游离氧化镁引起混凝土构件开裂案例分析

0 引言

水泥是工程建筑中最为常见、最为重要的材料。实际工程中，许多结构性问题都是由于水泥安定性遭受破坏引起的，往往使得建筑结构产生裂缝，带来安全隐患，必须予以足够的重视。

水泥的稳定性即我们通常所说的混凝土骨料稳定性。混凝土骨料的主要化学成分为硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）等，这些成分中的活性CaO、MgO、SiO2、Al2O3等与混凝土微孔中的碱溶液发生化学反应，即碱骨料反应，包括碱硅酸骨料反应、碱碳酸盐反应和碱硅酸盐反应[1]。实际工程中，多数的水泥稳定性问题是由游离CaO引起的，但也有可能是过量的游离MgO缓慢地发生水化反应，从而产生体积变化，进而形成破坏应力，造成结构性破坏。许多水泥在硬化过程中，通常会伴随体积的变化，但这些基本都在硬化之前完成[2]，而氧化镁的水化反应通常发生于硬化后，由于其反应过程缓慢，通常要在房屋建成数年后才可能显现端倪，因此很容易被忽略，需要特别注意。

近期，笔者在某多层房屋安全排查时，发现其房屋混凝土构件胀裂就可能是由过量的游离MgO引起的，于是特对此进行了详细的检测。

1 房屋损伤勘察

1.1 房屋损伤初步勘察

某住宅楼为6层砖混结构，采用钢筋混凝土坡屋面，上部结构承重墙均采用多孔承重砖和混合砂浆砌筑，于2005年竣工并投入使用。在房屋完损检测中，发现受检房屋底层出现较多裂缝，情况较为严重（图1、2）。此外，在房屋其他区域也都出现了类似裂缝，但并无明显方向性，多为放射性裂缝。

（1）房屋室内损伤严重的区域主要集中在底层，其构造柱粉刷层经凿开后，发现混凝土开裂呈放射性状态，最大宽度约7mm（图1）。

（2）客厅顶板混凝土局部已自然脱落，钢筋外露，局部放射性开裂。

（3）阳台梁底开裂，混凝土剥落（图3）。

（4）2层及以上混凝土结构构件开裂不明显。

1.2 建筑结构复核

现场检测结果表明：房屋建筑使用功能布置、结构构件尺寸、配筋与原设计相符，砖体强度评定为MU10，砂浆强度推定值为4.3～12.1MPa，混凝土强度满足C20的设计要求。对房屋进行倾斜测量，倾斜率为0.3‰～4.7‰，倾斜率均较小，且倾斜方向无明显规律。因此，该房屋施工过程均按照设计图纸进行，且未见明显不均匀沉降现象。

采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列软件对房屋建立力学模型，并对其在静力荷载及风荷载作用下（不考虑地震作用，且不考虑混凝土开裂影响）的结构承载力进行计算分析。结果显示：①房屋各层墙体受压承载力均满足规范要求；②房屋各层墙体高厚比均满足规范要求。

1.3 房屋损伤详细勘察

为进一步查明裂缝产生的原因，对房屋典型的混凝土构建开裂区域进行详细勘察。在检测中发现，该房屋某室顶板混凝土裂缝内核存在白色残留物，其余区域局部存在放射性开裂现象。凿开底层构造柱进行检测，发现裂缝内核存在黄色残留物（图4、5）。针对裂缝中出现的残留物，查阅《既有建筑物结构检测与评定标准》（DG/TJ 08—804—2005）后发现，混凝土开裂的形状、分布、残留物特征与含MgO骨料引起的混凝土损坏特征基本相同。因此，在受检房屋3处开裂较为严重的位置，共取6个样品，对试样分别进行X荧光半定量分析和电子探针测试（图6）。

图1 底层构造柱开裂

图2 楼板底部胀裂

2 化学成分检测结果

采用Axios X射线荧光光谱仪对样品进行X荧光半定量，并采用日本电子公司JXA-8100电子探针与英国牛津仪器公司的INCA组合仪对样品进行微区元素成分定性定量分析。其取样位置与测试方法见表1，检测结果见表2、3。

2.1 水泥中常见氧化物含量测定

由测试结果可知，残留物中的主要化学成分为MgO，成分最高达到91.8%，最低37.97%，远远超出规范中规定的MgO的含量。

2.2 碱含量检测结果

图3 阳台梁底开裂

图4 顶板混凝土脱落(内有白色残留物)

图5 构造柱裂缝内部灰黄色残留物

表1 取样位置与测试方法

表2 X荧光半定量分析测试结果

表3 电子探针测试结果

检测各试样的碱含量发现，除混凝土含有部分碱外，受检试样残留物中基本不含碱。这也表明混凝土的开裂并不是由于碱骨料碱集反应所引起的（表4）。

3 开裂原因综合分析

（1）由于受检房屋砖抗压强度、砂浆抗压强度和混凝土抗压强度均满足相关规范要求，建模计算后的墙体受压承载力及墙体高厚比也符合设计要求，且检测发现裂缝并无明显方向性，没有规律的开裂，因此，可以排除结构性裂缝的可能。此外，对开裂部位的化学成分分析中，发现试样中碱成分的含量较低，也可排除碱集反应的可能。

图6 电子探针测试显示图

表4 碱含量测定结果

（2）混凝土收缩裂缝通常是比较均匀且有规律的，且宽度较细，但受检房屋混凝土构件开裂是局部的、无规律的严重胀裂，因而可排除混凝土收缩裂缝的可能性。

（3）钢筋锈蚀引起的裂缝，是由于钢筋发生氧化反应，生成的铁锈体积膨胀增大1.7倍，引起混凝土的胀裂。这类开裂与骨料化学反应所引起的胀裂有开裂严重的相似之处，但其裂缝沿钢筋走向分布[1]，而受检房屋混凝土开裂的特征是局部放射性，因此，亦可排除此可能性。

通过上述分析，开裂的原因可以确定为过高含量的游离MgO导致，因为水泥生料中通常会含有部分石灰石杂质，高温煅烧下则会转化为方镁石，即MgO，其结构是立方晶体，镁离子堆积在氧离子的间隙中间，因此，水化活性较低[3]。J·G·Bruschera和F·Gilles的研究结果表明，过多的游离MgO在水泥硬化后，经过较长的时间，在一定的湿度和温度下会发生水化反应，生成Mg(OH)2，从而产生破坏应力，造成裂缝，且随着损坏的产生，水气更容易接触MgO，从而使得MgO引起的胀裂加剧。由于房屋底层较为潮湿，水气渗入混凝土概率大，MgO骨料膨胀引起了混凝土放射性开裂损坏。

4 结论及建议

通过详细的房屋内部检测及后期开裂部位残留物和混凝土的化学成分检测，最终鉴定房屋开裂原因为：过量游离MgO在一定温度和湿度作用下进行水化反应，从而产生体积膨胀，形成裂缝。针对检测结果，建议采取以下措施。

（1）对已损坏的混凝土柱进行拆除，并新做钢筋混凝土柱子，柱子截面尺寸和钢筋同原有柱。钢筋与原有结构植筋连接。

（2）对已损坏的混凝土梁进行拆除，并新做钢筋混凝土梁。梁截面尺寸同原有梁，柱子截面尺寸和钢筋同原有柱。钢筋与原有结构植筋连接。

（3）对已损坏的混凝土板进行加固。首先，凿除锈胀处酥松部分混凝土，对锈蚀钢筋采用除锈阻锈处理；然后，用高强聚合物砂浆对破损处进行修补，再对板底存在裂缝采用化学灌浆处理；最后，采用粘贴碳纤维加固。卫生间楼板损坏比较严重，板底新做60mm厚混凝土楼板，并与原有楼板植筋连接。

（4）由于现场阳台损坏较严重，建议阳台位置的梁、板、柱拆除重做。

（5）对尚未出现损坏的混凝土构件采用有隔气防水功能的材料进行粉刷修缮处理。

5 结语

近年来，水泥安定性问题逐步引起人们的重视。过量游离MgO通常在房屋建成后几年的过程中，慢慢发生水化反应，使得房屋产生裂缝，因而在房屋检测时很容易被忽略，需要引起注意。建议在施工前做好混凝土用料中MgO的含量测定；对于因MgO过量而形成裂缝的房屋，应尽快进行加固或置换处理，并对尚未出现损坏的混凝土构件采用有隔气防水功能的材料进行粉刷修缮处理。

参考文献：

[1] 符晶华 , 袁内镇, 卢哲安 . 混凝土骨料水化反应引起的构件胀裂及其加固方法研究[J]. 土木工程学报, 2001,34(4):41-45.

[2] 郦挺. 水泥安定性对混凝土质量的影响及其检测[J].浙江建筑, 2007, 24(3):50-52.

[3] 周云. 混凝土构件中氧化镁的危害研究[J]. 住宅科技,2010, 30(9):45-47.