基于實例的煤矸石混凝土局部爆裂原因分析

張航，宋開偉

（重慶市建筑科學研究院，重慶400015）

基于實例的煤矸石混凝土局部爆裂原因分析

張航，宋開偉

（重慶市建筑科學研究院，重慶400015）

針對某房屋樓板混凝土底部產生局部爆裂，且爆裂點出現不明黑色物質的現象，該文通過對現場情況的調查和取樣測試分析，結合化學成分分析、X射線衍射分析、差熱分析等相關數據，分析了產生爆裂的原因。研究表明，溫度、濕度和接觸介質變化導致煤矸石、蒙脫石等膨脹、崩解是樓板混凝土底部發生局部爆裂的原因，骨料中混雜煤矸石對混凝土外觀、耐久性的潛在危害應引起高度重視。

煤矸石；膨脹；局部爆裂；差熱分析

0　引言

隨著工程建設的快速發展，混凝土用量日益增大，混凝土中砂、石骨料的不斷消耗與天然骨料資源逐漸匱乏的矛盾加深。骨料在混凝土中占較大比例，其品質、組成對混凝土的強度、體積穩定性、長期耐久性能等影響顯著，關于現代混凝土骨料的品質更多的是關注強度、級配及粒形等［1］，對骨料的來源、化學成分、礦物組成等不夠重視。目前，重慶地區砂石行業的一些小企業存在產品質量良莠不齊、亂挖亂采等現象，由此帶來了不少因骨料而產生的混凝土質量問題，例如骨料混雜煤矸石導致混凝土開裂、爆裂等。煤矸石與煤系地層共生，是在煤炭開采和洗選過程中被分離出來的巖石，其具有輕質高強的特征，經過簡單破碎、篩分即可作為集料配制混凝土，但是由于煤矸石成分較普通石子復雜，其耐久性是否可靠仍存在爭議［2］。為此，研究煤矸石對混凝土體積穩定性、耐久性的影響及機理非常重要。針對這一問題，根據工程實例，通過現場調查、試驗、機理分析等，明確摻有煤矸石混凝土局部爆裂破壞的原因，為避免類似問題提供參考。

1　實例概況

該房屋為住宅用鋼筋混凝土結構，樓板混凝土強度等級為C30，板厚100mm，2014年竣工，現已裝修完畢且業主已入住，在房屋使用過程中業主發現其臥室及客廳樓板板底裝飾層局部爆裂，爆裂點出現不明黑色物質。對該房屋樓板進行現場調查，情況如下：

（1）爆裂形態及分布。部分爆裂點表現為裝飾層開裂，裂縫形態呈點放射狀（如圖1所示），部分爆裂點裝飾層已經脫落（如圖2所示），總數量約有10余處，直徑5～15mm，在樓板板底呈隨機分布，其他部位未見異常現象。

圖1　裝飾層開裂

圖2　裝飾層脫落

（2）將爆裂點處裝飾層局部剔除，發現爆裂源來自于混凝土中的骨料，骨料顏色呈深灰色或黑色，邊緣與四周混凝土存在較明顯的輪廓線（如圖3所示），輪廓線較圓滑、完整，未產生尖銳突變和中斷，輪廓線內的黑色骨料發生破裂或部分粉化，但顆粒形狀基本保持完整，顏色呈深棕色或黃色（如圖3所示）。

圖3　黑色骨料輪廓線

（3）將黑色骨料掏出并仔細清理爆裂部位，發現輪廓線外的混凝土中無微裂縫產生，混凝土密實性良好，采用酚酞溶液測試，內部混凝土堿度正常。

（4）現場調查完成后，在樓板3個不同爆裂點處提取了黑色骨料樣品，并在該工程商品混凝土攪拌站提取了骨料樣品，此外，還取得與該批次樓板混凝土相關的工程資料。

2　樣品測試分析

將現場取回的黑色骨料樣品，剔除其中混入的砂漿、膩子，磨細樣品，并過80μm篩，烘干后進行樣品測試分析。

2.1化學成分分析

按照《建材用石灰石化學分析方法》GB/T5762-2012［3］對樣品進行化學分析，結果見表1所示。

表1　現場黑色骨料化學成分分析結果（單位：%）

由表1可以看出：該樣品主要是由Si-Al-Fe組成的礦物，氧化鈣含量較低，但燒失量較高，可以判定燒失組分不是由Ca-CO3和MgCO3等可分解礦物產生，而可能來自于其中的炭份。為了判斷該骨料樣品的礦物類型，同時選取了使用最為普遍的石灰石碎石、卵碎石進行化學成分分析，結果見表2所示。

表2　石灰石、卵碎石化學成分分析結果（單位：%）

從表1和表2的結果可以看出，現場所取的黑色骨料樣品在化學成分上不同于混凝土常用骨料，需要進一步分析其礦物成分。

2.2礦物成分分析

2.2.1X射線衍射分析

組成物質的各種相都具有特定的晶體結構（點陣類型、晶胞形狀與大小），當X射線照射晶態結構時，將受到晶體點陣排列的不同原子或分子所衍射，形成對應各相的X射線衍射花樣特征（衍射線位置與強度），因此可以利用X射線衍射試驗對物質進行精確的物相定性分析［4］。

將現場取回的黑色骨料樣品，剔除其中混入的砂漿和其他雜質，并將其磨細，在65℃條件下烘干，最后研磨過80μm篩。采用日本理學（D/MAX-ⅢC型）X射線衍射儀［5］，Cokα靶，管壓35kV，電流30mA，掃描步長0.02°，掃描速度8°/min，掃描范圍（2θ）5～70°，對試驗樣品進行X射線衍射試驗，XRD圖譜見圖4所示。

圖4　現場樣品XRD圖譜

從圖4的XRD圖譜可以看出，該樣品中包含以下礦物的特征衍射峰：（1）黃鐵礦FeS2（對應圖譜中的F相∶d=0.2708、0.2422、0.1633nm）；（2）鋁土礦（對應圖譜中的A相，即硬水鋁石α-AlOOH∶d=0.231、0.207、0.1634nm）；（3）蒙脫石（對應圖譜中的Mt相∶d=1.50、0.302、0.258、0.150nm）；（4）莫來石（對應圖譜中的Ml相∶d=0.343、0.269、0.221nm）；（5）石英SiO2（對應圖譜中的S相∶d=0.4255、0.3342、0.2281nm）；（6）石膏CaSO4·2H2O（對應圖譜中的C相∶d=0.7558、0.4265、0.2865nm）；（7）褐鐵礦（對應圖譜中的H相，即水合氧化鐵礦∶d=0.470、0.312、0.250nm）相。

在XRD圖譜中出現的蒙脫石、黃鐵礦、鋁土礦、石英是煤矸石的特征組分，莫來石是煤渣或粉煤灰的常見組分，而石膏、水銹（褐鐵礦）可能是反應產物。

2.2.2差熱分析

差熱分析（DSC-TGA熱重差熱聯用分析法）是在程序控制溫度下測量物質和參比物之間的溫度差、能量和質量變化的一種分析方法，試驗原理是利用物質在升溫、降溫或恒溫過程中發生的物理和化學變化伴隨著吸熱、放熱、質量變化等現象來判斷試樣的物相組成或了解試樣的熱變化特性［6］。采用美國TA公司制造的SDT-Q600型同步熱分析儀，升溫范圍（室溫～1000℃），升溫速率5℃/min，對磨細烘干后的樣品進行差熱試驗，樣品DSC-TGA曲線如圖5所示。

從圖5的DSC-TGA曲線可以看出：在50～200℃、250～ 350℃、450～600℃和950～1000℃之間分別出現了明顯的吸熱谷。結合該樣品的XRD圖譜分析，50～200℃出現的吸熱谷是由吸附水脫水、石膏脫水變成無水石膏產生；250～350℃出現的吸熱谷是由蒙脫石分階段脫失層間吸附水；450～600℃出現的吸熱谷是由蒙脫石失去結晶水，晶格遭到破壞，同時硬水鋁石OH逸出，轉化為Al2O3而產生；950～1000℃出現的吸熱谷是蒙脫石剩余羥基脫失，轉變成非晶態而產生。

該樣品的DSC-TGA曲線進一步證實了現場黑色骨料樣品中存在蒙脫石組分。

2.3黑色骨料判斷

2.3.1分析結果判斷

通過對現場所取黑色骨料的化學成分分析、礦物組分分析（XRD、DSC-TGA分析），該樣品在化學組成上以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主，主要礦物成分包括黃鐵礦、鋁土礦、蒙脫石、莫來石、褐鐵礦、石英等。從化學成分和礦物組分上初步判斷該樣品為煤矸石。

煤矸石是在煤炭形成過程中與煤層伴生的一種含碳量低、比較堅硬的黑色巖石。按化學成分的差異分為三種形式：炭質、泥質和砂質。三種煤矸石的典型化學成分見表3所示。

根據化學成分判斷，該樣品屬于炭質煤矸石。

2.3.2樣品來源判斷

該樓板澆注于2012年10-11月期間，查閱該樓板澆筑期間商品混凝土攪拌站的混凝土骨料進場臺賬，獲知該批骨料采購自重慶巴南區某建材廠，現場調查發現該公司采石場局部穿越煤層，所生產的混凝土骨料中混雜少量煤矸石。從實驗室樣品測試分析和溯源調查，推斷該房屋樓板中出現的黑色物質為混雜在混凝土骨料中的煤矸石。

圖5　現場樣品DSC-TGA曲線

表3　三種煤矸石的典型化學成分（單位：%）

3　爆裂原因分析

3.1煤矸石的性質

從前面的分析可知，該房屋樓板混凝土中存在的黑色骨料為炭質煤矸石，煤矸石在大氣中容易風化、崩解，這種性質是與其礦物組成相關的，很大程度上是由煤矸石中的蒙脫石引起，蒙脫石是一種顆粒極細的含水鋁硅酸鹽構成的層狀礦物，具有較高的吸水膨脹能力。

3.2煤矸石膨脹、崩解的條件

煤矸石具有較強的吸水性，但其裂隙結構的吸水過程是緩慢進行的，一般會持續一至二年，同時還需具備一定的條件，主要條件有以下兩個方面：

（1）溫度變化是引起煤矸石風化的主要因素，炭質煤矸石呈黑褐色，吸熱能力較強，當溫度變化較大時，煤矸石受熱或冷卻，其內部不同礦物顆粒間的聯結力遭到破壞，使煤矸石產生裂縫，同時煤矸石自身強度較低，不能抵抗裂縫的擴展，導致崩解分離成松散的顆粒。

（2）鹽類結晶。煤矸石中溶于水的鹽類也會產生一定的破壞作用，特別是蒙脫石具有較強的吸濕性，能從空氣中吸收大量的水分而使體積增大，產生膨脹，也會造成煤矸石自身的崩解。

也就是說煤矸石產生膨脹、崩解是溫度、濕度和接觸介質三方面綜合作用的結果。

3.3工程爆裂原因分析

結合煤矸石的性質、崩解條件和工程實際情況，分析工程樓板混凝土產生局部爆裂的過程及原因如下：

（1）在工程樓板澆筑初期，混凝土骨料中混雜部分煤矸石骨料，混凝土中存在大量拌合水，但此階段水主要參與水化反應，水泥漿的包裹對煤矸石與水的接觸起到阻隔作用，所以在混凝土澆筑初期至水泥水化反應基本完成的階段，樓板混凝土并沒有出現因煤矸石崩解造成的爆裂現象。

（2）在水泥水化反應基本完成后，混凝土內部仍然還存在極少量的自由水，水分經過長期的滲透后與煤矸石接觸，產生吸水膨脹，但內部混凝土足夠的強度對煤矸石的崩解形成較強的約束，所以內部混凝土未發現開裂。

（3）板底表面混凝土直接與大氣接觸，空氣中的水分經過長期的滲透進入表層混凝土以及樓板裝飾裝修材料中的水分，與煤矸石接觸后，具備了促使煤矸石發生崩解的濕度條件，部分煤矸石開始吸水膨脹、崩解，膨脹產生的應力使得強度較低的裝飾層破裂。

（4）據委托方了解，該樓板在4-6月份產生爆裂的現象較多，這是因為在此期間，溫度變化較為劇烈，形成了促使煤矸石發生崩解的溫度條件。

（5）產生爆裂的數量、程度和時間與煤矸石中膨脹性成分的含量、接觸介質的狀況有關，所以現場觀察到的爆裂點呈隨機分布，且嚴重程度不一。

（6）煤矸石骨料中硫鐵礦等有色礦物組分的氧化還原反應生成水銹（褐鐵礦），使得產生爆裂的煤矸石骨料四周出現黃色或褐色的輪廓線。

4　結語

通過以上分析可知，該房屋樓板混凝土底部局部爆裂現象，主要是由于溫度、濕度和接觸介質變化導致煤矸石、蒙脫石等膨脹、崩解造成的。針對這種由于溫、濕度環境、接觸介質變化等綜合作用導致的混凝土破壞現象，只有充分了解其侵蝕機理，明確其爆裂原因，才能從本質出發主動預防混凝土的開裂破壞，保證結構的安全、耐久性能。目前，在重慶地區許多預拌混凝土仍然有不少采用混有煤矸石的骨料，在溫濕度不斷變化、長期受疲勞荷載環境中使用時，具有很大的安全風險，應盡快規范骨料質量管理或采取相關技術措施預防類似質量問題發生。

［1］張紅.砂石骨料已成為制約高性能混凝土發展的瓶頸［J］.混凝土世界，2015，5（71）：42-45.

［2］張長森.煤矸石資源化綜合利用新技術［M］.北京：化學工業出版社，2008：12-13.

［3］中國建筑材料科學研究院.GB/T5762-2000建材用石灰石化學分析方法［S］.北京：中國標準出版社，2000：3-11.

［4］楊南如，岳文海.無機非金屬材料圖譜手冊［M］.武漢：武漢工業大學出版社，2000：1-2.

［5］遼寧儀表研究所.JB/T 9400-2010 X射線衍射儀技術條件［S］.北京：機械工業出版社，2010：1-2.

［6］公安部天津消防研究所.GB/T13464-2008物質熱穩定性的熱分析試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2008：2-3.

責任編輯：孫蘇，李紅

建筑檢測

回彈法檢測混凝土抗壓強度的最新規定

1.回彈儀M彈儀的標準沖擊能量仍為2.207 J，它在洛氏硬度HRc為60+2的鋼砧上的率定值為80+2不變。規程規定可采用數學式回彈儀，但其上應同時帶有指針直讀示值系統，數字顯示的回彈值與指針直讀示值相差不應超過1。

2.檢測技術構件和測區的檢測數量。混凝土強度按單個構件或批量進行檢測。單個構件檢測：測區不宜少于10個，當受檢構件數大于30個，且不需提供單個構件推定強度或受檢構件尺寸大于4.5mm時，每個構件的測區可適當減少，但不應少于5個。批量檢測：仍規定抽檢數不少于同批構件總數30%，且不宜少于10個。

強度換算值的修正。當檢測條件與常用條件有較大差異時（普通混凝土、普通成型工藝、干燥表面、強度不大于60 MPa），可采用同條件立方體試件（尺寸為邊長150mm、不少于6個）或在構件上鉆取混凝土芯樣（直徑100mm、高徑比為1，不少于6個）對測區混凝土強度值用修正量進行修正，芯樣在測區內鉆取。將試樣或芯樣結果的平均值與相對應的測區混凝土強度換算值的平均值之差作為修正量，舊規程采用測區混凝土強度換算值乘以修正系數）。

回彈值測量。測量時回彈儀軸線垂直于混凝土檢測表面，對泵送混凝土測量應選在混凝土構件的側面。每一測區讀取16個回彈值。

碳化深度值。碳化深度值與回彈值決定混凝土的強度換算值。測量方法與舊標準相同，不同之處：可采用1%～2%的酚酞酒精溶液來處理，用深度測量儀測3次，每次讀數精確到0.25mm，取三次測量平均值為檢測結果，精確到0.5mm。

3.回彈值計算計算方法與舊規程相同，即從該測區16個回彈值中去除3個最大值和3個最小值，余下的按算術平均值計算測區的平均回彈值，精確至0.1。用該平均回彈值可直接查表（規程附錄A，B）求得混凝土的強度換算值。對非水平方向檢測混凝土澆筑側面或水平方向檢測混凝土澆筑表面或澆筑底面時測區的平均回彈值應加以修正。

4.測強曲線規程規定了通過試驗建立測強曲線的條件，保留了使用20年的非泵送混凝土的統一測強曲線。規程以大量實驗數據建立泵送混凝土的測強曲線。

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

張航（1985-），男，湖北襄陽人，研究生，工程師，研究方向為建筑材料、工程質量檢測。