超限游离氧化钙混凝土的体积安定性试验

曾家民，曾琦芳，林煌斌

（1.华侨大学 土木工程学院，福建 厦门361021；2.华侨大学 建筑学院，福建 厦门361021；3.同济大学 应用力学研究所，上海200092；4.集美大学 工程技术学院，福建 厦门361021）

水泥体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性，即水泥硬化后内部不再产生大的体积变化［1］.安定性不良会使混凝土结构产生膨胀性裂缝，引起结构损伤，而损伤持续累积会影响到结构整体安全［2-3］.水泥体积安定性是水泥最主要的技术指标.造成水泥体积安定性不合格，主要有以下3点原因：水泥中游离f-CaO过多、游离f-Mg O过多，以及SO3过多.在水泥标准中，f-Mg O和SO3的质量分数不超过5%和3.5%，因此，对出厂水泥的安定性检验主要针对f-CaO.混凝土体积安定性不合格的破坏性可在混凝土浇筑后1～3 d表现，也可在28 d强度检验中发现异常，最危险的情况是在正常使用条件下，隐藏多年待反应条件适合才爆发，按常规方法检验混凝土强度，较难发现问题 .混凝土体积安定性检测一般采用以下3种方法：1）膨胀应力法［4-6］；2）定量分析法；3）沸煮法.沸煮法的检测结果比较直观、可靠［7-8］.本文结合某工业厂房鉴定项目，分析超限f-CaO水泥体积安定性的试验方法.

1 结构安定性试验方案

1.1 工程概况

以福建泉州某现浇混凝土框架结构的六层厂房和七层宿舍楼为工程案例.当时因赶工程进度，在进场水泥复检结果未明确前，将水泥用于厂房第五层梁板和五层柱，以及宿舍楼第六层柱和七层梁板.工程所用原材料为P.O 42.5R水泥、河砂（细度模数2.6，泥质量分数为3.2%）、碎石（花岗岩，粒径20～40 mm）.混凝土强度等级为C20，水泥、河砂、碎石、水的体积质量比分别为318，668，1 230，185 kg·m-3，水灰比（W／C）为0.58，坍落度为60 mm.

施工后发现使用的水泥安定性不合格，因此采用沸煮法进行混凝土安定性检验 .但对其膨胀性能，特别是对混凝土的破坏能力未能充分反应，需要结合强度检测等其他方法对比.

1.2 混凝土体积安定性试验取样

对使用水泥体积安定性有问题的混凝土结构随机取芯制样 .为减小对混凝土结构损伤，芯块直径取75 mm，每区钻取2组，芯块两端面锯平粗磨后分别作常态检验和沸煮非常态检验，分别进行体积变化对比和强度对比.取样部位和所在轴线，如表1所示.

表1 取样部位和所在轴线Tab.1 Sampling location and axis

1.3 混凝土体积安定性试验

1）取各区钻取的一组试块，在其端面画出十字中心线后用千分表测其长度L0，再进行蒸煮.2）试块置于大锅，浸水淹没超50 mm，加温速度小于20℃·h-1，待水煮沸后持续3 h；之后让其降温，降温速度应小于25℃·h-1，以免降温速度过快导致混凝土试块产生内应力；试块温度降到室温后擦干，用千分表测其长度L1，并计算ΔL.3）测定同区经热处理和未经热处理的混凝土试块强度，比较其差异.4）对安定性超标，批号为052的存量水泥抽样，检测SO3和MgO的质量分数，并复检该水泥的物理力学性能.5）采用其他合格水泥制成40 mm×40 mm×160 mm的胶砂试块，进行同条件试验以作比较.

1.4 混凝土结构取芯后修复法

混凝土结构经取芯后的孔洞必须认真修复，芯孔清理洁净后，用膨胀混凝土填塞，打击成型，养护龄期不少于14 d.膨胀混凝土中P.O 42.5R普通硅酸盐水泥、水泥膨胀剂UEA、中砂、碎石（粒径5～10 mm）的体积质量比分别为1.00，0.12，1.50，2.00 kg·m-3.加水量以手捏成团，无明显水滴为宜.

2 试验结果与分析

对安定性超标的水泥抽样，测定其主要化学成分MgO和SO3的质量分数，如表2所示.表2中：η0为标准值；η1为水泥厂的检验结果；η2为华侨大学化工学院的试验结果.水泥物理力学性能复检结果，如表3所示.表3中：fr为抗折强度；fc为抗压强度；t0，te分别为初凝、终凝时间；细度F为水泥试样筛余百分数，采用负压筛法测定；ΔL为线变化（雷氏膨胀值），用于表征水泥安定性，采用雷氏法测定.从表2，3可知：复检结果与水泥生产厂检验结果无大差异，MgO和SO3的质量分数均符合标准要求，可以排除Mg O和SO3的影响.

表2 MgO和SO3的质量分数Tab.2 Mass fraction of MgO and SO3

表3 水泥物理力学性能复检试验Tab.3 Inspection test of cement physical and mechanical properties

混凝土芯样和P.O 42.5R水泥制成的胶砂试块经同等条件湿热处理后，其线变化、线变化率和抗压强度分别如表4，5所示.表4，5中：L0为初始长度；L1为湿热处理后长度；ΔL为线变化；η为线变化率；d为混凝土芯样直径；F为破坏荷载；fr为抗折强度；fc为抗压强度；水泥试块的尺寸（长×宽×高）为160 mm×40 mm×40 mm，测线变化时需标养3 d.

表4 芯样湿热处理后的测试结果比较Tab.4 Test results of core sample after heat-moisture treatment

表5 P.O 42.5R水泥试块湿热处理后的测试结果比较Tab.5 Test result of P.O 42.5R cement briquette after heat-moisture treatment

2000年4月24日，华侨大学土木工程检测中心水泥试验室再次复检，水泥安定性（雷氏法）为3 mm，比2000年3月26日进场复检的6 mm小.因为2000年2月24日出厂后水泥已再储存2个月，水泥中f-CaO随时间趋于稳定，对水泥体积安定性的检验结果越有利.3 d和28 d测得的水泥抗折强和抗压强度均符合标准.

从以上试验结果可得出：经一定的湿热工艺［9-11］条件处理后，水泥中f-CaO及其他成分已充分反应.该工程芯样线变化率在±0.013%之内，小于允许变形范围，强度又未明显下降.而水泥成型养护龄期仅3 d，经同条件湿热处理后，其线变化率明显增大，抗折和抗压强度显著降低.围墙地圈梁混凝土芯样的线变化率和抗压强度也没有发现异常，与主体结构芯样检测结果类似，由此可推断地圈梁混凝土和检测主体的混凝土均未发现其所用的水泥体积安定性有不良行为.虽然试验样本数有限，未能按数理统计方法得出规律性定量结论，但并不影响该试验结果的定性推断.

3 结论

1）对所用水泥中MgO和SO3的质量分数进行复检，两者均符合规范要求，排除MgO和SO3过多对水泥体积安定性的影响，确定f-CaO超限可能是引起体积安定性为主要因素.对混凝土芯样经过严格的湿热工艺处理后，芯样线变化率和抗压强度均在允许的范围内，未发现混凝土质量异常.经试验结果论证，推定该工程不用拆除可继续施工的鉴定结论.

2）该工程建成至今13 a，经持续观测，未发现因水泥中f-CaO问题引起的工程质量异常.

3）该工程案例表明：水泥体积安定性超限的混凝土工程不一定都要拆除，应根据其超限程度，运用水泥混凝土材料理论，对水泥和混凝土结构工程进行全面的检测论证.

［1］ 侯新凯，徐德龙，薛博，等.钢渣引起水泥体积安定性问题的探讨［J］.建筑材料学报，2012，15（5）：588-595.

［2］ 林煌斌，王全凤.描述结构动力卸载刚度的指标验证［J］.华侨大学学报：自然科学版，2011，32（6）：676-679.

［3］ 林煌斌，王全凤.高强混凝土柱变形-耗能损伤模型的参数确定［J］.华侨大学学报：自然科学版，2012，15（5）：588-595.

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［5］ 张雄，吴科如.混凝土中游离氧化钙定量分析与膨胀应力估测［J］.混凝土与水泥制品，1995（3）：13-15.

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［9］ 袁润章.胶凝材料学［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2006：60-61.

［10］ 唐明述.水泥和混凝土化学［M］.北京：中国建筑工业出版社，1984：21-22.

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