一般民用住宅建筑中出现由于混凝土材料引起的工程事故多为粗骨料中含有游离过烧的方镁石 (Mg O) 、生石灰 (Ca O) , 这类异常骨料常常在运输过程中混入粗骨料中, 在浇捣混凝土前未仔细选料, 从而混入混凝土中, 而这些异常骨料由于自身的吸水膨胀, 随着时间的推移, 往往会引起混凝土爆裂并导致混凝土构件周边的墙体发生严重的开裂现象, 对于这种工程问题往往通过置换混凝土的方法进行解决^[1]。而本文所涉及的工程事故却主要是由于延迟性钙矾石反应引起。

　　 所谓的延迟性钙矾石反应主要是指在混凝土中的水泥浆体水化的后期或在水泥浆体完全硬化后, 在没有外来硫酸根离子的条件下形成钙矾石并产生膨胀破坏的过程^[2]。一般而言, 延迟性钙矾石反应多发生在大体积混凝土中或蒸压养护的预制混凝土构件中, 发生在一般的民用住宅建筑中非常罕见, 因此往往引起误判, 从而导致错误的处理方式, 往往引起更加严重的后果。

　　 上海嘉定区一幢七层、两单元的砖混结构住宅房屋, 建造于1998年, 一层南侧为车库, 二层以上为一梯两户住宅。房屋竖向承重构件为黏土多孔砖和混合砂浆砌筑的墙体, 楼屋盖除厨、卫处为现浇楼板外, 其余部分均为厚120mm的预制多孔板。房屋整体性相对较好, 每层均设有统圈梁, 且在外墙四角、楼梯间四角、开间横墙与外墙交接处等位置设有构造柱。房屋采用钢筋混凝土筏板基础, 基础外挑宽度在1.5~1.7m之间, 基础板厚400mm。

　　 该房屋投入使用后不久, 部分底层墙体出现了开裂损坏。2015年, 某检测站对该房屋进行检测, 发现房屋的墙体裂缝集中在一层, 多为斜裂缝, 裂缝宽度大致在1~10mm之间, 斜裂缝方向无明显的规律, 见图1, 2。倾斜测量结果表明, 房屋南北向倾斜率为1.0‰~5.3‰, 主要向南倾斜, 东西向倾斜率为0.3‰~7.2‰, 倾斜方向无规律。其结论认为房屋墙体开裂是由于房屋地基不均匀沉降引起的, 房屋结构基本安全。

　　 2016年, 某公司采用静压锚杆桩对该房屋进行了地基加固处理。然而, 加固过程中, 在基础开挖后, 却发现房屋基础存在严重龟裂状裂缝, 局部裂缝宽度达5~10mm。凡是基础裂缝严重的位置上部墙体均存在严重的斜裂缝。典型基础裂缝见图3, 4。

　　 凿开部分开裂处的基础混凝土后发现, 混凝土骨料中含有异常骨料, 见图5。提取部分异常骨料磨细后进行X射线衍射结构分析, 分析图谱见图6, 分析结果表明该异常骨料主晶相为明矾石 (KAl₃ (SO₄) ₂ (OH) ₆) 和石英 (Si O₂) 。仔细凿取包含白色骨料与胶凝材料界面的样品, 对界面进行扫描电镜分析, 从10微米级照片中可以明显看出白色骨料与胶凝材料界面处存在大量钙矾石针状晶体, 见图7。

　　 上海嘉定区另一幢六层、两单元的砖混结构房屋也建造于20世纪90年代, 为一梯四户住宅。上部结构与案例一类似, 为砖混结构, 设有圈梁和构造柱, 整体性相对较好。采用钢筋混凝土筏板基础, 基础板厚350mm。

　　 该房屋投入使用后不久, 部分墙体出现了开裂损坏, 2005年, 某检测站对该房屋进行检测, 当时房屋的墙体裂缝集中在房屋的中部, 大多为竖向裂缝, 主要分布在一层至三层的窗角处, 裂缝宽度大致在1~3mm之间, 裂缝宽度从下至上逐步减小, 四层以上基本没有发现。尽管测量结果表明房屋无明显的不均匀沉降 (最大倾斜率小于2‰) , 但其结论仍认为房屋墙体开裂是由于房屋地基不均匀沉降引起的, 建议对地基基础进行加固。

　　 2006年, 某公司采用静压锚杆桩对该房屋进行了地基加固处理。然而, 在地基加固后的几年内, 房屋上部结构墙体的裂缝却出现了迅速的发展, 至2012年, 北立面靠近中部的纵横墙交接处及房屋内中部部分纵横墙体的交接处均出现了严重的垂直裂缝, 房屋下部裂缝宽度较大, 一般在3~8mm, 向上延伸至四、五层, 此外大部分房屋外纵墙及窗角还有垂直裂缝, 底层相对较严重, 裂缝宽度一般在2~8mm之间, 上部四、五层相对较轻。局部位置也存在墙体斜裂缝。从现场凿开的粉刷层看, 裂缝位置处的砖块和圈梁普遍开裂 (图8, 9) 。

　　 笔者重新对该房屋进行了鉴定, 发现上部结构中砌筑墙体用砂浆和砖强度较高, 基本达到设计要求, 基础和上部混凝土构件的混凝土强度等级达到C30, 也达到设计要求。房屋无明显的不均匀沉降和倾斜现象, 且经过半年的监测结果表明, 房屋沉降基本稳定, 但墙体裂缝仍在不断开展。

　　 为了彻底查清原因, 对房屋的基础进行了局部开挖, 发现开挖出的基础表面多处存在不规则的细微裂缝, 见图10, 钻取部分开裂处基础芯样后发现, 混凝土骨料中含有灰白色的异常骨料, 见图11, X光衍射结果表明, 该异常骨料主要成分为明矾石。对明矾石周边灰色物质进行电镜扫描分析, 结果表明, 这些灰色物质主要成分为钙矾石, 见图12和图13。

　　 检测结果表明, 以上工程案例基础中的混凝土裂缝成因是非常罕见的, 主要是由于粗骨料含有明矾石而导致的延迟性钙矾石形成造成的。

　　 钙矾石是硬化水泥浆体中的重要水化生成物^[3], 其化学分子式为3Ca O·Al₂O₃·3Ca SO₄·32H₂O, 因含有3个分子的硫酸钙 (Ca SO₄) , 故又称三硫型水化硫铝酸钙。在水泥的水化反应中, 因水泥熟料中所含的铝酸三钙 (C₃A) 与作为调节凝结时间而掺加的石膏 (Ca SO₄·2H₂O) 迅速发生反应而生成钙矾石。钙矾石最大的特点就是会产生体积膨胀。当钙矾石在水化早期有控制地生成, 不但可以作为强度骨架, 而且可以充分利用其膨胀性能补偿混凝土的收缩, 许多膨胀性水泥就利用了钙矾石的这种特性。但是若发生延迟性钙矾石反应, 往往会造成混凝土的开裂而导致灾难性的后果。

　　 上述工程案例基础中的混凝土粗骨料中发现了大量的明矾石, 明矾石是一种广泛分布的硫酸盐矿物, 其化学分子式为K₂SO₄·Al₂ (SO₄) ₃·4Al (OH) ₃。天然明矾石自身并不会吸水膨胀, 但在湿润环境中, 在碱和硫酸盐的激发下会形成钙矾石, 其化学总反应式为^[4]:

　　 图8 案例二外墙墙体阴角裂缝

　　 由式 (1) 可知, 首先1份 (重量) 明矾石需与1.16份Ca (0H) ₂和0.82份Ca SO₄才能完全反应, 生成4.55份钙矾石, 反应完成后该系统固相体积约增至118.08%。其次1份 (分子数) 明矾石需与78份H₂O结合才能完成反应。这意味着骨料中的明矾石若要与水泥硬化后产物Ca (0H) ₂和残留物Ca SO₄发生反应, 必须在水中或非常潮湿的环境中进行。本工程案例的基础部分就具有这样的环境条件, 因此诱发了延迟性钙矾石的产生。

　　 由前述可知^[5,6], 延迟性钙矾石的产生往往带来体积膨胀, 必然受到周边已硬化水泥浆体的约束, 因此对水泥浆体造成了一定的膨胀压力, 随着时间推移和其水化程度增加, 就会在骨料和浆体界面之间出现微裂缝, 随后新结晶的钙矾石迅速填满这些裂缝, 形成钙矾石带, 钙矾石晶体生长引起了更加明显的膨胀, 进一步扩大了界面裂纹, 最终导致整个混凝土构件发生严重膨胀开裂现象。

　　 以上两个案例由于基础材料中发生了延迟性钙矾石反应, 导致基础发生严重的膨胀开裂现象, 并使得房屋下部墙体出现明显的开裂, 已经严重影响了房屋的安全使用。但这种工程事故无相应的处理先例, 经过再三讨论, 最终的加固处理采用基础托换的方法进行处理, 如图14所示。

　　 在原基础上新浇一定厚度的混凝土底板, 新浇基础穿越基础墙体, 替代原混凝土筏板, 并采用凿毛、植筋等措施加强新、老混凝土连接, 穿越基础墙体时应分步凿除原基础墙体。并在新浇混凝土底板下打静压锚杆桩穿越原基础底板进行托换处理, 新加静压锚杆桩桩位在基础底板均匀布置, 中部密集, 两端稍减, 确保房屋后期沉降基本均匀。

　　 由于延迟性钙矾石反应造成混凝土破坏工程事故非常罕见, 加固措施是否合理尚需较长时间验证。

　　 (1) 一般砖混结构底层墙体的开裂不仅仅是由于基础不均匀沉降引起的, 在一些特殊情况下与基础混凝土材料问题也有关系, 需要工程人员通过裂缝形态、分布及房屋变形等各方面因素做综合判定。

　　 (2) 延迟性钙矾石反应是一种非常罕见的混凝土材料问题, 多发生在基础中, 一旦发生会引起较严重的后果, 需要引起足够的重视。

　　 (3) 目前采用的基础托换方法是否合理, 尚需较长时间的验证。