(重庆市建筑科学研究院，重庆400015)

某工程混凝土异常膨胀的调查与分析

宋开伟，陈国福，张航

(重庆市建筑科学研究院，重庆400015)

该文通过对某工程混凝土出现的冒气、膨胀、开裂现象的现场调查，结合原材料检测和XRD分析，揭示了该工程产生异常质量问题的机理和过程，为混凝土生产企业的质量控制提供参考。

混凝土；粉煤灰；铝粉；XRD

0 引言

随着混凝土配制技术的进步和高强、高耐久性混凝土的普遍采用，以及国家对节能减排、固体废弃物资源化的技术和政策支持，掺合料在混凝土中已成为一种不可或缺的重要组分。掺合料在提高混凝土工作性、改善混凝土微观结构和体积稳定性方面具有独特优势，但这很大程度上取决于掺合料自身的品质。很多工业固体废弃物已经实现了建材资源化，但也有些未经充分论证和研究便盲目使用，造成较大损失的案例屡见不鲜[1-3]。

重庆地区特殊的山地城市特征和高温气候，使得商品混凝土生产对粉煤灰具有很大的依赖性。重庆地区的粉煤灰主要来源于重庆华能珞璜电厂和重庆电厂，近年来，一方面国家对火力发电有所限制，另一方面火力发电厂逐步采用更为环保的循环流化床固硫工艺，导致重庆地区的粉煤灰供应在数量和质量上受到较大影响，现实的供不应求和相关标准的滞后，给了很多劣质粉煤灰以可趁之机。

本文通过对某工程混凝土出现的冒气、膨胀、开裂等质量问题进行调查分析，结合材料检验和微观分析，找出了“隐藏”在混凝土中的冒泡膨胀源——劣质粉煤灰中的铝粉。

1 某工程混凝土冒气、膨胀现场调查

某工程在浇筑C30楼板混凝土后，混凝土在初凝至终凝期间，产生以下现象：（1）板面混凝土中不断有气体放出（图1），用打火机可将其点燃；（2）大量气体的冒出，使得存在泌水的混凝土呈现“沸腾”状；（3）冒气通道在混凝土凝结硬化后，形成内部光滑的外喇叭口型气孔（图2），在楼板表面较均匀分布；（4）混凝土硬化后，体积明显膨胀（图3）。

图1 冒气

图2 气孔

图3 体积膨胀

2 试验结果

2.1 原材料检验

对该楼板混凝土所用同批次原材料进行了检验，主要针对各种原材料中可能引起混凝土膨胀或安定性不良的组分，如SO3、f-CaO、烧失量、安定性、MgO、碱含量、含气量和释放氨等。

经检验，该工程楼板混凝土所用水泥、外加剂、粗细骨料、拌合水均合格，但粉煤灰的细度、烧失量、f-CaO、SO3和安定性均不合格，检验结果见表1。

表1 粉煤灰检验结果

图4 体积膨胀

图5 金属小颗粒

表2 粉煤灰化学分析结果

在采用雷氏夹测定粉煤灰的安定性时，发现安定性试件在沸煮后产生明显体积膨胀，见图4。同时在测定粉煤灰细度时，发现筛余物中存在大量带有金属光泽的微小颗粒，见图5。

根据上述检验结果，首先可以判断，造成混凝土产生异常现象的膨胀源存在于粉煤灰中，其次，由于混凝土在膨胀过程中伴随着气体放出，表明这种膨胀明显有别于钙矾石膨胀和游离氧化钙膨胀，需要对粉煤灰进行深入分析。

2.2 粉煤灰化学成分分析

对粉煤灰样品进行了化学分析，结果见表2。

从表2中可以看出，该粉煤灰与常规粉煤灰在氧化物种类上是相同的，但各组分含量特别是三氧化二铝含量存在较大差异。

2.3 粉煤灰XRD分析

对该粉煤灰样品进行X射线衍射分析，XRD图谱见图6。图中除二氧化硅（SiO2）、三氧化二铁（Fe2O3）、三氧化二铝（Al2O3）、硫酸钙（CaSO4）晶体衍射峰外，在2.3388A、2.0265A、1.4321A和1.2216A还出现了单质铝衍射特征峰。

从粉煤灰样品的XRD衍射可以判断，存在于粉煤灰中带金属光泽的微小颗粒为单质铝。

3 分析与讨论

3.1 机理分析

图6 XRD图谱

金属铝粉正是早期混凝土行业中，用作混凝土膨胀剂膨胀源的一种比较常用的物质，但铝粉作膨胀源在膨胀时机和膨胀量上具有很大的不可控性，且对强度影响较大，已被明令禁止用于生产混凝土膨胀剂。

铝是一种化学性质活泼的两性金属，在一定条件下能与强碱发生化学反应，生成氢气并放出热量，化学反应方程式见①式：

反应①实质上是一个分步反应，铝先与水反应（②式），生成氢氧化铝，且温度越高反应越快；在强碱环境中，Al（OH）3和OH-反应生成偏铝酸盐和水（③式）。

从上可以看出，影响Al与水反应速率的关键因素是温度和强碱性环境，所以该反应的发生应具备三个条件：一定的温度；强碱环境；有单质铝参与。

①式中生成的氢气是一种可燃的气体，密度为0.0899g/L，约为空气的1/14，其扩散性和导热能力为空气的7倍。根据温度的不同，1g铝完全反应后放出的氢气1.24L～1.44L，如此多量的氢气如果被密封在混凝土内，将会产生很大的应力，在混凝土强度尤其是抗拉强度很低的早期阶段，这种应力足以让混凝土产生膨胀和开裂。

3.2 混凝土冒气膨胀过程分析

从前述分析可知，导致该工程楼板混凝土产生冒泡膨胀的源头是混杂在粉煤灰中的金属铝粉，结合其膨胀机理，对其产生的异常情况分析如下：

（1）在混凝土拌合、运输及浇筑初期，水泥水化反应处于诱导期，放热速率小，碱度低，粉煤灰中金属铝表面存在的氧化物尚未完全溶解，金属铝与水反应较为缓慢，冒泡现象不明显。

（2）在混凝土凝结和早期硬化阶段为水泥水化加速期，强碱性环境（pH值10～12）逐渐形成，水化热逐渐升高，此时三个条件同时具备，反应开始发生。

（3）单质铝与强碱发生反应，生成可燃性的氢气并放出热量，由于该反应有水参与，要消耗掉混凝土中的游离水，混凝土表现出坍落度损失较快；同时扩散性极强的氢气溢出至混凝土表面后，从混凝土表面泌水、养护水或浮浆中冒出，呈现出“沸腾状”。

（4）在混凝土尚未完全失去塑性的初凝至终凝阶段，混凝土强度特别是抗拉强度很低，封闭在混凝土内部的大量氢气产生较大的应力，使混凝土体积产生膨胀甚至开裂，氢气溢出后混凝土内部原先被氢气占据的空间形成气孔，表面混凝土形成向外的喇叭口形气孔。

4 结论

通过对该工程楼板混凝土所用原材料进行深入分析，结合现场调查，得出混凝土发生冒气、膨胀的原因是粉煤灰中的铝粉所致。

掺合料是商品混凝土实现高性能、高耐久性的技术措施和必要条件之一，但这很大程度上取决于掺合料的品质，劣质的掺合料往往适得其反。在重庆地区掺合料特别是优质粉煤灰供不应求的现实条件下，如何兼顾生产和质量是每个从业者必须认真思考的问题。此外，开发出一种新型的混凝土掺合料，作为粉煤灰的替代品也是迫在眉睫的。

[1]陈碧宗.浅析高铁混凝土施工中冒泡现象[J].福建建材，2011，2.

[2]吴丹虹.问题粉煤灰引起混凝土异常现象的原因分析[J].粉煤灰，2009，3.

[3]黄象杭，叶青.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.

责任编辑：孙苏，李红

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

宋开伟（1973-），男，四川南部人，研究生，高级工程师，主要研究方向为建筑材料及固体废弃物建材资源化。