CN115130179B - 确定含钢渣骨料的混凝土结构安全性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种确定含钢渣骨料的混凝土结构安全性的方法，属于建筑结构性能诊治技术领域。所述方法包括：检查混凝土结构的各构件表面的爆裂损伤点，根据爆裂损伤点的分布划分检验批，并对每一检验批：钻取多个混凝土芯样，对各检验批芯样进行破拆并分离其中的钢渣骨料，计算钢渣骨料取代普通混凝土骨料的替代率，通过化学滴定的方法测得膨胀源的含量，计算各混凝土的体积增量，根据所述混凝土体积增量V_i和混凝土线膨胀系数计算钢渣骨料的等效温度变化值；再建立混凝土结构的三维计算模型，并根据三维计算模型施加设计荷载和等效温度荷载的仿真计算结果确定混凝土结构件的承载力是否符合预设要求。其中等效温度荷载由各检验批中钢渣骨料的等效温度变化值计算得到。

Description

确定含钢渣骨料的混凝土结构安全性的方法

技术领域

本发明涉及建筑结构性能诊治技术领域，具体地涉及一种确定含钢渣骨料的混凝土结构安全性的方法。

背景技术

近年来我国建筑结构损伤屡见不鲜，其中商品混凝土粗骨料中混入工业冶金产生的钢渣替代普通粗骨料的现象时有发生。由于钢渣中含有f-CaO，遇水反应生成Ca(OH)₂后体积膨胀，因此掺有钢渣的混凝土结构构件常常在建筑施工或使用过程出现表面散状无规律分布的点爆裂损伤现象。

混凝土结构构件的点状爆裂损伤会影响结构安全，随着爆点不间断、无规律的出现，可能严重影响建筑的正常使用。然而当前建筑结构性能评价与诊治技术领域，对于掺有钢渣骨料混凝土结构的安全性性的鉴定和诊治均针对建筑的现状，不能对剩余设计使用年限内结构的长期安全性能进行鉴定和诊治，亦无法预测该类混凝土结构在未来的目标使用期内是否存在安全隐患，如将房屋进行整体拆除则会造成巨大的经济损失。

因此，简便、准确、有效、通用的对既有钢渣混凝土房屋结构进行长期安全性能鉴定和诊治方法成为本技术领域急需解决问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种方法，该方法适用于确定掺有钢渣骨料的既有混凝土建筑结构在目标使用期内能否安全使用，并确定其整体长期安全性能。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种确定含钢渣骨料的混凝土结构安全性的方法，该方法包括：

步骤1：检查所述混凝土结构的各构件表面的爆裂损伤点，根据所述爆裂损伤点的分布划分检验批，并对每个所述检验批钻取多个混凝土芯样；

步骤2：对每一所述检验批，逐一破拆分离所述混凝土芯样中的钢渣骨料，并计算所述钢渣骨料取代普通混凝土骨料的替代率，其平均值记为w_i％；

步骤3：对各所述检验批的所述钢渣骨料，通过化学滴定的方法测得膨胀源的含量，记为x_i％；

步骤4：根据所述x_i％、所述w_i％、各所述检验批混凝土的参数，计算各所述检验批混凝土的体积增量，并记为V_i；

步骤5：根据各所述检验批的所述混凝土体积增量V_i和所述混凝土线膨胀系数计算各所述检验批中所述钢渣骨料的等效温度变化值，记为

步骤6：建立所述混凝土结构的三维计算模型，对所述三维计算模型施加设计荷载和等效温度荷载并进行仿真计算，以确定混凝土结构构件的承载力是否满足预设要求，其中所述等效温度荷载由各所述检验批中所述钢渣骨料的等效温度变化值

计算得到，

其中，i为所述检验批的序号。

优选的，所述步骤1中还包括：对所述混凝土结构的构件进行分类和统计，得到各类构件单位面积的平均爆点数量，并将浇筑日期相近和/或爆点数量相近和/或相邻的同类构件划分为同一检验批。

优选的，所述步骤2中根据所述混凝土芯样的质量及混凝土配合比，计算所述混凝土芯样中的粗骨料总质量，再计算分离出的所述钢渣的质量占所述粗骨料总质量的质量百分比，即为对应所述混凝土芯样的所述钢渣取代普通混凝土骨料的替代率。

可选的，所述膨胀源为有效活性氧化钙。

进一步的，通过以下标准步骤实现所述步骤3：

步骤3.1：从各所述检验批的所述钢渣骨料中取等质量的两份；

步骤3.2：其中一份通过化学滴定的方法直接测定其中氧化钙的含量，记为x_i前％；

步骤3.3：另一份煮沸加热指定时长后再通过化学滴定的方法测定其中氧化钙的含量，记为x_i后％；

步骤3.4：计算各所述检验批的所述钢渣骨料中游离的膨胀源的含量，记为x_i％，其中，x_i％＝x_i前％-x_i后％。

优选的，所述步骤3.1为：将各所述检验批的所述钢渣骨料中平分为等质量的两份。

优选的，所述步骤3.3中：所述指定时长优选为6小时及以上。

优选的，所述步骤4中根据以下公式计算所述混凝土的体积增量V_i：

V_i＝m_骨×w_i％×x_i％×v/(1000×ρ)，

其中，v是所述膨胀源的体积膨胀倍数、m_骨是各所述检验批单位体积混凝土所含的粗骨料质量，ρ是所述膨胀源的密度。

优选的，所述步骤5中所述混凝土体积增量等效为材料的温度变化时，先将体积膨胀量转化为线膨胀量，并计算其线膨胀系数α，所述

根据如下公式计算得到：

其中，V_i％表示单位体积混凝土体积增量的百分数。

可选的，所述步骤6中对于相同所述检验批内的同类构件设定相同所述等效温度荷载，所述预设要求为设计规范要求。

通过上述技术方案，首先对含有钢渣骨料的既有混凝土结构进行现状损伤调查，根据构件爆裂损伤严重程度并结合浇筑日期划分若干检验批，对不同检验批楼层钻取大量混凝土芯样。然后将各检验批芯样进行破拆并分离钢渣骨料，测定各检验批混凝土中的钢渣平均含量，以及各检验批钢渣在设计使用年限内可能发生反应的有效活性游离氧化钙含量，进而计算各检验批混凝土由于有效活性氧化钙遇水反应膨胀导致的单位体积混凝土体积增量，将单位体积混凝土的体积增量通过线膨胀系数等效为温度荷载，采用结构计算软件建立结构三维模型，分别考虑各检验批混凝土构件的等效温度荷载，对结构承载力进行整体计算分析，根据计算结果对房屋结构的整体安全性进行评价。即本方案经由现场调查、试验分析、结构计算实现对钢渣混凝土既有结构的长期安全性能评价，能够通用于确定含有钢渣骨料的既有混凝土结构在整个后续使用中是否存在安全隐患。如果钢渣体积膨胀对整体安全无影响，则通过正常维修恢复使用功能即可，避免整体拆除带来的巨大经济损失。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明的一个实施例的实施流程如图1所示，为确定一个含钢渣骨料的既有混凝土建筑结构的长期安全性能，进行如下步骤：

步骤101：现状调查、检验批划分、混凝土取芯。

对损伤楼层的混凝土构件爆裂损伤现状进行详细调查，将单位面积爆点数量相近、浇筑日期相近的相邻楼层划分为同一检验批，对各检验批钻取大量混凝土芯样；

步骤102：钢渣含量测试。

各检验批芯样逐一称重后借助压力试验机轻压，将芯样破拆并分离钢渣骨料，钢渣称重，根据混凝土配合比资料计算各芯样的粗骨料质量，进而计算钢渣骨料替普通粗骨料的替代率，求出各检验批所有芯样中钢渣取代正常粗骨料的平均替代率，即钢渣含量。

步骤103：钢渣中有效活性氧化钙含量测试。

测定各检验批钢渣骨料中沸煮前、后的游离氧化钙含量，各检验批沸煮前、后的游离氧化钙的含量差值即为所求。

步骤104：混凝土体积增量计算。

根据前述已知的钢渣骨料含量、设计使用年限内可反应的有效活性游离氧化钙含量及游离氧化钙水化反应的体积膨胀关系，计算各检验批单位体积混凝土在设计使用年限内的体积增量。

步骤105：等效温度变化计算。

根据混凝土线膨胀系数，将各检验批混凝土的体积增量通过线膨胀系数等效为混凝土材料的温度变化量。

步骤106：结构安全性分析计算

采用通用的结构设计软件建立房屋结构三维计算模型，考虑各检验批楼层由于钢渣中游离氧化钙膨胀反应的等效温度荷载(步骤105所求)，对房屋结构进行整体计算分析，根据计算结果确认承载力是否满足要求，进而对房屋整体安全性能进行评价。

通过本实施例所采用的方法，可通用于含有钢渣骨料既有混凝土房屋结构的整体安全性能评价，解决了建筑行业内对于含有钢渣骨料既有混凝土结构的评价仅为现状评价，无法评价房屋在整个设计使用年限内的整体安全问题。

以下介绍本发明的另一实施例。

(1)混凝土检验批划分

含有钢渣骨料的既有混凝土结构，各批次商品混凝土中掺入的钢渣含量未知。通过对已发生损伤的混凝土结构构件表面爆裂损伤点的现场调查，详细记录各楼层水平、竖向构件的爆点数量，将爆点数量相近、浇筑时间相近的相邻楼层，划分为同一检验批，对不同检验批楼层的不同混凝土构件钻取大量混凝土芯样，各检验批、各类构件取芯数量不小于12个。

(2)钢渣含量测试

将各批次的所有混凝土芯样破拆，分离出褐色钢渣，通过称量芯样质量、钢渣质量及查阅混凝土配合比资料，计算钢渣取代普通混凝土骨料的替代率，第i个检验批的所有芯样中的钢渣的平均含量(即钢渣取代普通粗骨料的替代率)记作w_i％。

(3)膨胀源含量测试

一般情况下，钢渣中有一部分氧化钙虽然以游离态的形式存在，但常温下很难或不与水发生反应，钢渣中可与发生反应的有效活性氧化钙(f-CaO)称为膨胀源。钢渣中氧化钙的含量可通过化学滴定的方法测得。

实际混凝土房屋的使用条件与使用环境达不到沸煮的温度和水分，通过将钢渣沸煮的方式可设计使用年限内钢渣中可与水反应的有效游离氧化钙含量，即膨胀源含量。

第i个检验批的混凝土中钢渣沸煮前游离氧化钙含量记为x_i前％，沸煮6h后的含量为x_i后％，则该检验批中混凝土的钢渣中有效活性氧化钙即膨胀源的含量记为x_i％＝x_i前％-x_i后％

(4)单位体积混凝土体积增量计算

游离氧化钙水化生成氢氧化钙时，体积膨胀(增加)v倍。根据配合比资料可计算单位体积(1m3)混凝土所含的粗骨料质量，记为m_骨(kg)，游离氧化钙的密度记为ρ(g/cm³)。第i个检验批中，单位体积(1m3)混凝土的钢渣中活性游离氧化钙完全反应后，混凝土的体积增量为记为V_i(％)

V_i＝m_骨×w_i％×x_i％×v/(1000×ρ)

(5)等效温度变化值计算

该步骤将各检验批单位体积混凝土的体积增量通过混凝土的线膨胀系数等效为材料的温度变化量。混凝土线膨胀系数记为α，第i个检验批混凝土温度变化值记为

则

(6)结构安全性分析计算

采用通用的结构设计软件建立房屋结构三维计算模型，除原设计荷载外，需对各检验批混凝土施加等效的温度荷载，即按各检验批混凝土的等效温度变化值

在计算模型中分别对各检验批混凝土施加等效温度荷载。运行计算程序，计算施加等效温度荷载后各楼层承重构件的承载力，根据计算结果确认承载力是否满足要求，进而对房屋整体安全性能进行评价。

需要特别说明的是，在本实施例步骤(1)中水平构件即梁、板类构件，竖向构件即墙、柱类构件，对各楼层各构件的爆点数量进行详细调查，求得各楼层中各类构件单位面积的平均爆点数量，据此将浇筑日期相近，爆点数量相近的相邻楼层中同类构件划分为同一检验批。后续分析、评价针对不同检验批进行。

需要特别说明的是，在本实施例步骤(2)中的钢渣含量，即为同一检验批中各个混凝土芯样中钢渣替代普通粗骨料的替代率，亦即各芯样中钢渣质量所占粗骨料的质量百分比。根据芯样质量及混凝土配合比，可求得一个芯样中的粗骨料总质量，根据破拆分离出的钢渣质量，即可求得每个芯样中的钢渣含量。

需要特别说明的是，在本实施例步骤(3)中所述化学滴定法，该方法的试验原理为采用乙二醇-EDTA化学滴定法测出钢渣中游离总钙，根据氢氧化钙在高温下受热分解成氧化钙和水，采用热重分析法通过测量脱水质量计算出钢渣中氢氧化钙含量，二者之差即为钢渣中f-CaO的含量；第i个检验批中的钢渣，可取1/2测定沸煮前含量，其余1/2测定沸煮后含量。

需要特别说明的是，在本实施例步骤(4)中氧化钙遇水反应生成氢氧化钙发生的体积膨胀，根据无机非金属材料相关基础理论确定，一般情况下，游离氧化钙遇水反应后体积增大原体积的0.979倍，游离氧化钙的密度ρ一般可取3.35g/cm³。

需要特别说明的是，在本实施例步骤(5)中混凝土体积增量等效为材料的温度变化时，需先将体积膨胀量转化为线膨胀量。

需要特别说明的是，在本实施例步骤(6)中的等效温度荷载，分别针对不同检验批楼层的不同构件施加，即相同检验批内的同类构件，等效温度荷载相同；承载力是否满足要求，主要确认构件承载力是否满足建造当时设计规范的相关要求。

本实施例提供一种简便、准确、有效、通用的既有钢渣混凝土结构长期安全性能评价方法，其技术优势为：

1)通过本方法可评价既有钢渣混凝土结构在整个后续使用中是否存在安全隐患，如果钢渣体积膨胀对整体安全无影响，则通过正常维修恢复使用功能即可，避免整体拆除带来的巨大经济损失。

2)解决了行业只能对既有钢渣混凝土结构的现状进行评价的问题，应用前景广泛，具有很好的经济效益及社会效益。

需要说明的是，本说明书所公布的实施例中的实施参数可根据所要确定的建筑使用环境等实际条件灵活选取，并不限于本实施例采取的数值范围；具体实施步骤也可以根据实际情况进行组合或根据建筑行业实施规范或标准进行调整，以满足实际需要。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种确定含钢渣骨料的混凝土结构安全性的方法，包括：

步骤1：检查所述混凝土结构的各构件表面的爆裂损伤点，根据所述爆裂损伤点的分布划分检验批，并对每个所述检验批钻取多个混凝土芯样；

步骤2：对每一所述检验批，逐一破拆分离所述混凝土芯样中的钢渣骨料，并计算所述钢渣骨料取代普通混凝土骨料的替代率，其平均值记为w_i％；

步骤3：对各所述检验批的所述钢渣骨料，通过化学滴定的方法测得膨胀源的含量，记为x_i％；

步骤4：根据所述x_i％、所述w_i％、各所述检验批混凝土的参数，计算各所述检验批混凝土的体积增量，并记为V_i；

步骤5：根据各所述检验批的所述混凝土体积增量V_i和所述混凝土线膨胀系数计算各所述检验批中所述钢渣骨料的等效温度变化值，记为

步骤6：建立所述混凝土结构的三维计算模型，对所述三维计算模型施加设计荷载和等效温度荷载并进行仿真计算，以确定混凝土结构构件的承载力是否满足预设要求，其中所述等效温度荷载由各所述检验批中所述钢渣骨料的等效温度变化值

计算得到，

其中，i为所述检验批的序号；

所述步骤4中根据以下公式计算所述混凝土的体积增量V_i：

V_i＝m_骨×w_i％×x_i％×v/(1000×ρ)，

其中，v是所述膨胀源的体积膨胀倍数、m_骨是各所述检验批单位体积混凝土所含的粗骨料质量，ρ是所述膨胀源的密度；及

所述步骤5中所述混凝土体积增量等效为材料的温度变化时，先将体积膨胀量转化为线膨胀量，并计算其线膨胀系数α，所述

根据如下公式计算得到：

其中，V_i％表示单位体积混凝土体积增量的百分数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中还包括：对所述混凝土结构的构件进行分类和统计，得到各类构件单位面积的平均爆点数量，并将浇筑日期相近和/或爆点数量相近和/或相邻的同类构件划分为同一检验批。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中根据所述混凝土芯样的质量及混凝土配合比，计算所述混凝土芯样中的粗骨料总质量，再计算分离出的所述钢渣的质量占所述粗骨料总质量的质量百分比，即为对应所述混凝土芯样的所述钢渣取代普通混凝土骨料的替代率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膨胀源为有效活性氧化钙。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下标准步骤实现所述步骤3：

步骤3.1：从各所述检验批的所述钢渣骨料中取等质量的两份；

步骤3.2：其中一份通过化学滴定的方法直接测定其中氧化钙的含量，记为x_i前％；

步骤3.3：另一份煮沸加热指定时长后再通过化学滴定的方法测定其中氧化钙的含量，记为x_i后％；

步骤3.4：计算各所述检验批的所述钢渣骨料中游离的膨胀源的含量，记为x_i％，其中，x_i％＝x_i前％-x_i后％。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述步骤3.1为：将各所述检验批的所述钢渣骨料中平分为等质量的两份。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述指定时长为6小时及以上。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6中对于相同所述检验批内的同类构件设定相同所述等效温度荷载，所述预设要求为设计规范要求。

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