云母石膨脹引起的事故分析及處理

云母石是一種天然的硅酸鹽類礦物，伴生在各種巖石之中，由于其具有一定的膨脹性，因此是混凝土骨料中的有害物質(zhì)[1]。當(dāng)其含量超過一定值后，會對混凝土材料的力學(xué)性能、施工性能和耐久性能等各種性能產(chǎn)生不良的影響，因此在 JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》第 3.1.8 條中要求建筑用砂中云母含量不得＞2%，且云母含量指標(biāo)為必要控制指標(biāo)。但是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未對粗骨料中云母含量進(jìn)行限制，而個(gè)別民用建筑的混凝土材料在制作過程中未仔細(xì)選料，其粗骨料中可能會混入云母等有害物質(zhì)，在房屋的長期使用后，由于云母等有害物質(zhì)發(fā)生膨脹，會引起混凝土構(gòu)件發(fā)生裂縫，且會導(dǎo)致這些混凝土構(gòu)件周邊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件如墻體等會發(fā)生嚴(yán)重的裂縫，從而引起較嚴(yán)重的工程事故。

一般而言，云母石膨脹的損害多發(fā)生在細(xì)骨料中，而發(fā)生在粗骨料中的損傷往往非常罕見。正是由于這種現(xiàn)象非常罕見，因此大部分工程師對此沒有相應(yīng)的認(rèn)識，造成檢測鑒定結(jié)果誤判，在處理方法不合理時(shí)，往往引起更大的不良后果。

1 工程案例

某建造于 20 世紀(jì) 90 年代末的 6 層的磚混結(jié)構(gòu)房屋，東西走向，兩單元，一梯兩戶。房屋豎向由 240 mm 厚多孔磚墻體承重，2～6 層樓蓋在廚房、衛(wèi)生間處采用 100 mm 厚現(xiàn)澆樓板，其余部分均為預(yù)制多孔板。房屋每層設(shè)有統(tǒng)圈梁，在外墻四角、隔開間橫墻與外墻交接處、樓梯間四角等位置設(shè)有構(gòu)造柱。采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)外挑寬度在 1.5 m，基礎(chǔ)板厚 350 mm。由于房屋部分房屋墻體開裂損壞，委托方要求進(jìn)行安全性鑒定。

對房屋損傷調(diào)查結(jié)果表明，房屋西端一層業(yè)主的墻體存在較嚴(yán)重的斜裂縫和垂直裂縫，無明顯的規(guī)律，裂縫基本貫穿墻體，其中西立面墻體的裂縫尤其嚴(yán)重，裂縫寬度在 20～40 mm 之間。如圖1 所示。

圖1 房屋西立面裂縫示意圖

現(xiàn)場對房屋的建筑結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了復(fù)核、檢測，結(jié)果表明其與設(shè)計(jì)圖紙基本一致，房屋 1～6 層的砂漿實(shí)測強(qiáng)度達(dá)到 M5，砌筑用磚強(qiáng)度達(dá)到 MU10，混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度達(dá)到 C30 的要求。房屋傾斜測量結(jié)果表明，各角點(diǎn)棱線的傾斜均小于 1.0‰，小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，房屋無明顯的傾斜和不均勻沉降。

由檢測結(jié)果可知，房屋西端位置無明顯的相對高差和不均勻沉降，因此房屋底層出現(xiàn)明顯的裂縫與局部沉降無關(guān)。

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果對房屋墻體的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明各墻體的抗壓承載力均滿足要求。地基承載力和沉降驗(yàn)算結(jié)果均表明滿足要求。

由于沉降和承載力均不是墻體開裂的原因，因此如何解釋驗(yàn)算結(jié)果和實(shí)際損傷之間的矛盾就成為一個(gè)問題，如果不找出真正的損傷原因，則后期的加固處理就會無的放矢。

2 事故原因分析

為進(jìn)一步查清損傷原因，對基礎(chǔ)局部進(jìn)行了開挖檢測，檢測結(jié)果表明，基礎(chǔ)表面存在大量的無規(guī)律裂縫，如圖2 所示。鉆芯取樣后，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)混凝土材料中存在異常的粗骨料，如圖3 所示。

圖2 基礎(chǔ)表面裂縫

圖3 混凝土芯樣中有異常骨料

對該異常骨料進(jìn)行 X 光衍射和電鏡分析，結(jié)果表明，該異常骨料的主要成分為云母石。結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 化學(xué)譜分析結(jié)果

圖5 掃描電鏡分析結(jié)果

相關(guān)化學(xué)理論分析表明[2-3]：云母[KAl2Si3AlO10(OH)2]屬層狀鋁硅酸鹽礦物，當(dāng)其與不含或含少量 K+或較大尺寸陽離子的水溶液接觸時(shí)，因云母中的 K+比溶液中的多，K+陽離子按虎克定律從云母薄片中擴(kuò)散開來，而水溶液中存在的較大陽離子則易擴(kuò)散進(jìn)入云母內(nèi)。因?yàn)榕c云母相比，溶液中較大的陽離子多，因?yàn)檩^大陽離子不能進(jìn)入 K+陽離子離開后所空化的層間間隙，便使云母沿層間被劈開甚至沿邊緣斷開成碎片，并使云母體積發(fā)生巨大膨脹。

簡而言之，本次送檢基礎(chǔ)芯樣中存在的白云母在與地下水溶液接觸過程中，云母中 K+離子擴(kuò)散出來后，其在顆粒物中占據(jù)的原有層間空間不足以容納地下水溶液中較大的陽離子，于是較大的陽離子將原有空間撐大，在宏觀上就表現(xiàn)出顆粒物體積膨脹增大，進(jìn)而導(dǎo)致基礎(chǔ)開裂。并使得房屋與之緊鄰的下部墻體出現(xiàn)明顯的裂縫，從而嚴(yán)重影響房屋的安全使用。

3 加固處理措施

該工程案例由于在基礎(chǔ)的混凝土材料中發(fā)生了白云母石膨脹，導(dǎo)致局部含白云母石的基礎(chǔ)發(fā)生了局部的膨脹開裂現(xiàn)象。由于局部基礎(chǔ)的變形導(dǎo)致與之相鄰的房屋底層墻體出現(xiàn)了較嚴(yán)重的裂縫，因此對房屋的安全使用造成了明顯的影響。因此建議對該房屋應(yīng)盡快采用相應(yīng)的加固處理措施，確保房屋的安全使用?？紤]到房屋為居民住宅，且正在使用，若采用鑿除基礎(chǔ)重新澆筑的方法并不適用。經(jīng)過與委托方協(xié)商，最終確定的加固方案為基礎(chǔ)托換，即在原基礎(chǔ)表面新澆一層混凝土基礎(chǔ)，其下打樁，樁頂應(yīng)穿越已經(jīng)破壞的基礎(chǔ)，錨固在新澆基礎(chǔ)之上。

4 結(jié) 語

（1）結(jié)構(gòu)墻體開裂往往由多種原因引起，比如溫度收縮、不均勻沉降等，但在某些特殊情況下，也可能是由于異常骨料引起，比如游離氧化鈣、延遲性鈣礬石反應(yīng)等。

（2）云母石的膨脹反應(yīng)是一種嚴(yán)重的混凝土材料問題，多見于混凝土細(xì)骨料中，而混凝土粗骨料中較為罕見，一旦發(fā)生往往導(dǎo)致周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重開裂，造成安全隱患。

（3）目前采用的基礎(chǔ)托換方法是否合理，盡管工程實(shí)踐中已有許多成功案例，但還尚需通過較長時(shí)間的驗(yàn)證和不斷總結(jié)。