返碱引起的内墙砖膨胀开裂问题案例分析

引言返碱是指墙体受潮后，伴随着水分的蒸发，墙体内部材料中氢氧化钙、钾、钠离子等碱性物质在墙体表面结晶、粉化的现象[1]，一般多发生于地面以上500mm范围内的砌体结构或二次结构填充砌体的根部[2]。返碱一般与墙体材料含碱高、砌体材料容易吸水以及墙体防水措施不到位有关[3-4]。返碱不但污染墙面，影响墙面外观，还会给墙体结构安全带来隐患。但是，返碱的主要成分是什么，墙体返碱的主要原因与机理是什么，哪些成分参与了返碱，其危害有哪些，目前均不清楚，为此，本文针对两例因返碱引起的内墙砖开裂案例，分析了返碱产生白色粉末的主要成分，返碱的原因、机理，提出了对返碱的预防与处理措施。1、实际案例

因返碱引起的内墙砖膨胀开裂现象较为常见，特别是夏季是返碱的高发期，为此选取两处典型案例，介绍其工程特点。案例一：某教学楼三楼会议室的柱1m以下位置、窗下填充墙均发生了明显的内墙砖膨胀开裂现象，墙体已经明显变形，另外，可以明显发现内墙砖与墙体之间有较多的白色粉末，如图1所示，经现场调研可知，此三楼会议室位于顶楼，经常发生渗漏雨水现象。图1某会议室内墙砖膨胀开裂图案例二：某公共卫生间内墙砖釉面发生明显脱落现象，如图2所示。内墙砖釉面脱落部位多发生于窗下内墙以及分布有水管的内墙表面，位置在地面以上1.8m内，另外，内墙砖釉面脱落处均可见有白色粉末。图2某公共卫生间内墙砖釉面剥落图2、工程返碱的机理与原因分析

2.1工程返碱粉末成分及形貌分析

图3为图1（b）中柱底部的白色粉末放大图，由图3可见放大后白色粉末的颜色轻微泛黄，根据经验可知其为工程返碱，由于碱在结晶、传输到墙体表面的过程中容易受到墙体本身材料及杂质的影响，白色的返碱有时也会呈现其他颜色。取该白色粉末粉磨至0.08mm，利用XRF、XRD、SEM-EDS分析其化学组成与矿物组成，结果分别见表1及图4~图6。图3柱底部白色粉末表1白色粉末的化学组成%由表1可知，白色粉末的主要成分为SO3、Na2O、K2O、CaO，同时含有少量的SiO2、Al2O3、MgO、Cl、P2O5、TiO2等，由此可以推断，白色粉末的主要矿物成分可能是Na2SO4、K2SO4类物质。SiO2的存在，与白色粉末中存在少量细颗粒砂有关。由图4可知，白色粉末中主要矿物组成为：Na2SO4、K3Na(SO4)2、Na(AlSi3O8)、Na2CO3·3NaHCO3、KHCO3、CaCO3、SiO2，其中钠长石与石英是砂的主要成分[5]，在白色粉末中为杂质，这与图3、表1的结果一致。图4返碱处白色粉末XRD图谱由图5可知，将白色粉末放大5000倍、10000倍、20000倍后发现，白色粉末主要呈现类椭圆球体、圆饼状、球体等，各种形貌之间区别较小。选取图5（b）的典型性颗粒进行能谱测试，结果见图6、表2。由结果可知，图5（b）中颗粒1为钾芒硝，颗粒2~颗粒5主要为无水芒硝硫酸钠，另外，从能谱数据中发现各个颗粒里面还有较多的碳元素，结合图4，可知颗粒1~颗粒5中还夹杂有钾纳的碳酸盐、碳酸氢盐等物质，白色粉末的形貌较为复杂。图5返碱处白色粉末的SEM图谱图6颗粒1~5的EDS能谱图表2

颗粒1~5的元素组成（at.）%2.2工程返碱的机理及原因由图4和表1可知，白色粉末中较多的SO3、Na2O、K2O主要以Na2SO4、K3Na(SO4)2、Na2CO3·3NaHCO3、KHCO3形式存在。其中，无水芒硝Na2SO4，白色，吸水会变成白色芒硝Na2SO4·10H2O并膨胀；钾芒硝K3Na(SO4)2，白色，是一种相称复盐，主要来源于K2SO4和Na2SO4，K2SO4吸湿小，不易结块，而其中的Na2SO4同样遇水结晶膨胀；碳酸氢钠石Na2CO3·3NaHCO3主要来源于Na2CO3，Na2CO3易吸湿变成Na2CO3·10H2O、Na2CO3·7H2O、Na2CO3·H2O而膨胀，而Na2CO3在潮湿条件下遇到空气中CO2变成NaHCO3也会发生体积膨胀；重碳酸钾石KHCO3主要来源于K2CO3，K2CO3同样易吸湿结块变成K2CO3·2H2O、2K2CO3·3H2O、KHCO3而膨胀。因此，Na2SO4、Na2CO3、K2CO3等吸水、结晶膨胀是造成内墙砖膨胀、开裂的主要原因。白色粉末中的方解石CaCO3主要来源于水泥的水化产物Ca(OH)2，混凝土或者砂浆孔溶液中的Ca(OH)2会在干燥条件下随着水分蒸发被带至混凝土表面，其颜色为白色，这个过程也是返碱，但此过程会造成混凝土收缩[6]。另外，由于空气中CO2的存在，Ca(OH)2在潮湿条件下与CO2反应生成CaCO3，因此，返碱的白色粉末中检测到有CaCO3存在。Ca(OH)2转变成CaCO3的这个过程为混凝土的碳化过程，碳化同样会导致混凝土的收缩[7]。从上述分析可知，返碱产生的原因一方面是墙体材料中存在Na2SO4、Na2CO3、K2CO3、Ca(OH)2等形式的碱，其中Na2SO4是主要原因；另一方面是墙体等未做好防水、有水渗漏[8]。标准中常见建筑材料的碱含量限值见表3，碱含量超标是导致墙体返碱的主要原因。由表3可知，现有标准中只有水泥、磷渣粉、混凝土、拌合水对碱含量限值有具体的要求，而砂、石中仅限定了硫化物及硫酸盐的含量，烧结砖中限定了每块砖不允许严重泛霜，而对于外加剂、其他矿物掺合料、混凝土砖、砌块、砌筑砂浆等均无明确的要求。因此，上述材料的生产以及相关施工过程是碱含量超标的高发地，例如，为了提高砌筑抹灰砂浆的保水性，施工人员往往超剂量添加碱含量高的“砂浆王”。表3

标准中常见建筑材料的碱含量限值水泥混凝土中的碱分为可溶性碱和不可溶碱，可溶性碱常以硫酸盐、碳酸盐的形式存在，在水泥遇水后这部分碱可以迅速溶于水中，溶于水的可溶碱一部分可被水化产物吸附，一部分可以与矿物掺合料反应，剩余存在于孔溶液中的碱为可利用碱，这部分碱是混凝土返碱的主要成分，同时也是引发混凝土碱骨料反应的碱[9]。然而碱在混凝土中并非全是有害的，碱在混凝土中还可以起到稳定水化产物，激发矿物掺合料，提高混凝土抗冻性、耐磨性与抗碳化性能的作用，因此碱在混凝土中的作用也具有两面性。另外，混凝土的主要水化产物之一—氢氧化钙也微溶于水，混凝土失水后，氢氧化钙或者其碳化产物—碳酸钙也会被带至混凝土表面，因此氢氧化钙与碳酸钙也是混凝土返碱的成分之一，但是这部分返碱不会引起混凝土膨胀。减少氢氧化钙含量有助于降低因此引起的返碱问题，但是氢氧化钙较少时容易导致混凝土的中性化，不利于阻止钢筋锈蚀。烧结砖中的可溶性碱（硫酸钠等）随水分蒸发也会在砖表面发生盐析现象，同样可以造成墙体返碱。另外，当烧结砖的原料中含有石灰石时，在焙烧过程石灰石会分解成生石灰（过烧石灰）滞留在烧结砖内，当烧结砖遇水后，生石灰转化成消石灰（氢氧化钙），一方面会体积膨胀造成砖体开裂，另一方面氢氧化钙被水带到墙体表面形成返碱。因此，烧结砖中可溶性碱、过烧石灰含量较高也会造成砖体的膨胀开裂。墙体材料一般由砌块、砖等砌筑而成，砌块与砖的特点是空隙大，孔隙率高，在水存在的条件下，可以将外界、墙体内部的碱带至墙体表面，也是墙体产生返碱的主要原因之一。另外，结合工程案例可知，工程返碱发生的部位一般在墙体1.8m以下。同时，用水越频繁，返碱发生的部位越高，但是1.8m以上墙体发生返碱的现象较少，这是由于墙体越高，碱和水在蒸发的过程传输的路径越长，返碱越难发生。另外，夏季工程返碱现象较其他季节严重，这与夏季雨水较多、温度较高、蒸发作用更强有关，同时，温度升高会导致墙体中碱的结晶压力更大，也更容易产生膨胀造成墙体开裂。3、返碱的预防与治理

由返碱的成因可知，碱、连通孔、水是造成墙体返碱的主要原因，因此，预防墙体返碱需要从以下方面考虑：（1）降低建筑材料中的可溶性碱含量，并通过提高矿物掺合料的用量，降低混凝土、砂浆中的氢氧化钙含量。（2）提高墙体密实度，通过降低水灰比，优化砂浆、混凝土配合比、添加膨胀剂等措施提高砂浆、混凝土的密实度，提高其抗水渗透和抗开裂能力。（3）做好结构防水。通过防水措施，填补砂浆、混凝土的孔隙，杜绝墙体内外的水交换。返碱一般以预防为主，治理相对较难，由于返碱的主要成分溶于水且呈碱性，可以首先采用冲水法、喷砂法、酸洗法等清除掉墙体表面的返碱，然后涂刷防水剂，再进行墙面修复。结论

本文列举了两起因返碱引起的内墙砖膨胀开裂问题案例，分析了返碱的主要成分，返碱的原因、机理并提出了对返碱的预防与处理措施，主要结论如下：

（1）返碱产生白色粉末的主要化学组成为SO3、Na2O、K2O、CaO等，主要矿物组成为Na2SO4、K3Na(SO4)2、Na2CO3·3NaHCO3、KHCO3、CaCO3等。（2）建筑材料中Na2SO4、Na2CO3、K2CO3等吸水、结晶膨胀是造成内墙砖膨胀开裂的主要原因。（3）建筑材料中Na2SO4、Na2CO3、K2CO3、K2SO4、Ca(OH)2（或