某桥梁混凝土工程出现可燃性气体质量事故探析

此异常现象发生后，该项目部立即停止了所有混凝土施工作业，召集相关人员对事故原因进行分析，并对原材料和桩基施工的渣样进行了封存。

2原因分析

当晚共有10余个混凝土施工作业点，但只有2个作业点产生了可燃气体。产生可燃性气体的混凝土分别由1号拌合站和6号拌合站生产，其余7个拌合站拌合生产的混凝土均正常。事故发生后，电话咨询了有关方面专家。地质、隧道方面专家认为可能是岩层中具有某种可燃气体，但对墩柱托盘混凝土出现可燃性气体解释不通。水泥方面专家认为可能是水泥助磨剂或粉煤灰助磨剂某种成分在起作用。混凝土方面专家认为可能是混凝土原材料中带入了某种成分产生了化学反应，生成可燃性气体。为能够尽快采取整改措施恢复施工，项目部中心试验室在公司计量测试中心的指导下对可燃性气体产生原因开展了分析研究。

2.1混凝土原材料及配合比

混凝土使用的原材料基本情况为：P.O42.5水泥，碱含量为0.55%，氯离子含量为0.013%；水库河砂，Ⅱ区粗砂，细度模数3.1；5～31.5mm碎石，采用三级配（5～10mm：5～16mm：16～31.5mm=30∶30∶40）；F类Ⅱ级粉煤灰；缓凝型聚羧酸高效减水剂，掺量1.0%。

产生可燃性气体的基桩和托盘使用的混凝土配合比分别为C35水下混凝土和C35泵送混凝土，具体材料用量列于表1。

按照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424－2010）对混凝土配合比进行了核算，其各项指标满足规范要求。混凝土一年多的施工数据显示，混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能均能满足设计要求，且一直没有发生产生可燃性气体的现象。

2.2当晚混凝土拌合物性能

混凝土浇筑前，试验人员在拌合站和浇筑地点分别对混凝土拌合物性能进行测试。拌合物性能测试结果均满足设计和施工要求。调阅混凝土拌合记录，发现混凝土拌合时间为150s，施工配合比和材料称量误差均在允许偏差范围内。

2.3原材料近期进场情况

查阅1号、6号拌合站原材料进场情况发现，在近3d内1号站进场了水泥和粉煤灰，6号站进场了水泥、外加剂和粉煤灰，且粉煤灰为同一天进场。

2.4混凝土比对试验方案及结果

在1号站和6号站进行了混凝土比对试验，所有原材料采用拌合站现场材料，除试验方案提到的材料变动外，其他材料相同。试验方案中标号为1的材料为拌合站原有材料，混凝土施工已证明未产生可燃性气体；标号为2的材料为拌合站发生事故前新进材料。1号站按照C35水下混凝土配合比进行了混凝土拌合，试验方案及结果如表2所示。6号站按C35托盘泵送混凝土配合比进行混凝土拌合，试验方案及结果如表3所示。当混凝土中气体连续冒出时，将带有火星的白纸靠近气泡处，可以听到断断续续的“砰砰”爆鸣声，看到白纸被点燃的现象（见图3）。

2.5试验结果分析

分析表2、表3结果发现，不管水泥、外加剂是否变化，外加剂是否掺加，只要加入新进场粉煤灰就会产生可燃性气体，如果不加入新进场粉煤灰就不会产生可燃性气体。这一结果初步说明是新进场粉煤灰中存在某种物质在混凝土中产生了某种反应，生成了可燃性气体。检查新进场粉煤灰外观，发现新进场粉煤灰为土黄色，而以前粉煤灰留样样品颜色为灰白色或者青灰色。在剩余7个拌合站进行了验证试验，验证试验方案只变化粉煤灰。剩余7个拌合站的混凝土验证试验结果表明，只要加入新进场粉煤灰就会产生可燃性气体，否则不产生。试验结果充分说明了新进场粉煤灰含有某种物质能在混凝土中发生化学反应产生可燃性气体。

2.6产生机理研究

将新进场的粉煤灰送到检测机构按照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）检验其化学指标，结果符合规范要求。将新进场粉煤灰、前期粉煤灰样品送至检测机构进行了XRD分析。粉煤灰的XRD衍射图显示新进场粉煤灰含有金属铝的成分。

将收集到的气体点燃发现有小水珠生成，说明收集到的气体中存在氢元素。

石灰质原料、黏土质原料、辅助原料（如铁矿石等）按比例磨细混合后组成生料。生料在1450℃左右下煅烧形成熟料，然后将熟料和石膏，再加入一定比例的混合材就形成了普通硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥熟料的主要成分是硅酸三钙（简称C₃S）、硅酸二钙（简称C₂S）、铝酸三钙（简称C₃A）、铁铝酸四钙（简称C₄AF）。水泥水化分诱导期、发展期和稳定期。水泥早期水化主要是熟料4种成分的反应，其水化反应方程式如下：

2（3CaO•SiO₂）+6H2O=3CaO•2SiO₂•3H2O+3Ca（OH）₂

2（2CaO•SiO₂）+4H2O=3CaO•2SiO₂•3H₂O+Ca（OH）₂

3CaO•Al2O₃+6H₂O=3CaO•Al₂O₃•6H₂O

4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃+7H₂O=3CaO•Al₂O₃•6H₂O+CaO•Fe₂O₃•H₂O

水泥水化反应会产生Ca（OH）₂，使混凝土显强碱性，其pH值可以达到12。由于金属铝化学性质比较活泼，在空气中会发生氧化形成一层致密的氧化膜（Al₂O₃），阻止金属铝被继续氧化。Al₂O₃会在碱性环境下溶解，暴露出金属铝，进而金属铝在强碱性环境下发生水化反应生成可燃性气体氢气，其化学方程式如下：

Al₂O₃+2OH^－=2AlO₂^－+H₂O

2Al+2OH^－+2H₂O=2AlO₂^－+3H₂↑

水泥刚开始水化时处于诱导期时主要是水泥熟料的部分溶解和铝酸三钙的迅速水化，此时胶凝材料和混凝土的碱性才开始体现。另外，大掺量掺和料的使用，缓凝型的聚羧酸减水剂的加入，推迟了水泥水化的进行和温升峰值的出现，这也是6h左右后才明显发现混凝土出现可燃性气体的原因。

3处理结果

1）对1、6号拌合站近期所进场粉煤灰全部退货，其他站采用同一供应商供应的粉煤灰也全部清场，并将该供应商列入黑名单。

2）为保证工程质量，不留质量隐患，将产生可燃性气体的托盘、基桩进行了返工。

3）对事故相关责任单位和责任人进行相应的处罚。

4预防措施

通过综合分析，混凝土发生产生可燃性气体事故的直接原因是粉煤灰中混入了金属铝。项目部对供应商选择把关不严，对供应商的日常监督和考核流于形式，材料人员仅验收材料重量但对材料进场质量疏于验收，试验检测人员取样不规范，试验前未对样品进行外观比对是造成该起事故的间接原因。为杜绝该类事故再次发生，项目部采取了以下预防措施。

1）加强材料供应商的选择、日常监督和信誉考核工作，严格落实黑名单考核制度。签订供货质量补充协议，进一步明确供应商的质量责任。

2）加强原材料的进场验收工作。材料人员不仅要对材料重量进行验收，还要对材料的外观质量、规格型号、质量保证书等进行初步验收。每种规格的材料建立一个样品箱，每次材料进场均要核对外观质量。初步验收合格后报试验部门进行取样复试，否则直接退货。

3）提高取样工作质量，培训材料取样方法，配备合格取样工具。此次事故原因之一就是检测人员只在粉煤灰罐车的表层取样。

4）加强原材料的进场复试工作。对于容易以次充好的材料要加大检测频率，掺和料、外加剂要坚持每车必检。

5）在混凝土生产过程中严格按照规定程序进行生产，防止配合比执行错误、材料使用错误的情况发生；在混凝土运输及浇筑过程中，严禁工人加水；混凝土浇筑成型后，按规定程序进行保温保湿养护工作。

目前，该铁路项目主体结构已完工，从近2年的混凝土施工情况来看，预防措施效果明显，未再出现类似情况。

5结　论

1）混有金属铝的粉煤灰应用到铁路混凝土中会产生可燃性气体，不仅会降低混凝土的密实性、耐久性和强度，还会影响到结构的安全。

2）保证工程质量就要高度重视原材料的质量管控工作，严把材料质量关。但原材料的质量控制不仅是个技术问题，更是个管理问题。原材料质量控制不仅需要多个部门共同努力，更需要领导参与和重视，从供应商选择，材料采购、运输、进场验收和取样检测等多个方面加强管理。

3）通过对这次质量事故进行探讨，分析了混凝土产生可燃性气体的原因，提出了针对性措施，为今后其他项目混凝土施工提供经验教训。来源《工程质量》2015.05