基于实例的煤矸石混凝土局部爆裂原因分析

张航，宋开伟

（重庆市建筑科学研究院，重庆400015）

基于实例的煤矸石混凝土局部爆裂原因分析

张航，宋开伟

（重庆市建筑科学研究院，重庆400015）

针对某房屋楼板混凝土底部产生局部爆裂，且爆裂点出现不明黑色物质的现象，该文通过对现场情况的调查和取样测试分析，结合化学成分分析、X射线衍射分析、差热分析等相关数据，分析了产生爆裂的原因。研究表明，温度、湿度和接触介质变化导致煤矸石、蒙脱石等膨胀、崩解是楼板混凝土底部发生局部爆裂的原因，骨料中混杂煤矸石对混凝土外观、耐久性的潜在危害应引起高度重视。

煤矸石；膨胀；局部爆裂；差热分析

0　引言

随着工程建设的快速发展，混凝土用量日益增大，混凝土中砂、石骨料的不断消耗与天然骨料资源逐渐匮乏的矛盾加深。骨料在混凝土中占较大比例，其品质、组成对混凝土的强度、体积稳定性、长期耐久性能等影响显著，关于现代混凝土骨料的品质更多的是关注强度、级配及粒形等［1］，对骨料的来源、化学成分、矿物组成等不够重视。目前，重庆地区砂石行业的一些小企业存在产品质量良莠不齐、乱挖乱采等现象，由此带来了不少因骨料而产生的混凝土质量问题，例如骨料混杂煤矸石导致混凝土开裂、爆裂等。煤矸石与煤系地层共生，是在煤炭开采和洗选过程中被分离出来的岩石，其具有轻质高强的特征，经过简单破碎、筛分即可作为集料配制混凝土，但是由于煤矸石成分较普通石子复杂，其耐久性是否可靠仍存在争议［2］。为此，研究煤矸石对混凝土体积稳定性、耐久性的影响及机理非常重要。针对这一问题，根据工程实例，通过现场调查、试验、机理分析等，明确掺有煤矸石混凝土局部爆裂破坏的原因，为避免类似问题提供参考。

1　实例概况

该房屋为住宅用钢筋混凝土结构，楼板混凝土强度等级为C30，板厚100mm，2014年竣工，现已装修完毕且业主已入住，在房屋使用过程中业主发现其卧室及客厅楼板板底装饰层局部爆裂，爆裂点出现不明黑色物质。对该房屋楼板进行现场调查，情况如下：

（1）爆裂形态及分布。部分爆裂点表现为装饰层开裂，裂缝形态呈点放射状（如图1所示），部分爆裂点装饰层已经脱落（如图2所示），总数量约有10余处，直径5～15mm，在楼板板底呈随机分布，其他部位未见异常现象。

图1　装饰层开裂

图2　装饰层脱落

（2）将爆裂点处装饰层局部剔除，发现爆裂源来自于混凝土中的骨料，骨料颜色呈深灰色或黑色，边缘与四周混凝土存在较明显的轮廓线（如图3所示），轮廓线较圆滑、完整，未产生尖锐突变和中断，轮廓线内的黑色骨料发生破裂或部分粉化，但颗粒形状基本保持完整，颜色呈深棕色或黄色（如图3所示）。

图3　黑色骨料轮廓线

（3）将黑色骨料掏出并仔细清理爆裂部位，发现轮廓线外的混凝土中无微裂缝产生，混凝土密实性良好，采用酚酞溶液测试，内部混凝土碱度正常。

（4）现场调查完成后，在楼板3个不同爆裂点处提取了黑色骨料样品，并在该工程商品混凝土搅拌站提取了骨料样品，此外，还取得与该批次楼板混凝土相关的工程资料。

2　样品测试分析

将现场取回的黑色骨料样品，剔除其中混入的砂浆、腻子，磨细样品，并过80μm筛，烘干后进行样品测试分析。

2.1化学成分分析

按照《建材用石灰石化学分析方法》GB/T5762-2012［3］对样品进行化学分析，结果见表1所示。

表1　现场黑色骨料化学成分分析结果（单位：%）

由表1可以看出：该样品主要是由Si-Al-Fe组成的矿物，氧化钙含量较低，但烧失量较高，可以判定烧失组分不是由Ca-CO3和MgCO3等可分解矿物产生，而可能来自于其中的炭份。为了判断该骨料样品的矿物类型，同时选取了使用最为普遍的石灰石碎石、卵碎石进行化学成分分析，结果见表2所示。

表2　石灰石、卵碎石化学成分分析结果（单位：%）

从表1和表2的结果可以看出，现场所取的黑色骨料样品在化学成分上不同于混凝土常用骨料，需要进一步分析其矿物成分。

2.2矿物成分分析

2.2.1X射线衍射分析

组成物质的各种相都具有特定的晶体结构（点阵类型、晶胞形状与大小），当X射线照射晶态结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子或分子所衍射，形成对应各相的X射线衍射花样特征（衍射线位置与强度），因此可以利用X射线衍射试验对物质进行精确的物相定性分析［4］。

将现场取回的黑色骨料样品，剔除其中混入的砂浆和其他杂质，并将其磨细，在65℃条件下烘干，最后研磨过80μm筛。采用日本理学（D/MAX-ⅢC型）X射线衍射仪［5］，Cokα靶，管压35kV，电流30mA，扫描步长0.02°，扫描速度8°/min，扫描范围（2θ）5～70°，对试验样品进行X射线衍射试验，XRD图谱见图4所示。

图4　现场样品XRD图谱

从图4的XRD图谱可以看出，该样品中包含以下矿物的特征衍射峰：（1）黄铁矿FeS2（对应图谱中的F相∶d=0.2708、0.2422、0.1633nm）；（2）铝土矿（对应图谱中的A相，即硬水铝石α-AlOOH∶d=0.231、0.207、0.1634nm）；（3）蒙脱石（对应图谱中的Mt相∶d=1.50、0.302、0.258、0.150nm）；（4）莫来石（对应图谱中的Ml相∶d=0.343、0.269、0.221nm）；（5）石英SiO2（对应图谱中的S相∶d=0.4255、0.3342、0.2281nm）；（6）石膏CaSO4·2H2O（对应图谱中的C相∶d=0.7558、0.4265、0.2865nm）；（7）褐铁矿（对应图谱中的H相，即水合氧化铁矿∶d=0.470、0.312、0.250nm）相。

在XRD图谱中出现的蒙脱石、黄铁矿、铝土矿、石英是煤矸石的特征组分，莫来石是煤渣或粉煤灰的常见组分，而石膏、水锈（褐铁矿）可能是反应产物。

2.2.2差热分析

差热分析（DSC-TGA热重差热联用分析法）是在程序控制温度下测量物质和参比物之间的温度差、能量和质量变化的一种分析方法，试验原理是利用物质在升温、降温或恒温过程中发生的物理和化学变化伴随着吸热、放热、质量变化等现象来判断试样的物相组成或了解试样的热变化特性［6］。采用美国TA公司制造的SDT-Q600型同步热分析仪，升温范围（室温～1000℃），升温速率5℃/min，对磨细烘干后的样品进行差热试验，样品DSC-TGA曲线如图5所示。

从图5的DSC-TGA曲线可以看出：在50～200℃、250～ 350℃、450～600℃和950～1000℃之间分别出现了明显的吸热谷。结合该样品的XRD图谱分析，50～200℃出现的吸热谷是由吸附水脱水、石膏脱水变成无水石膏产生；250～350℃出现的吸热谷是由蒙脱石分阶段脱失层间吸附水；450～600℃出现的吸热谷是由蒙脱石失去结晶水，晶格遭到破坏，同时硬水铝石OH逸出，转化为Al2O3而产生；950～1000℃出现的吸热谷是蒙脱石剩余羟基脱失，转变成非晶态而产生。

该样品的DSC-TGA曲线进一步证实了现场黑色骨料样品中存在蒙脱石组分。

2.3黑色骨料判断

2.3.1分析结果判断

通过对现场所取黑色骨料的化学成分分析、矿物组分分析（XRD、DSC-TGA分析），该样品在化学组成上以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，主要矿物成分包括黄铁矿、铝土矿、蒙脱石、莫来石、褐铁矿、石英等。从化学成分和矿物组分上初步判断该样品为煤矸石。

煤矸石是在煤炭形成过程中与煤层伴生的一种含碳量低、比较坚硬的黑色岩石。按化学成分的差异分为三种形式：炭质、泥质和砂质。三种煤矸石的典型化学成分见表3所示。

根据化学成分判断，该样品属于炭质煤矸石。

2.3.2样品来源判断

该楼板浇注于2012年10-11月期间，查阅该楼板浇筑期间商品混凝土搅拌站的混凝土骨料进场台账，获知该批骨料采购自重庆巴南区某建材厂，现场调查发现该公司采石场局部穿越煤层，所生产的混凝土骨料中混杂少量煤矸石。从实验室样品测试分析和溯源调查，推断该房屋楼板中出现的黑色物质为混杂在混凝土骨料中的煤矸石。

图5　现场样品DSC-TGA曲线

表3　三种煤矸石的典型化学成分（单位：%）

3　爆裂原因分析

3.1煤矸石的性质

从前面的分析可知，该房屋楼板混凝土中存在的黑色骨料为炭质煤矸石，煤矸石在大气中容易风化、崩解，这种性质是与其矿物组成相关的，很大程度上是由煤矸石中的蒙脱石引起，蒙脱石是一种颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物，具有较高的吸水膨胀能力。

3.2煤矸石膨胀、崩解的条件

煤矸石具有较强的吸水性，但其裂隙结构的吸水过程是缓慢进行的，一般会持续一至二年，同时还需具备一定的条件，主要条件有以下两个方面：

（1）温度变化是引起煤矸石风化的主要因素，炭质煤矸石呈黑褐色，吸热能力较强，当温度变化较大时，煤矸石受热或冷却，其内部不同矿物颗粒间的联结力遭到破坏，使煤矸石产生裂缝，同时煤矸石自身强度较低，不能抵抗裂缝的扩展，导致崩解分离成松散的颗粒。

（2）盐类结晶。煤矸石中溶于水的盐类也会产生一定的破坏作用，特别是蒙脱石具有较强的吸湿性，能从空气中吸收大量的水分而使体积增大，产生膨胀，也会造成煤矸石自身的崩解。

也就是说煤矸石产生膨胀、崩解是温度、湿度和接触介质三方面综合作用的结果。

3.3工程爆裂原因分析

结合煤矸石的性质、崩解条件和工程实际情况，分析工程楼板混凝土产生局部爆裂的过程及原因如下：

（1）在工程楼板浇筑初期，混凝土骨料中混杂部分煤矸石骨料，混凝土中存在大量拌合水，但此阶段水主要参与水化反应，水泥浆的包裹对煤矸石与水的接触起到阻隔作用，所以在混凝土浇筑初期至水泥水化反应基本完成的阶段，楼板混凝土并没有出现因煤矸石崩解造成的爆裂现象。

（2）在水泥水化反应基本完成后，混凝土内部仍然还存在极少量的自由水，水分经过长期的渗透后与煤矸石接触，产生吸水膨胀，但内部混凝土足够的强度对煤矸石的崩解形成较强的约束，所以内部混凝土未发现开裂。

（3）板底表面混凝土直接与大气接触，空气中的水分经过长期的渗透进入表层混凝土以及楼板装饰装修材料中的水分，与煤矸石接触后，具备了促使煤矸石发生崩解的湿度条件，部分煤矸石开始吸水膨胀、崩解，膨胀产生的应力使得强度较低的装饰层破裂。

（4）据委托方了解，该楼板在4-6月份产生爆裂的现象较多，这是因为在此期间，温度变化较为剧烈，形成了促使煤矸石发生崩解的温度条件。

（5）产生爆裂的数量、程度和时间与煤矸石中膨胀性成分的含量、接触介质的状况有关，所以现场观察到的爆裂点呈随机分布，且严重程度不一。

（6）煤矸石骨料中硫铁矿等有色矿物组分的氧化还原反应生成水锈（褐铁矿），使得产生爆裂的煤矸石骨料四周出现黄色或褐色的轮廓线。

4　结语

通过以上分析可知，该房屋楼板混凝土底部局部爆裂现象，主要是由于温度、湿度和接触介质变化导致煤矸石、蒙脱石等膨胀、崩解造成的。针对这种由于温、湿度环境、接触介质变化等综合作用导致的混凝土破坏现象，只有充分了解其侵蚀机理，明确其爆裂原因，才能从本质出发主动预防混凝土的开裂破坏，保证结构的安全、耐久性能。目前，在重庆地区许多预拌混凝土仍然有不少采用混有煤矸石的骨料，在温湿度不断变化、长期受疲劳荷载环境中使用时，具有很大的安全风险，应尽快规范骨料质量管理或采取相关技术措施预防类似质量问题发生。

［1］张红.砂石骨料已成为制约高性能混凝土发展的瓶颈［J］.混凝土世界，2015，5（71）：42-45.

［2］张长森.煤矸石资源化综合利用新技术［M］.北京：化学工业出版社，2008：12-13.

［3］中国建筑材料科学研究院.GB/T5762-2000建材用石灰石化学分析方法［S］.北京：中国标准出版社，2000：3-11.

［4］杨南如，岳文海.无机非金属材料图谱手册［M］.武汉：武汉工业大学出版社，2000：1-2.

［5］辽宁仪表研究所.JB/T 9400-2010 X射线衍射仪技术条件［S］.北京：机械工业出版社，2010：1-2.

［6］公安部天津消防研究所.GB/T13464-2008物质热稳定性的热分析试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2008：2-3.

责任编辑：孙苏，李红

建筑检测

回弹法检测混凝土抗压强度的最新规定

1.回弹仪M弹仪的标准冲击能量仍为2.207 J，它在洛氏硬度HRc为60+2的钢砧上的率定值为80+2不变。规程规定可采用数学式回弹仪，但其上应同时带有指针直读示值系统，数字显示的回弹值与指针直读示值相差不应超过1。

2.检测技术构件和测区的检测数量。混凝土强度按单个构件或批量进行检测。单个构件检测：测区不宜少于10个，当受检构件数大于30个，且不需提供单个构件推定强度或受检构件尺寸大于4.5mm时，每个构件的测区可适当减少，但不应少于5个。批量检测：仍规定抽检数不少于同批构件总数30%，且不宜少于10个。

强度换算值的修正。当检测条件与常用条件有较大差异时（普通混凝土、普通成型工艺、干燥表面、强度不大于60 MPa），可采用同条件立方体试件（尺寸为边长150mm、不少于6个）或在构件上钻取混凝土芯样（直径100mm、高径比为1，不少于6个）对测区混凝土强度值用修正量进行修正，芯样在测区内钻取。将试样或芯样结果的平均值与相对应的测区混凝土强度换算值的平均值之差作为修正量，旧规程采用测区混凝土强度换算值乘以修正系数）。

回弹值测量。测量时回弹仪轴线垂直于混凝土检测表面，对泵送混凝土测量应选在混凝土构件的侧面。每一测区读取16个回弹值。

碳化深度值。碳化深度值与回弹值决定混凝土的强度换算值。测量方法与旧标准相同，不同之处：可采用1%～2%的酚酞酒精溶液来处理，用深度测量仪测3次，每次读数精确到0.25mm，取三次测量平均值为检测结果，精确到0.5mm。

3.回弹值计算计算方法与旧规程相同，即从该测区16个回弹值中去除3个最大值和3个最小值，余下的按算术平均值计算测区的平均回弹值，精确至0.1。用该平均回弹值可直接查表（规程附录A，B）求得混凝土的强度换算值。对非水平方向检测混凝土浇筑侧面或水平方向检测混凝土浇筑表面或浇筑底面时测区的平均回弹值应加以修正。

4.测强曲线规程规定了通过试验建立测强曲线的条件，保留了使用20年的非泵送混凝土的统一测强曲线。规程以大量实验数据建立泵送混凝土的测强曲线。

Cause Analysis on Partial Cracking of Gangue Concrete in A

Based on a practical case where partial cracking takes place at concrete floor bottom with unidentified dark material appears at the cracking point，through on-the-spot investigation and sample analysis，and combine with analysis on chemical composition，X-ray diffraction，differential thermal analysis and so forth，the cracking causes are analyzed.The study shows that the alteration of temperature，humidity and contact medium leading to the expansion and disintegration of gangue and montmorillonite is the cause for partial cracking，and the gangue mixed in aggregate has potential hazards to the concrete appearance and durability，which should be given much attention.

gangue；expansion；partial cracking；differential thermal analysi

TU502+.5

A

1671-9107（2016）09-0056-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.09.056

2016-06-07

张航（1985-），男，湖北襄阳人，研究生，工程师，研究方向为建筑材料、工程质量检测。