游離氧化鎂引起混凝土構件開裂案例分析

0 引言

水泥是工程建筑中最為常見、最為重要的材料。實際工程中，許多結構性問題都是由于水泥安定性遭受破壞引起的，往往使得建筑結構產生裂縫，帶來安全隱患，必須予以足夠的重視。

水泥的穩定性即我們通常所說的混凝土骨料穩定性。混凝土骨料的主要化學成分為硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）等，這些成分中的活性CaO、MgO、SiO2、Al2O3等與混凝土微孔中的堿溶液發生化學反應，即堿骨料反應，包括堿硅酸骨料反應、堿碳酸鹽反應和堿硅酸鹽反應[1]。實際工程中，多數的水泥穩定性問題是由游離CaO引起的，但也有可能是過量的游離MgO緩慢地發生水化反應，從而產生體積變化，進而形成破壞應力，造成結構性破壞。許多水泥在硬化過程中，通常會伴隨體積的變化，但這些基本都在硬化之前完成[2]，而氧化鎂的水化反應通常發生于硬化后，由于其反應過程緩慢，通常要在房屋建成數年后才可能顯現端倪，因此很容易被忽略，需要特別注意。

近期，筆者在某多層房屋安全排查時，發現其房屋混凝土構件脹裂就可能是由過量的游離MgO引起的，于是特對此進行了詳細的檢測。

1 房屋損傷勘察

1.1 房屋損傷初步勘察

某住宅樓為6層磚混結構，采用鋼筋混凝土坡屋面，上部結構承重墻均采用多孔承重磚和混合砂漿砌筑，于2005年竣工并投入使用。在房屋完損檢測中，發現受檢房屋底層出現較多裂縫，情況較為嚴重（圖1、2）。此外，在房屋其他區域也都出現了類似裂縫，但并無明顯方向性，多為放射性裂縫。

（1）房屋室內損傷嚴重的區域主要集中在底層，其構造柱粉刷層經鑿開后，發現混凝土開裂呈放射性狀態，最大寬度約7mm（圖1）。

（2）客廳頂板混凝土局部已自然脫落，鋼筋外露，局部放射性開裂。

（3）陽臺梁底開裂，混凝土剝落（圖3）。

（4）2層及以上混凝土結構構件開裂不明顯。

1.2 建筑結構復核

現場檢測結果表明：房屋建筑使用功能布置、結構構件尺寸、配筋與原設計相符，磚體強度評定為MU10，砂漿強度推定值為4.3～12.1MPa，混凝土強度滿足C20的設計要求。對房屋進行傾斜測量，傾斜率為0.3‰～4.7‰，傾斜率均較小，且傾斜方向無明顯規律。因此，該房屋施工過程均按照設計圖紙進行，且未見明顯不均勻沉降現象。

采用中國建筑科學研究院編制的PKPM系列軟件對房屋建立力學模型，并對其在靜力荷載及風荷載作用下（不考慮地震作用，且不考慮混凝土開裂影響）的結構承載力進行計算分析。結果顯示：①房屋各層墻體受壓承載力均滿足規范要求；②房屋各層墻體高厚比均滿足規范要求。

1.3 房屋損傷詳細勘察

為進一步查明裂縫產生的原因，對房屋典型的混凝土構建開裂區域進行詳細勘察。在檢測中發現，該房屋某室頂板混凝土裂縫內核存在白色殘留物，其余區域局部存在放射性開裂現象。鑿開底層構造柱進行檢測，發現裂縫內核存在黃色殘留物（圖4、5）。針對裂縫中出現的殘留物，查閱《既有建筑物結構檢測與評定標準》（DG/TJ 08—804—2005）后發現，混凝土開裂的形狀、分布、殘留物特征與含MgO骨料引起的混凝土損壞特征基本相同。因此，在受檢房屋3處開裂較為嚴重的位置，共取6個樣品，對試樣分別進行X熒光半定量分析和電子探針測試（圖6）。

圖1 底層構造柱開裂

圖2 樓板底部脹裂

2 化學成分檢測結果

采用Axios X射線熒光光譜儀對樣品進行X熒光半定量，并采用日本電子公司JXA-8100電子探針與英國牛津儀器公司的INCA組合儀對樣品進行微區元素成分定性定量分析。其取樣位置與測試方法見表1，檢測結果見表2、3。

2.1 水泥中常見氧化物含量測定

由測試結果可知，殘留物中的主要化學成分為MgO，成分最高達到91.8%，最低37.97%，遠遠超出規范中規定的MgO的含量。

2.2 堿含量檢測結果

圖3 陽臺梁底開裂

圖4 頂板混凝土脫落(內有白色殘留物)

圖5 構造柱裂縫內部灰黃色殘留物

表1 取樣位置與測試方法

表2 X熒光半定量分析測試結果

表3 電子探針測試結果

檢測各試樣的堿含量發現，除混凝土含有部分堿外，受檢試樣殘留物中基本不含堿。這也表明混凝土的開裂并不是由于堿骨料堿集反應所引起的（表4）。

3 開裂原因綜合分析

（1）由于受檢房屋磚抗壓強度、砂漿抗壓強度和混凝土抗壓強度均滿足相關規范要求，建模計算后的墻體受壓承載力及墻體高厚比也符合設計要求，且檢測發現裂縫并無明顯方向性，沒有規律的開裂，因此，可以排除結構性裂縫的可能。此外，對開裂部位的化學成分分析中，發現試樣中堿成分的含量較低，也可排除堿集反應的可能。

圖6 電子探針測試顯示圖

表4 堿含量測定結果

（2）混凝土收縮裂縫通常是比較均勻且有規律的，且寬度較細，但受檢房屋混凝土構件開裂是局部的、無規律的嚴重脹裂，因而可排除混凝土收縮裂縫的可能性。

（3）鋼筋銹蝕引起的裂縫，是由于鋼筋發生氧化反應，生成的鐵銹體積膨脹增大1.7倍，引起混凝土的脹裂。這類開裂與骨料化學反應所引起的脹裂有開裂嚴重的相似之處，但其裂縫沿鋼筋走向分布[1]，而受檢房屋混凝土開裂的特征是局部放射性，因此，亦可排除此可能性。

通過上述分析，開裂的原因可以確定為過高含量的游離MgO導致，因為水泥生料中通常會含有部分石灰石雜質，高溫煅燒下則會轉化為方鎂石，即MgO，其結構是立方晶體，鎂離子堆積在氧離子的間隙中間，因此，水化活性較低[3]。J·G·Bruschera和F·Gilles的研究結果表明，過多的游離MgO在水泥硬化后，經過較長的時間，在一定的濕度和溫度下會發生水化反應，生成Mg(OH)2，從而產生破壞應力，造成裂縫，且隨著損壞的產生，水氣更容易接觸MgO，從而使得MgO引起的脹裂加劇。由于房屋底層較為潮濕，水氣滲入混凝土概率大，MgO骨料膨脹引起了混凝土放射性開裂損壞。

4 結論及建議

通過詳細的房屋內部檢測及后期開裂部位殘留物和混凝土的化學成分檢測，最終鑒定房屋開裂原因為：過量游離MgO在一定溫度和濕度作用下進行水化反應，從而產生體積膨脹，形成裂縫。針對檢測結果，建議采取以下措施。

（1）對已損壞的混凝土柱進行拆除，并新做鋼筋混凝土柱子，柱子截面尺寸和鋼筋同原有柱。鋼筋與原有結構植筋連接。

（2）對已損壞的混凝土梁進行拆除，并新做鋼筋混凝土梁。梁截面尺寸同原有梁，柱子截面尺寸和鋼筋同原有柱。鋼筋與原有結構植筋連接。

（3）對已損壞的混凝土板進行加固。首先，鑿除銹脹處酥松部分混凝土，對銹蝕鋼筋采用除銹阻銹處理；然后，用高強聚合物砂漿對破損處進行修補，再對板底存在裂縫采用化學灌漿處理；最后，采用粘貼碳纖維加固。衛生間樓板損壞比較嚴重，板底新做60mm厚混凝土樓板，并與原有樓板植筋連接。

（4）由于現場陽臺損壞較嚴重，建議陽臺位置的梁、板、柱拆除重做。

（5）對尚未出現損壞的混凝土構件采用有隔氣防水功能的材料進行粉刷修繕處理。

5 結語

近年來，水泥安定性問題逐步引起人們的重視。過量游離MgO通常在房屋建成后幾年的過程中，慢慢發生水化反應，使得房屋產生裂縫，因而在房屋檢測時很容易被忽略，需要引起注意。建議在施工前做好混凝土用料中MgO的含量測定；對于因MgO過量而形成裂縫的房屋，應盡快進行加固或置換處理，并對尚未出現損壞的混凝土構件采用有隔氣防水功能的材料進行粉刷修繕處理。

參考文獻：

[1] 符晶華 , 袁內鎮, 盧哲安 . 混凝土骨料水化反應引起的構件脹裂及其加固方法研究[J]. 土木工程學報, 2001,34(4):41-45.

[2] 酈挺. 水泥安定性對混凝土質量的影響及其檢測[J].浙江建筑, 2007, 24(3):50-52.

[3] 周云. 混凝土構件中氧化鎂的危害研究[J]. 住宅科技,2010, 30(9):45-47.