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《重慶建筑雜志》2014年第八期
1試驗(yàn)結(jié)果
1.1原材料檢驗(yàn)對(duì)該樓板混凝土所用同批次原材料進(jìn)行了檢驗(yàn),主要針對(duì)各種原材料中可能引起混凝土膨脹或安定性不良的組分,如SO3、f-CaO、燒失量、安定性、MgO、堿含量、含氣量和釋放氨等。經(jīng)檢驗(yàn),該工程樓板混凝土所用水泥、外加劑、粗細(xì)骨料、拌合水均合格,但粉煤灰的細(xì)度、燒失量、f-CaO、SO3和安定性均不合格,檢驗(yàn)結(jié)果見表1。在采用雷氏夾測(cè)定粉煤灰的安定性時(shí),發(fā)現(xiàn)安定性試件在沸煮后產(chǎn)生明顯體積膨脹,見圖4。同時(shí)在測(cè)定粉煤灰細(xì)度時(shí),發(fā)現(xiàn)篩余物中存在大量帶有金屬光澤的微小顆粒,見圖5。根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果,首先可以判斷,造成混凝土產(chǎn)生異常現(xiàn)象的膨脹源存在于粉煤灰中,其次,由于混凝土在膨脹過程中伴隨著氣體放出,表明這種膨脹明顯有別于鈣礬石膨脹和游離氧化鈣膨脹,需要對(duì)粉煤灰進(jìn)行深入分析。
1.2粉煤灰化學(xué)成分分析對(duì)粉煤灰樣品進(jìn)行了化學(xué)分析,結(jié)果見表2。從表2中可以看出,該粉煤灰與常規(guī)粉煤灰在氧化物種類上是相同的,但各組分含量特別是三氧化二鋁含量存在較大差異。
1.3粉煤灰XRD分析對(duì)該粉煤灰樣品進(jìn)行X射線衍射分析,XRD圖譜見圖6。圖中除二氧化硅(SiO2)、三氧化二鐵(Fe2O3)、三氧化二鋁(Al2O3)、硫酸鈣(CaSO4)晶體衍射峰外,在2.3388A、2.0265A、1.4321A和1.2216A還出現(xiàn)了單質(zhì)鋁衍射特征峰。從粉煤灰樣品的XRD衍射可以判斷,存在于粉煤灰中帶金屬光澤的微小顆粒為單質(zhì)鋁。
2分析與討論
2.1機(jī)理分析金屬鋁粉正是早期混凝土行業(yè)中,用作混凝土膨脹劑膨脹源的一種比較常用的物質(zhì),但鋁粉作膨脹源在膨脹時(shí)機(jī)和膨脹量上具有很大的不可控性,且對(duì)強(qiáng)度影響較大,已被明令禁止用于生產(chǎn)混凝土膨脹劑。鋁是一種化學(xué)性質(zhì)活潑的兩性金屬,在一定條件下能與強(qiáng)堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成氫氣并放出熱量,化學(xué)反應(yīng)方程式見①式:反應(yīng)①實(shí)質(zhì)上是一個(gè)分步反應(yīng),鋁先與水反應(yīng)(②式),生成氫氧化鋁,且溫度越高反應(yīng)越快;在強(qiáng)堿環(huán)境中,Al(OH)3和OH-反應(yīng)生成偏鋁酸鹽和水(③式)。從上可以看出,影響Al與水反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素是溫度和強(qiáng)堿性環(huán)境,所以該反應(yīng)的發(fā)生應(yīng)具備三個(gè)條件:一定的溫度;強(qiáng)堿環(huán)境;有單質(zhì)鋁參與。①式中生成的氫氣是一種可燃的氣體,密度為0.0899g/L,約為空氣的1/14,其擴(kuò)散性和導(dǎo)熱能力為空氣的7倍。根據(jù)溫度的不同,1g鋁完全反應(yīng)后放出的氫氣1.24L~1.44L,如此多量的氫氣如果被密封在混凝土內(nèi),將會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力,在混凝土強(qiáng)度尤其是抗拉強(qiáng)度很低的早期階段,這種應(yīng)力足以讓混凝土產(chǎn)生膨脹和開裂。
2.2混凝土冒氣膨脹過程分析從前述分析可知,導(dǎo)致該工程樓板混凝土產(chǎn)生冒泡膨脹的源頭是混雜在粉煤灰中的金屬鋁粉,結(jié)合其膨脹機(jī)理,對(duì)其產(chǎn)生的異常情況分析如下:(1)在混凝土拌合、運(yùn)輸及澆筑初期,水泥水化反應(yīng)處于誘導(dǎo)期,放熱速率小,堿度低,粉煤灰中金屬鋁表面存在的氧化物尚未完全溶解,金屬鋁與水反應(yīng)較為緩慢,冒泡現(xiàn)象不明顯。(2)在混凝土凝結(jié)和早期硬化階段為水泥水化加速期,強(qiáng)堿性環(huán)境(pH值10~12)逐漸形成,水化熱逐漸升高,此時(shí)三個(gè)條件同時(shí)具備,反應(yīng)開始發(fā)生。(3)單質(zhì)鋁與強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng),生成可燃性的氫氣并放出熱量,由于該反應(yīng)有水參與,要消耗掉混凝土中的游離水,混凝土表現(xiàn)出坍落度損失較快;同時(shí)擴(kuò)散性極強(qiáng)的氫氣溢出至混凝土表面后,從混凝土表面泌水、養(yǎng)護(hù)水或浮漿中冒出,呈現(xiàn)出“沸騰狀”。(4)在混凝土尚未完全失去塑性的初凝至終凝階段,混凝土強(qiáng)度特別是抗拉強(qiáng)度很低,封閉在混凝土內(nèi)部的大量氫氣產(chǎn)生較大的應(yīng)力,使混凝土體積產(chǎn)生膨脹甚至開裂,氫氣溢出后混凝土內(nèi)部原先被氫氣占據(jù)的空間形成氣孔,表面混凝土形成向外的喇叭口形氣孔。
3結(jié)論
通過對(duì)該工程樓板混凝土所用原材料進(jìn)行深入分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,得出混凝土發(fā)生冒氣、膨脹的原因是粉煤灰中的鋁粉所致。摻合料是商品混凝土實(shí)現(xiàn)高性能、高耐久性的技術(shù)措施和必要條件之一,但這很大程度上取決于摻合料的品質(zhì),劣質(zhì)的摻合料往往適得其反。在重慶地區(qū)摻合料特別是優(yōu)質(zhì)粉煤灰供不應(yīng)求的現(xiàn)實(shí)條件下,如何兼顧生產(chǎn)和質(zhì)量是每個(gè)從業(yè)者必須認(rèn)真思考的問題。此外,開發(fā)出一種新型的混凝土摻合料,作為粉煤灰的替代品也是迫在眉睫的。
作者:宋開偉陳國(guó)福張航單位:重慶市建筑科學(xué)研究院