混凝土损伤理论的分析研究

由于混凝土破坏是多方面因素造成的,要确定其破坏因素,除了现场调查外,还必须对混凝土进行仔细的检验。为此,进行了各方面的分析研究。
 
(1)混凝土碱-集料反应分析
水泥中的碱与集料中的活性二氧化硅发生化学反应,生成碱-硅酸凝胶,并吸水产生膨胀压力,致使混凝土开裂的现象称为碱-集料反应。碱-集料反应的基本条件是水泥碱含量较高,集料含活性二氧化硅等碱活性成分。活性二氧化硅主要有蛋白石、玉遂、鳞石英、方石英、酸性或中性玻璃体的隐晶质火山岩等,碱-集料反应的特征是在活性集料周围有碱-硅酸凝胶存在,宏观上表现为混凝土出现地图状的裂纹。
①集料分析施工所用集料进行的显微结构分析果表明,集料结晶度差。取编号为P107+3的混凝土芯样进行岩相检测,检测结果表明:粗集料全部为碳酸盐岩类,含量>98%,结晶粒度为0.01~0.3mm;细集料主要为石英砂(55%)和长石砂(40%)组成,它们均呈单体,其中20%的石英具有波状消光。此外,还对编号为P132+28.5的未破坏混凝土粗、细集料进行了岩相分析,结果与P107+3混凝土中的集料的分析结果基本一致。
为了进一步检验集料的碱活性,按JGJ53-92《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》进行了集料碱活性化学法试验,该方法规定当试验结果出现下列两种情况的任一种时,则还应进行砂浆长度法试验,以进一步验证。
②混凝土芯样的试验在机场共钻取了10个混凝土芯样,其中5个是在破坏混凝土部位钻取的,5个是在未被破坏部分钻取的。5个未破坏的混凝土颜色呈灰色,结构致密。5个已发生破坏芯样中表面砂浆层与集料之间界面呈灰白色,用放大镜观察发现砂浆层与集料之间黏结较差,空隙较多。
将破坏和未被破坏的混凝土各加工成6块10cm×10cm×10cm的试件,进行抗压强度与劈张强度试验。结果表明:未破坏混凝土的抗压强度和劈张强度均能满足设计要求,混凝土试块内部较完好,密实,颜色呈正常的青灰色;而已经发生破坏的混凝土试件强度已大大下降,低于设计要求值,混凝土块劈开后,砂浆层和集料之间黏结疏松。取两种混凝土试样进行X射线分析,从分析结果看,破坏混凝土试样中存在有大量的Ca(OH)2和有大量的CaCO3,而未破坏试件中Ca(OH)2的数量则少得多。
对破坏混凝土和未被破坏混凝土的上表面、内部一直到二灰层上部,进行了扫描电镜和能谱分析。在混凝土中未发现碱集料反应凝胶和贯穿集料的裂纹。共进行了187个测点的分析,分析结果表明:好的混凝土内部水泥水化的C-S-H胶体与晶体紧密结合,水化产物与集料颗粒结合紧密;而已经破坏的混凝土内部针、杆状钙砚石富集(图7-17)导致较大的膨胀;水泥中的fcao,尤其是死烧的fcao缓慢水化产生的Ca(OH)2造成了混凝土的膨胀破坏。
 
(2)混凝土所用原材料(水泥、水等)性能检验水泥是混凝土中最主要的组成材料,为了保证混凝土在各种条件下具有良好的力学性能和耐久性,必须对水泥的品种进行正确、合理的选择。水泥对新拌混凝土(如凝结时间、多水率、工作性能)和硬化混凝土的主要力学性能(如强度、收缩、参透性和耐久性等)有重要的影响。根据国家建材局“水泥企业质量管理规程”的规定,立窑熟料fco<3%,旋套熟料fcao<1.5%。由供应水泥厂的熟料台账可以看出:每一台容所生产的熟料fco月平均值经常超标,不合格率也相当高。在供应机场水泥期间,fcao的数值也是如此,个别时间Ico最高达11%,由此可见熟科质量很差。
还对从该厂采集三种类型的熟科块进行了岩相分析。
①黑密烧结料块这是熟料中烧结致密的物料,呈灰黑色,矿物分布均匀,晶体发育较好,内有平行双晶C2S晶体,表明烧成温度低于1400℃,冷却速率慢。
②白色还原料此熟料为还原料,色泽发白,较致密,窑内通风差,熟料严重还原,在C3S晶体内有包裹物(多为fcao),包裹的fcao由于经高温死烧,水化慢,会造成硬化混凝土膨胀开裂。
③轻烧料此物料疏松多孔,锻烧温度低,矿物发育不好,有fcao,C3品体大小不匀。此外,熟料中MgO多为小片状晶体,大约4~12pm,但有小堆分布,含量约4%左右。综上所述,该厂的熟料锻烧好的部分,矿物分布是较均匀的,但锻烧温度低,尤其是轻烧料,对矿物发育不利;窑内还原气氛较浓,铁、硫被还原,原料中MgO较多,熟料冷却速度慢。死烧fcao、MgO结晶不易水化,造成硬化后混凝土膨胀开裂。对水泥试样的X射线衍射分析可见,除了水泥的主要矿物组成外,水泥中还存在Ca(OH)2和fcao。
对于施工中用作二灰层的石灰,粉煤灰及水泥生产作掺合料的矿渣和拌和用水也进行了化学分析,从它们的化学成分来看,无有害成分,不会对混凝土产生有害的影响。

(3)破坏原因分析
①工程所用部分水泥质量是不稳定的,其质量不稳定源于水泥熟料质量较差,熟料烧成处于较严重的还原气氛,烧成不均匀,其中有的熟料,如黑色致密的熟料凝结时间正常,而棕色和白色的熟料凝结时间快。处于还原气氛的熟料影响水泥凝结时间或快或慢,从而严重影响到水泥混凝土的施工质量。
②该厂水泥熟料中fcao经常超过“水泥企业质量管理规程”小于3.0%的规定。有时超过的还比较多,个别的情况达10%以上,虽然经存放,但水泥中的一部分fcao在凝结硬化过程中水化很慢,混凝土已经凝结硬化后还在继续起水化作用,产生体积膨胀,当游离氧化钙量超过一定数值时,即能导致已硬化混凝土的破坏。
③破坏混凝土中存在一定数量的钙砚石,有的混凝土部分特别集中并富集,这种矿物从破坏混凝土的表面至内部和下部都有存在,在硬化混凝土中,会产生体积膨胀,造成混凝土开裂。
④破坏混凝土表面出现的斑点,大部分是由于混凝土内部渗出物被尘土污染所致,如Ca(OH)2渗至表面被尘土污染就会形成浅褐色的斑点,随其渗出物的面积扩大,斑点亦会扩大变深。在试验过程中发现了水泥中的褐色矿物硫化钙(CaS),但它的数量很少,不可能使破坏混凝土大面积地染上斑点。破坏混凝土表面层中有大量Ca(OH)2和CaCO3存在,说明斑点主要是Ca(OH)2渗出物被污染所致。

 

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