某高層住宅樓混凝土脹裂損傷分析與安全性能評價研究

翟光南 （銅陵市建筑工程管理局，安徽 銅陵 244000）

0 前言

隨著經濟建設及城鎮化建設的大規模推進，我國工程建設量呈爆炸式增長，高樓大廈如雨后春筍般出現，但建筑結構病害損傷也屢見不鮮，近年來由于部分地區商品混凝土粗骨料短缺，加之工業冶金渣過剩，部分商品混凝土中摻入部分工業冶金渣狀骨料替代普通粗骨料的現象時有發生，摻有渣狀骨料的混凝土結構構件常常在混凝土硬化后或房屋使用早期表面出現散狀無規律分布的錐體狀脹裂損傷現象。

脹裂損傷嚴重的混凝土結構構件在房屋設計使用年限內可能影響結構安全，隨著不間斷、無規律脹裂損傷點的出現，嚴重影響房屋正常使用。本文對某地高層剪力墻結構住宅樓所出現的混凝土構件脹裂損傷進行原因分析及安全性評價研究，可為同類工程事故的處理提供參考借鑒。

1 工程概況

某地高層住宅樓于2020年初建成并交付使用，大樓地下2層，地上32層，總建筑面積約為18000㎡，主體為鋼筋混凝土剪力墻結構，設計使用年限為50年，抗震設防類別為丙類，當地抗震設防烈度為7度（分組為第一組），建筑場地類別為III類，抗震墻的抗震等級為二級。房屋建成交付使用約三個月后，局部樓層混凝土構件表面出現點狀脹裂損傷，部分居民已入住，已裝修的混凝土構件表面脹裂導致裝飾面層起鼓、脫落。

2 現狀損傷調查與檢測

結構現狀損傷的調查與檢測主要針對混凝土構件的脹裂、起鼓損傷進行調查、檢測，對典型的脹裂點尺寸進行檢測，為相關試驗提供依據。

損傷調查與檢測的范圍包括損傷樓層的戶內、公區及可視范圍內的外立面。

根據現場調查、檢測可知，部分混凝土構件表面存在不同程度的點狀脹裂、起鼓損傷，損傷點呈無規律分散分布，一般脹裂處剝落的混凝土呈錐體形狀塊體，混凝土剝落后在構件脹裂點處留下以錐體頂點為中心的輻射狀凹坑，錐體頂點位置存在黑褐色渣狀骨料，該骨料表面呈松散、多孔形態。

圖1 混凝土構件典型脹裂點狀況照片

研究小組對不同樓層的所有構件脹裂點數量及尺寸進行相關統計分析，結合混凝土澆筑日期，將損傷程度相近的樓層混凝土劃分為同一檢驗批。

現場針對不同檢驗批的混凝土構件鉆取大量混凝土芯樣，后續將針對不同檢驗批樓層開展相關試驗研究及性能評價。

3 脹裂原因分析

3.1 X射線衍射分析

現場調查及相關巖礦鑒定分析結果表明，脹裂點中心處的褐色渣狀骨料為引起脹裂的可疑物。針對現狀損傷程度不同的三個檢驗批，對其芯樣中分離出的典型渣狀骨料采用X射線衍射儀進行物相組成定量分析，分析其礦物組份。

由試驗結果可知，典型骨料樣品中含有斜硅鈣石、方鈣石、石英、方鐵礦、黑鈣鐵礦。其中含量最多的為斜硅鈣石，部分樣品中的相對百分比含量為50%左右，其主要成分與水泥中的硅酸二鈣一致；方鈣石、石英、方鐵礦、黑鈣鐵礦含量相近；方鈣石主要成分為氧化鈣。

3.2 波長色散XRF元素分析

根據X射線衍射分析可知，混凝土芯樣中分離出的渣狀骨料成分與工業冶金渣的一般組成成分相同。為進一步確定該冶金渣的化學元素組成及其有害物質的相對含量，選取芯樣中的渣狀骨料對其進行波長色散XRF元素分析。

由試驗結果可知，樣品中含量高的氧 化 物 為 SiO2、CaO、Fe2O3、MnO、Al2O3。

相關研究成果表明，鋼渣的主要化學成分與硅酸鹽水泥熟料和高爐礦渣的化學成分基本相似，鋼渣中氧化物相對含量因礦石、爐型、冶煉鋼種的不同而不同，主要化學成分為 CaO、Si02、MgO、Fe203、MnO、A1203和P205等。因此可疑物渣狀骨料與一般鋼渣的組成類似。

3.3 游離氧化鈣含量測試

相關研究成果表明，鋼渣中絕大多數的CaO都參與反應生成了硅酸鹽、鋁酸鹽及鐵鋁酸鹽等產物，以化合態形式存在的CaO不影響鋼渣的體積安定性。但少量CaO以游離態過燒f-CaO形式存在，這種游離態過燒f-CaO因過燒及被鋼渣中其他組分包覆，并沒有在混凝土凝結硬化前消化，而在混凝土凝結硬化后和水反應生成Ca(OH)2后體積膨脹，影響混凝土體積安定性，是導致混凝土表觀出現脹裂損傷的直接原因。

圖2 試驗的XRD譜

為分析脹裂損傷原因以及為長期性能評價提供必要技術依據，選取不同批次芯樣中分離出的渣狀骨料，對其f-CaO含量進行測定。

試驗采用乙二醇-EDTA化學滴定法測出鋼渣中氧化鈣總量，根據氫氧化鈣在高溫下受熱分解成氧化鈣和水，采用熱重分析法通過測量脫水質量計算出鋼渣中氫氧化鈣含量，二者之差即為鋼渣中f-CaO的含量。

測試結果表明，渣狀物骨料中含有f-CaO，其質量百分比為小于6%。相關研究顯示，f-CaO遇水后反應生成Ca(OH)2后體積增大。

圖3 f-CaO含量測試樣品照片

4 長期性能試驗

4.1 渣狀骨料含量檢驗

選取各檢驗批部分芯樣進行逐一稱重后破拆，將渣狀骨料與混凝土中常規粗骨料分離，對各芯樣中分離出的渣狀骨料進行稱重，進而計算各檢驗批芯樣渣狀骨料的相對含量。

統計分析可知，單個芯樣中渣狀骨料替代正常骨料的替代率為小于22%。

4.2 游離氧化鈣潛在危害性檢驗

渣狀骨料中存在游離氧化鈣，游離氧化鈣遇水反應后生成氫氧化鈣發生體積膨脹可能對混凝土外觀質量造成不良影響。

根據《建筑結構檢測技術標準》（GB/T50344-2019）的相關規定，硬化混凝土已經出現骨料體積穩定性造成的損傷時，可采取取樣沸煮試驗的方法檢測游離氧化鈣是否具有潛在危害性。研究小組對各檢驗批芯樣進行了沸煮試驗，確認混凝土渣狀骨料的游離氧化鈣是否具有潛在危害性。

根據GB/T50344的相關規定，當出現下列情況之一時，可判定游離氧化鈣對混凝土質量有潛在危害：

①有兩個或兩個以上沸煮試件（包括薄片試件和芯樣試件)出現開裂、疏松或崩潰等現象；

②試件抗壓強度變化率的平均值大于30%；

③僅有一個薄片試件出現開裂、疏松或崩潰等現象，并有一組試件抗壓強度變化率大于30%。

試驗結果表明，各批次混凝土渣狀骨料中所含的游離氧化鈣對混凝土安定性存在潛在危害。

游離氧化鈣含量測試結果 表1

典型檢驗批游離氧化鈣潛在危害性判定 表2

4.3 膨脹效應測試

相關研究表明，渣狀骨料沸煮后其f-CaO的降低量即為目標使用期內可能發生的反應量。研究小組對不同檢驗批的多組渣狀骨料進行高溫沸煮后并測試f-CaO含量，通過沸煮前后含量計算可得膨脹源膨脹后的混凝土體積增量。

5 長期性能評價

采用通用結構計算軟件（不考慮混凝土構件的局部損傷），按照實測的f-CaO含量計算混凝土體積增量。計算中將混凝土體積增量等效為外部荷載作用于損傷樓層。

圖4 潛在危害性試驗前后現狀照片

圖5 某損傷樓層混凝土梁彎矩計算結果比對

計算分析結果表明，考慮膨脹效應后各樓層的混凝土構件的內力包絡無明顯變化（見圖5），承載能力仍能滿足現行國家規范的相關要求，即渣狀骨料的膨脹反應在房屋目標使用期內對結構安全無明顯不利影響。但結構整體膨脹效應分析中未考慮構件存在的現狀損傷，混凝土脹裂持續發生將導致截面削弱、耐久性損傷，進而對承載力造成不利影響，故在后續使用過程中應對脹裂損傷進行隨時修復。

圖6 大樓三維計算模型

6 結語

①混凝土粗骨料中摻入與鋼渣組成類似的冶金渣骨料中含有游離態過燒氧化鈣，其在混凝土硬化后遇水消化產生體積膨脹是導致混凝土構件表面發生脹裂損傷的根本原因。

②混凝土脹裂損傷的原因可通過對芯樣破拆后分離出的渣狀骨料進行巖礦鑒定、衍射分析、熒光光譜分析、化學滴定等現狀性能試驗確定；也可簡化為對脹裂損傷產生時間、癥狀特征、粗骨料來源于運輸、脹裂點中心處的骨料顏色、硬度調查結合脹裂點中心處的骨料氧化鈣含量化學分析確定。

③對于此類工程事故建議對結構安全性進行長期性能評價。可按照實測的渣狀骨料含量計算混凝土體積增量，采用通用結構設計軟件考慮混凝土體積增量產生的整體膨脹效應對結構承載力進行計算。

④渣狀骨料含量較低時可能對目標使用期內的結構安全無明顯不利影響，但由于游離氧化鈣的存在對混凝土安定性具有潛在危害，故應對脹裂損傷構件進行及時修復，避免局部膨脹對整體安全造成不利影響。