主體結構混凝土墻體表面爆裂分析與研究

汪 磊 查大奎 周正軍

(武漢建工集團股份有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

混凝土，當代使用最為廣泛的一種建筑材料，具有價格低廉、易獲取、耐久性能好等特點，其配合鋼筋的使用應用于大量工程主體結構中，對工程質量產生非常大的影響。

生石灰是由天然巖石中以碳酸鈣(CaCO3)為主要成分經過煅燒得到的，其主要成分為氧化鈣。氧化鈣對混凝土作用非常大，其與水反應生成氫氧化鈣，可用做混凝土膨脹劑，但氧化鈣卻不能直接接觸混凝土，因其接觸水后水化反應十分激烈，且放出熱量大，在混凝土硬化前，已經水化完畢，會使混凝土產生體積膨脹而開裂。

少量生石灰能做混凝土的膨脹劑(即石灰系膨脹劑)，部分學者基于補償收縮混凝土理論對少量生石灰均勻摻入混凝土作為膨脹劑做了大量研究，但是若生石灰成塊摻入混凝土中，會產生嚴重后果，這在一些工程中已有過深刻的教訓，如湖北武漢某住宅工程曾因混凝土主體構件大量爆裂而造成整層樓拆掉的嚴重后果。本文針對某大型住宅主體結構澆筑混凝土構件中摻入生石灰塊的質量問題，進行了研究分析和加固處理，試圖為類似工程問題解決及相關理論研究提供參考。

1 工程概況

武漢某住宅群體工程總建筑面積為266 912.66 m2，地下1層，地上26層(含裙樓1層～2層)，共由12棟住宅樓組成，其結構類型為框剪結構。該工程的6號樓采用現澆鋼筋混凝土結構，平面尺寸為54 m×12 m，采用資質齊全、材料合格的混凝土公司供應混凝土。項目部質檢人員在某次巡查中發現該樓13層墻柱及14層梁板在拆模后局部有零星爆裂情況，后項目部人員將開裂部位剝除后發現開裂部位中心有白色狀物質，用手觸摸有粉末狀物質掉落，初步懷疑為熟石灰；后將每一處開裂部位打開，均發現存在同樣的白色塊狀物。

2 爆裂點發展過程監控與統計

混凝土表面爆裂問題出現后，項目部進行了如下工作：

1)全面排查已經施工完成所有樓層混凝土爆裂點情況。

2)在爆裂點不同部位分別取白色異樣物兩種，進行異樣物化學成分分析，確認異樣物性質。

3)在爆裂點較多的墻面，打開部分墻面混凝土保護層，觀察有無異物存在。

4)全面檢查并書面記錄墻體爆裂點的分布，繼續觀察爆裂點的增多和發展情況，觀察時間不少于2個月，觀察期保持墻面濕潤。

經過前期的準備工作和持續的觀察，6號樓13層爆裂點的具體發展情況如下：

1)對商混站所供應的所有混凝土進行全面排查，并重點對于6號樓13層混凝土澆筑日期前后各7 d供應給本項目的混凝土構件進行排查，暫未發現與6號樓13層墻柱和14層梁板相同的開裂情況。

2)對爆裂點物質成分進行了見證取樣送檢，并送檢至相關檢測單位。根據檢測結果顯示，引起爆裂物質主要成分為CaO，占比約70%，其他堿骨料如MgO等含量極少，占比僅約1%，其他為SiO2等穩定物質，不影響墻面開裂。

3)對墻體零星爆裂部位、分布情況、大小、深度等進行了全面深入統計，結果顯示絕大多數點位存于混凝土表面(保護層范圍內)，爆點情況統計見表1，表2。

表1 混凝土表面開裂部位統計

表2 開裂部位深度統計

通過對爆裂點鑿開后發現，絕大部分爆裂點開裂時堿性物質的埋深在2 cm以內(占比約95.4%)，少數堿性物質埋深超過2 cm。

4)對爆裂點進行持續觀察統計，并對初始爆裂點進行了編號，在每次持續濕水半個月后進行再次統計，根據墻、板、梁、柱等不同位置連續進行了六次觀測，觀測時間分別為2015年11月30日、12月15日、12月30日、2016年1月15日、2月28日、3月31日，初始點位為86個，新增點依次為12個、7個、3個、0個、0個，混凝土表面基本處于穩定狀態，不再新增爆點，見表3。

表3 爆裂點觀測情況統計表

對相同位置多次進行觀測，為了使存在的隱患點充分暴露出來，我們對每一構件進行持續濕潤觀測，見表4。

表4 爆裂點持續發展情況統計

3 結構面爆裂原因分析

混凝土表面爆裂發生后，施工方組織各相關參與單位到現場進行討論處理，商混站對其供應的這批次混凝土進行了匯報。最終查明，6號樓13層混凝土結構出現爆裂是由于這一批次的商混粗骨料混入了生石灰塊，其中有三個車次的石料在送料之前存在運送生石灰的情況，由于未清理干凈而在車廂角落地方存在有少量生石灰塊，混入后運送到商混站的石料中，收料人員未及時發現導致現在這種情況，部分生石灰未被溶解，攪拌不均后澆筑的梁、板、柱中殘留了部分生石灰塊未被發現。生石灰呈小塊狀，粘結性能弱，在遇到水容易發生水化反應，生成氫氧化鈣。

CaO+H2O=Ca(OH)2

(1)

這是一個放熱過程，且水化產物的體積將增加近一倍。大量的熱量使生成的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳、水結合生成碳酸鈣(CaCO3)。

Ca(OH)2+H2O+CO2=Ca(CO)3

(2)

這一過程造成混凝土碳化，使混凝土疏松、易脫落。氧化鈣、氫氧化鈣、碳酸鈣在結構內積累過多、體積膨脹，受周圍壓力過大、結構面強度低爆裂而出，就如上述實際發生的現象，受力如圖1所示。

4 混凝土中摻入生石灰塊產生的危害

除了因為膨脹而使混凝土表面開裂以外，生石灰水化反應需要大量的水，造成混凝土漿液中水分減少，混凝土稠度增大，混凝土中產生大量孔隙，影響混凝土強度和質量。發生的碳化現象使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，碳酸鈣爆裂而出，會在結構內留下空隙，而與空氣直接接觸，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，同時也會在結構局部出現薄弱層，對整體結構產生巨大的危害。

同時生石灰水化發生時，放出大量的熱量，使混凝土中的溫度急劇上升。溫度上升促使混凝土漿料中游離的二氧化硅(SiO2)與石灰發生反應生成硅酸鈣，反應式如下：

(3)

這一過程進一步造成混凝土中的水分大量減少，影響混凝土的質量。

5 結構加固處理方案

首先對本層混凝土強度進行回彈檢測，檢查強度是否達到設計要求。第三方檢測機構對6號樓13層墻柱和14層梁板進行回彈檢測，總共取點16組(部位)共80個點位進行回彈檢測，檢測初步結果72個點位強度達到或超過設計要求，8個點位存在有略微小于設計強度的情況，在此基礎上增加了檢測比例。同時將摻入生石灰的混凝土與同條件下混凝土試塊進行標養，對比強度變化。經過檢測分析看，絕大部分開裂部位在保護層厚度內，爆點主要位于混凝土表面(混凝土保護層部分)，不影響結構強度，檢測報告(強度等)也基本合格。

對該層混凝土情況進行了連續濕水和長達5個月左右的觀測記錄，其中最近兩個月均未見新的爆點出現。項目部采取一些對結構表面的修補措施：

1)選擇爆裂點數相對多的一面墻體將其一面的保護層鑿開并進行觀察以確定是否還存在有未爆裂的氧化鈣點，然后用M25水泥砂漿進行修補處理。

2)對于墻體、樓板的爆裂點采用水泥砂漿進行填補處理，對于梁面爆裂點采用環氧砂漿進行填補處理。

3)對于爆裂點數相對稍多的三塊板，板底進行適當加厚粉刷處理，并在粉刷層進行了掛網粉刷處理。

4)修補前將爆裂點處里面的CaO全部清理干凈。

5)該層暫未開始粉刷施工，觀察1個月～2個月后再進行粉刷。

6 結語

基于實際工程案例分析和試驗檢測獲得的數據，對混凝土結構面爆裂的原因進行深入分析，針對混凝土表面爆裂破壞的特征，采取了相應的加固措施保證結構質量。目前，該工程采取的修補方案已落實較長時間，尚未發現異常，反映良好，取得了較好的技術經濟效果。但以下方面還需深入研究：對結構面上爆裂點可以直接觀察到，但部分如墻、柱子內部若有生石灰塊，檢測容易漏掉，且修補難度大，可能會有隱患；生石灰在結構內對鋼筋的影響目前還未顯現出來，需要對其進行受力分析等問題。

[1] GB 50666—2011,混凝土結構工程施工規范[S].

[2] GB 50204—2015,混凝土結構工程施工質量驗收規范[S].

[3] GC/T 481—2013,建筑消石灰[S].

[4] 徐有鄰，顧祥林.混凝土結構工程裂縫的判斷與處理[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.