混凝土工程质量事故的定性分析与定量分析实例

张景发

混凝土工程质量事故的定性分析与定量分析实例

张景发

在混凝土中掺粉煤灰和木钙减水剂可达到节省水泥改善混凝土性能的效果，由于施工管理不善，发生混凝土质量事故，本文将采取定性分析和定量分析方法来分析混凝土质量事故发生的原因，可供同行们参考。

定性分析；定量分析；混凝土事故；掺量

0　前言

混凝土作为目前用量最大的一种建筑材料，广泛应用于工业与民用建筑、水利、城市建设，农林交通及海港等工程。

从近代科学关于混凝土的研究及大量的混凝土工程实践证明，混凝土出现质量问题是不可避免的，只是如何将混凝土质量问题控制在一定范围内这是人们所关注的。

混凝土出现质量事故后，人们一般遵循着调查、分析、总结的途径，采用文字来描述、分析事故发生的原因及结果，这对分析事故的发生原因显然是不够的，不能满足工程实践的需要，必须采用数字来描述事故发生的原因，方能满足分析事故的需要。

众所周知在混凝土中，木钙和粉煤灰掺量超过规定量，混凝土将出现凝结时间过长、早期强度偏低等现象，这种现象就是定性分析的结果。木钙和粉煤灰超过规定量达到多少才会出现上述现象？在本项工程混凝土质量事故中木钙掺量超过0.4%、粉煤灰掺量超过15% 就会发生上述现象，这种用数字来描述事故发生的原因可称之为定量分析。

混凝土工程出现质量事故分析发生的原因，大都采用定性分析即可满足要求，如果质量事故比较严重、影响较大，除作定性分析外，还应做定量分析。

定性分析和定量分析方法的选择，可根据工程质量事故情况选择不同的方法，常用的方法有化学的、物理的和物理化学三种方法。科研部门大都采用化学分析方法，而建筑施工部门大都采用物理的和物理化学的分析方法，如比色法、密度法等。

定性分析和定量分析不能截然分开，有时可同时进行，有时定性分析加以控制改进可作为定量分析的基础。

本文具体介绍某水利工程发生的混凝土质量事故情况，采用定性分析和定量分析，查找事故发生的原因，可供同行们参考。

1　工程简介

在我国西部某水利工程大坝基础为现浇特大型大体积混凝土，施工期间发生了质量事故，影响工程进度，造成经济损失。

1.1设计要求

混凝土设计等级 C20，抗渗 P8，抗冻融等级 D50，同时要求混凝土水化热低和避免碱骨料反应发生及抗硫酸盐侵蚀。

1.2混凝土配合比的确定

1.2.1原材料的选择

水泥：低热矿渣硅酸盐水泥32.5，密度3.07g/cm3。

砂：河砂。

碎石：四级配，粒径5～150mm。

粉煤灰：磨细灰，密度2.34g/cm3。

减水剂：木质素磺酸钙（以下简称木钙）。

引气剂：松香热聚物。

1.2.2混凝土配合比

混凝土配合比如表1所示。

表1　混凝土配合比　kg/m3

1.2.3标养试验结果

混凝土标养试验结果，详见表2。

表2　混凝土标养试验结果

2　混凝土工程质量事故调查情况

2.1事故现场调查情况

事故发生在8月中上旬的十余天里，在不同部位发生7起混凝土质量事故，详见表3。共同特点是混凝土表面层为软弱砂浆层，下部混凝土松软无强度。

2.2初步调查分析

事故发生后主管部门及有关单位在第一时间内进入施工现场，调查事故情况，并取样封存送有关单位进行分析，查找事故原因。

2.3事故混凝土取样封存

主管部门及有关单位会同施工部门共同到现场，接表3对应取样、造册、封存，送有关部门分析，为今后分析事故产生原因提供可靠依据。

表3　混凝土质量事故调查表

3　混凝土工程质量事故的定性分析

根据事故调查表（表1）共7起事故，其共同特点是“表面层为软弱砂浆层，下部混凝土松散无强度”，均系凝结时间超长引起的，因此可以认定与木钙掺量及粉煤灰与水泥用量比例有关，同时与当地当时的自然环境也有一定关系。

3.1木钙减水剂（以下简称木钙）掺量与事故混凝土的关系

在本项工程中基准混凝土木钙掺量为0.4%，由于某些原因造成超掺量而发生质量事故，在用水量（96.7kg/m3）不变的条件下进行定性分析。

（1）木钙掺量对混凝土早期强度的影响

在本项工程中，木钙适宜掺量为0.4%，当超过这个数量后混凝土强度均低于适宜掺量下的混凝土强度，掺量愈大强度下降也愈大，早期强度尤其明显见表4。

表4　木钙掺量对混凝土早期强度的影响

在保持用水量不变条件下（事故混凝土即是于此）当掺量超过0.5% 时，混凝土1d 强度仅达空白混凝土62%，当掺量达到1% 时，混凝土1d 未凝结硬化。当掺量达到1.5%时，混凝土3d 未凝结硬化（见表2）。 这是由于木钙掺量多混凝土凝结时间过长引起的，事故混凝土“混凝土松软颜色发黄”“夹有混凝土松软层用手捏呈松散状态”，即是由此引起的。

（2）木钙掺量对混凝土凝结时间的影响

掺木钙混凝土凝结时间一般在小于0.4% 时延缓1h 至2h，在用水量相同条件下，掺量为0.75% 混凝土初凝可延缓11h 以上，终凝时间可延缓13h 以上，如果掺量继续增加，混凝土可达数天不凝结，见表5。

表5　木钙掺量对混凝土凝结时间的影响

在本项工程中由于木钙超掺量混凝土凝结时间长，影响混凝土强度的正常发展，造成混凝土早期强度下降或松软无强度，如事故混凝土调查表中“混凝土松软颜色发黄”“夹有混凝土松软层，用手捏呈松散状态”均与木钙超掺量有关。

（3）木钙掺量对混凝土含气量的影响

有资料显示在保持用水量不变的条件下，随着掺量的增加，含气量也随着增加。

当木钙掺量达到0.5% 时，含气量达5.8%；掺量达0.75%时含气量可达8%；掺量为1%时含气量可达10.4%。

含气量的增加对混凝土后期强度及耐久性将会造成严重影响，在水胶比相同时含气量每增加1%，28d 强度下降4%～6%。当含气量超过一定值时，混凝土会出现长时间不凝结。

（4）木钙掺量与混凝土养护温度的关系

当超掺量使用木钙时，应把养护温度作为一个主要因素考虑。

当掺量为0.5% 时，养护温度为10℃，1d 强度可达空白混凝土的35%；当温度上升到30℃ 时，可达空白混凝土强度的90%；当养护温度低于5℃ 时，混凝土会长期不凝结。

本项工程地处我国西北部山区，是典型的大陆性气候，8月份白天气温可达30℃，夜间下降到10℃，温差达20℃ 以上，相对湿度晚上为20%，白天相对湿度较小。

白天浇筑的混凝土表面很快失水凝结硬化，而内部由于木钙超掺量，混凝土长时间不凝结，仍保持塑性状态，这就是事故混凝土中“混凝土松软无强度”产生的原因。

夜间浇筑的混凝土由于气温较低，在木钙超掺量下混凝土会“长时间不凝结”或者“早期强度偏低”。

（5）木钙掺量对混凝土和易性和流变性的影响

木钙掺入混凝土中在一定范围内其流变性能随着掺量的增加而增加。当掺量达到某一定值后增加掺量，流变性能无明显改善。

在混凝土中木钙掺量在0.75% 以内坍落度变化显著，当掺量大于0.75%，混凝土坍落度可达20cm 以上，混凝土保水性很差，拌合物易于出现离析泌水现象。见表6。

木钙掺量过多减水率增加，增大了混凝土流变性能在浇筑和振捣过程中很容易产生离析、分层、水泥浆上浮，骨料下沉形成“软弱砂浆层”。

事故混凝土中7月11日、8月11日、8月19日三天局部混凝土表面出现“软弱砂浆层”这是由于搅拌时间短混凝土不均匀，木钙没有充分分散过于集中，局部富集引起混凝土缓凝。另外与木钙掺量过多，减水率增大也有一定关系。

表6　木钙掺量与坍落度、强度的关系

3.2粉煤灰与水泥用量比例与事故混凝土的关系

在本项工程中基准混凝土粉煤灰与水泥用量比例为15∶85，由于某些原因造成比例失控发生混凝土质量事故。在胶凝材料（粉煤灰+水泥）总量不变条件下（即粉煤灰用量多，水泥用量则少，反之水泥用量多粉煤灰用量少）来作定性分析。

（1）粉煤灰掺量对混凝土早期强度的影响

掺粉煤灰混凝土随着掺量的增加，水泥用量相对减少，混凝土强度随之递减，特别是早期强度（即3d、7d 强度）更为明显见表7，表8。

粉煤灰的水化反应是在水泥水化释放出 Ca(OH)2激发下才掺加的，即二次反应，这个过程延缓了混凝土的凝结时间，影响到混凝土早期强度的发展。

表7　粉煤灰掺量对混凝土早期强度影响

表8　混凝土早期强度对比

在胶凝材料总量不变条件下，粉煤灰掺量增多，水泥掺量相对减少，在水泥水化初期就没有足够的水化产物 Ca(OH)2去激发粉煤灰的活性，延缓了混凝土凝结时间，使混凝土早期强度偏低或无强度，甚至混凝土不凝结。混凝土事故中，7月11日、8月4日、8月12日、8月14日共四次事故“软弱砂浆层”，“混凝土无强度”即属于此。

（2）粉煤灰掺量对混凝土凝结时的影响

混凝土28d 前强度主要靠水泥熟料水化反应提高强度，粉煤灰主要在后期强度上做贡献，见表8。

随着粉煤灰掺量的增加，水泥用量的减少，混凝土的凝结时间将会延长，不过对初凝影响较为显著。这主要是粉煤灰的活性不如水泥，因为自身不同水泥反应，只能等待水泥水化产物产生后再反应即火山灰效应。

掺粉煤灰混凝土凝结时间还受环境温度和湿度影响较大些。

（3）粉煤灰掺量对混凝土含气量的影响

众所周知，粉煤灰中含有一定数量的未燃尽的碳粒，这些碳粒对引气剂有较强的吸附作用，因而使新拌混凝土含气量降低。如果要做到混凝土具有原相同的含气量，需要增加引气剂的掺量可能要增加几倍甚至几十倍。

在本项工程中没有能及时发现粉煤灰掺量严重超标，使混凝土含气量大幅度降低。因此没有能及时补加引气剂掺量，这将会对混凝土性能产生严重影响。

由于粉煤灰掺量超标，混凝土含气量降低将影响新拌混凝土和易性。

（4）粉煤灰掺量对混凝土表观性能的影响

粉煤灰掺量过多，混凝土会出现浮浆现象，对混凝土性能的影响。大掺量粉煤灰如遇搅拌时间短，振捣时间长，用水量较多时会发生水泥砂浆上浮，骨料下沉现象。由于粉煤灰密度小，多孔会随着上升到混凝土表面，形成浮浆，致使混凝土质量不均匀，出现分层疏松现象。

水泥的化学性能和表面能较大，加大拌合后形成絮凝团，质量很大，下降趋势大于粉煤灰。同骨料下沉相结合形成混凝土下部强度高于上部“软弱砂浆层”。

8月6日发生的事故混凝土“接近粉煤灰色”即是在浇筑、振捣过程砂浆上浮形成的，“浮浆”呈粉煤灰颜色。

7月11日、8月11日、8月19日发生的混凝土质量“软弱砂浆层”也是如此形成的。

（5）粉煤灰掺量过大与自然环境对混凝土性能的影响

白天浇筑的混凝土由于温度较高，湿度为0℃，混凝土失水较快，故凝结时间较短，早期强度发展较快，而在夜间温度下降，混凝土凝结时间延长，早期强度偏低，或长时间不凝结，事故混凝土“软弱砂浆层”、“混凝土松软而无强度”均与自然环境有关。

3.3小结

在事故混凝土中，木钙粉煤灰超掺量，在用水量不变的情况下，在浇筑及振捣过程中，很容易发生混凝土离析泌水，水泥砂浆上浮，骨料下降，混凝土出现分层现象。在上浮的水泥砂浆中由于木钙及粉煤灰超掺量，会长时间不凝结，早期强度偏低或无强度，出现“软弱砂浆层”。在骨料下降过程中水泥形成质量较大的“絮凝团”与骨料同时沉降夹带超掺量的木钙及粉煤灰使混凝土长时间不凝结，出现“混凝土松软无强度”。

4　混凝土工程质量事故的定量分析

根据混凝土质量事故调查表（表3）经定性分析认定是木钙和粉煤灰超掺量造成的质量事故，这对于分析事故原因，显然是不够的，必须拿出数据来描述混凝土质量事故，即定量分析法。

4.1木钙掺量的定量分析

木钙掺量的定量分析目前可采用三种方法，即电子光谱分析法、比色法和定性分析中确定的掺量。

电子光谱分析法系科研部门经常使用的方法，应用范围广、灵敏度高，可测微量成分，但读谱困难，仪器量器较多、价格昂贵。

比色法是用肉眼观察进行比色的方法，比较实用，可应用于施工现场进行。

比色分析法是利用已知浓度的标准溶液与另一个未知待测溶液浓度用对比颜色深浅的方法分析的方法。

本文将采用比色法来测定木钙的含量。

4.1.1标准溶液的制备

（1）基准混凝土的制备

采用事故混凝土配合比及原材料，按照 SD105－82《水工混凝土试验规程》进行，其中木钙掺量分别为0.4%（基准）、0.8%、1.2%、1.6%、2%。

（2）标准溶液的制备

分别称取木钙不同掺量的塑性混凝土试样过5mm 方孔筛，将大于5mm 粗砂及碎石除掉，然后将筛下物砂浆放入烘箱中烘干，从中称取700克干砂浆试样放在0.16mm 筛上用20公斤清水冲洗，将大于0.16mm 颗粒除去收集冲洗水，沉淀澄清，根据木钙不同掺量分别装入5个比色管中备用。见表9。

表9　木钙不同掺量标准溶液颜色

4.1.2事故混凝土溶液的制备

分别称取不同日期的未硬化的事故混凝土封存样品，用手捏碎并经充分分散按照“（2）标准溶液的制备”方法进行，沉淀澄清后分别装入比色管中备用。

4.1.3比色分析

标准溶液与事故混凝土溶液是在同一条件制得的，因此事故混凝土溶液颜色的深浅和某一标准溶液相等时，它们的掺量也必相等。各种标准溶液木钙掺量是已知的，于是根据比色的结果就可以知道事故混凝土溶液的掺量。

根据比色结果认定8月12日事故混凝土木钙掺量是加0.8%，8月14日事故混凝土木钙掺量加0.6%。

4.1.4根据定性分析结果确定木钙掺量

根据试验报告“在混凝土中木钙掺量在0.75% 以内坍落度变化显著，当掺量等于或大于0.75% 时混凝土保水性很差，且拌合物离析”结合7月11日、8月11日、8月19日三天事故混凝土出现离析泌水分层现象，可以确定木钙掺量均在0.75% 左右，极少数可达1%。

4.2粉煤灰与水泥用量比例的定量分析

采用测定粉状混合物（粉煤灰、水泥、细粉砂）密度的方法来计算粉煤灰与水泥用量比例，粉状混合物密度越小，说明粉煤灰含量越多，水泥用量越少，混凝土早期强度越低。

这个方法的基本原理是粉煤灰密度（2.34g/cm3）和水泥密度（3.07g/cm3）相差较大，小于0.16mm 细粉砂在混合物中含量较少，经测试仅为11% 且含量较稳定，因此可以采用测定粉状混合物密度的方法来定量分析水泥与粉煤灰用量比例。

4.2.1标准混凝土粉状混合物密度的测定

（1）基准混凝土的制备

采用事故混凝土配合比及原材料按照 SD105－82《水工混凝土试验规程》进行。其中，水泥、粉煤灰用量比例分别为100:0，85:15，70:30，55:45，40:60，27:75，0:100。

（2）分别称取粉煤灰与水泥不同比例的塑性混凝土试样过5mm 方孔筛，将大于5mm 粗砂及碎石除去，然后将筛下物砂浆放入烘箱中烘干，从中称取700g 干砂浆试样，放在0.16mm 筛上用20kg 水冲洗，将大于0.16mm 颗粒除去，将冲洗水中沉淀物收集起来烘干，其主体成分为粉煤灰、水泥、细粉砂混合物。

（3）测定标准混合物密度

天平称量500g，感量1/100。容量瓶200ml（最好用比重瓶）。吸液管25～50ml。短颈小玻璃漏斗。自来水（最好用煤油）。

测试过程：首先向容量瓶内注水至刻线（第一次读数）然后称取烘干后的粉状混合物50g，经漏斗徐徐加入容量瓶内，水平方向摇动，赶出气泡，容量瓶水位上升到某一刻度记下（第二次读数）。

其中：

r——混合物密度，g/cm3。

P——混合物试样重量，取50g。

V——被混合物排出的液体体积，即第二次读数减去第一次读数，cm3。

标准混合物密度测定结果见表10。

表10　标准粉状混合物密度表

4.2.2事故混凝土粉状混合物密度的测定

（1）粉状混合物的制备

分别称取不同日期的未硬化的事故混凝土封存样品，用手捏碎并经充分分散按照“4.2.1标准混凝土粉状混合物密度的测定”进行。

（2）密度测定的结果

密度测定的结果，见表11。

表11　事故混凝土粉煤灰及水泥用量比例

4.2.3事故混凝土粉煤灰与水泥用量比例的确定

事故混凝土粉煤灰与水泥用量比例的确定有两种方法：一是作图法，二是计算法。

（1）作图法

以粉煤灰不同用量比例为横坐标（X 轴），以粉状混合物密度为纵坐标（Y 轴），当用全部胶凝材料为水泥时测得密度为2.84（x1=0，y1=2.34），当用全部胶凝材料为粉煤灰时，测得密度为2.34（x2=0，y2=2.84）。两点连接得到一条斜线。

在纵轴上任取截距 y 值（事故混凝土粉状混合物密度）做水平线交于斜线 P 点，过 P 点作垂直线向下交于横轴 X点，即为所求粉煤灰掺量比例，见图1。

图1　粉煤灰掺量比例

作图法准确度受到多方面影响，因此精度较差。

（2）计算法

通过两点（x1，y1）（x2，y2）作直线方程：

式中：y1=2.84，y2=2.34，x1=0，x2=100

代入（1）式整理后得：

将事故混凝土粉状混合物密度（y）代入（2）式即得粉煤灰（x）掺量比例，计算结果见表12。

求得粉煤灰掺量比例余量即为水泥用量比例见表12。

表12　混凝土工程质量事故定性分析与定量分析汇总表

4.3小结

（1）本钙掺量：基准混凝土掺量为0.4%，事故混凝土通过比色法分析掺量达0.6%～0.8%，根据定性分析结果木钙的掺量为0.75%，少数达1%。

（2）粉煤灰与水泥掺量比例：基准混凝土粉煤灰∶水泥=15%∶85%，事故混凝土通过密度分析方法为粉煤灰∶水泥=(92.8%～49%)∶(7.2%～51%)。

［通讯地址］辽宁省辽阳市辽鞍路28号第十七号信箱（111200）

张景发（1937—），男，高级工程师、总工程师，工业与民用建筑专业，长期从事混凝土外加剂及商品混凝土的研制、开发、生产与应用方面的技术工作。