本文介紹鋼渣、欠火/過火石灰、水泥熟料、方鎂石和堿活性骨料這5種常見的問題骨料，通過描述破壞情況、介紹破壞機理、探討檢測方法和治理措施對問題骨料進行分析，以期對破壞混凝土的問題骨料有更全面的認識。

1 鋼渣

鋼渣為煉鋼過程中的一種副產(chǎn)品，由生鐵中的硅、磷、硫等雜質(zhì)在熔煉過程中氧化而成的各種氧化物及這些氧化物與溶劑反應(yīng)生成的鹽類組成。鋼渣強度高，破碎后作為混凝土骨料使用很容易達到強度要求，但由于游離CaO和MgO含量大，其安定性是否合格需要引起重視。

1.1 破壞情況及機理分析

骨料中混有穩(wěn)定化處理不完全鋼渣的混凝土，在澆筑4～8個月甚至竣工1年后，表層混凝土?xí)霈F(xiàn)點狀徑向自崩現(xiàn)象，自崩點中心有結(jié)構(gòu)較疏松的棕色或紅褐色顆粒物，其長12～53mm，寬12～50mm，深1～20mm。

由于鋼渣中的CaO和MgO經(jīng)過高溫煅燒后變得結(jié)構(gòu)致密，減緩了其水化反應(yīng)，并且混凝土拌合時間短，使得鋼渣中大部分CaO和MgO在混凝土硬化前沒有水化，沒有水化的CaO和MgO在適宜條件下緩慢水化，水化產(chǎn)物Ca(OH)2和Mg(OH)2使體積分別增大98%和220%，當膨脹應(yīng)力大于其周圍混凝土的包裹力時，外層混凝土?xí)a(chǎn)生裂紋、鼓包，甚至自崩。

1.2 檢測方法及處理措施

檢測方法：由于鋼渣對混凝土的上述破壞作用，其用于混凝土骨料前，最終檢驗結(jié)果必須合格。具體方法如下：鋼渣磨粉后參照GB/T 28293—2012《鋼鐵渣粉》檢測其安定性，若不合格，則不可用；若該項試驗合格，隨機選取至少一百顆鋼渣骨料進行壓蒸試驗（216℃、2MPa條件下至少6h），出現(xiàn)明顯開裂破損的顆粒數(shù)應(yīng)小于5%；檢驗均合格后，成型試件，標準養(yǎng)護28d后，進行蒸養(yǎng)試驗（蒸養(yǎng)溫度不低于80℃，時間不少于7d），蒸養(yǎng)后的混凝土無肉眼可見損傷，然后進行壓蒸試驗（216℃、2MPa條件下至少6h），壓蒸后試件無肉眼可見損傷，且抗壓強度降低幅度不超過10%即認為最終結(jié)果合格。

處理措施：一是悶渣陳化處理，不僅能夠降低鋼渣中膨脹成份游離CaO和MgO，而且能使鋼渣中CaS遇水生成的不穩(wěn)定高價硫離子氧化；二是改進煉鋼工藝，避免用白云石或方鎂石制作渣料，這樣可降低鋼渣中游離MgO的含量。

2 欠火/過火石灰

實際生產(chǎn)中，石灰石的煅燒溫度高達1000～1100℃，由于石灰石原料尺寸大及窯中溫度分布不均等原因，使得石灰石中CaCO3沒有完全分解，生成欠火石灰；若溫度過高，會造成石灰石表面物質(zhì)熔融，在表面形成一層深褐色結(jié)構(gòu)致密的玻璃狀外殼，生成過火石灰。

2.1 破壞情況及機理分析

骨料中混入欠火/過火石灰的混凝土，一般在硬化初期，有的在澆筑約一個月后，會出現(xiàn)以某一點為中心的凸起開裂、自崩或弧形脫落現(xiàn)象，中心位置深10～45mm，自崩處中心有直徑10～30mm白色、淡黃色或紅褐色的顆粒物，同時出現(xiàn)約2mm厚一碰即落的粉末狀物質(zhì)，清理后，粉末狀物質(zhì)會再次出現(xiàn)在骨料表面。

欠火石灰中含有的部分生石灰，與石灰石交錯分布，遇水后發(fā)生緩慢水化，生成Ca(OH)2，造成體積增大1倍左右；過火石灰表層有一層深褐色結(jié)構(gòu)致密的玻璃狀外殼，延緩水分的滲入，降低水化速度，但后期體積會慢慢膨脹。若水化膨脹發(fā)生于混凝土淺層，會出現(xiàn)凸起、開裂或自崩現(xiàn)象；若發(fā)生于混凝土深層，由于受到鋼筋或/和外部結(jié)構(gòu)的約束，會在其周圍產(chǎn)生較大應(yīng)力，形成安全隱患。

2.2 檢測方法及處理措施

檢測方法：首先從顏色方面區(qū)分，欠火石灰和正常生石灰發(fā)白，過火石灰表面有一層深褐色的玻璃狀外殼，玄武巖為黑色或暗綠色，普通碳酸鹽骨料為灰色或灰白色。然后分別取少量塊狀樣品，放入100mL蒸餾水中，1min后，若有大量熱放出，說明是正常生石灰，若有少量熱放出，說明是欠火石灰，若感覺不到熱量放出，說明是過火石灰或正常的骨料；也可以分別取少量試樣粉碎，加入HCl溶液（1體積濃HCl和1體積蒸餾水的混合液）中，正常骨料產(chǎn)生氣泡最多，欠火石灰產(chǎn)生少量氣泡，若沒有氣泡產(chǎn)生說明是過火石灰或正常生石灰。

處理措施：少量過火/欠火石灰混入鋼筋混凝土，對混凝土強度和鋼筋應(yīng)力影響不大，建議清理修補爆裂部位，做好防水處理，根據(jù)構(gòu)件分類和性質(zhì)采用不同處理方法。較薄構(gòu)件要加強養(yǎng)護，多澆水，使其中未水化石灰部分盡快水化膨脹后再清理，同強度砂漿修補時要進行甩毛，且最好掛網(wǎng)；體積較大構(gòu)件，表面爆裂處裂縫需進行注漿處理。操作均完成后，構(gòu)件表面要進行防水處理，對于重要構(gòu)件或局部嚴重部位發(fā)生爆裂的，應(yīng)予拆除。

3 水泥熟料

水泥熟料主要化學(xué)成分為CaO、SiO2和少量的Al2O3、Fe2O3。

3.1 破壞情況及機理分析

若混凝土骨料中混有水泥熟料，一般在澆筑半年后混凝土發(fā)生局部隆起、開裂，甚至脫落現(xiàn)象，且隨著時間的延長，該現(xiàn)象愈發(fā)嚴重，爆裂點中心為5～30mm灰黑色疏松固體。

熟料在有水的情況下，發(fā)生水化反應(yīng)，生成膨脹性水化產(chǎn)物，在沒有或很少石膏存在的環(huán)境下，C3A水化很快，水化產(chǎn)物不斷在熟料顆粒表面積聚，對其內(nèi)部和周圍混凝土同時產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力，從而加速了熟料顆粒的粉化和外部混凝土的脹裂。

3.2 檢測方法及處理措施

檢測方法：把待檢測骨料粉碎，使其全部通過0.075mm的方孔篩，取50g，加入25mL蒸餾水，攪拌均勻成糊狀，在標準養(yǎng)護箱中放置24h，若硬化，說明是水泥熟料，沒有硬化的則是普通骨料。

處理措施：用水把出現(xiàn)問題的同批次混凝土外層潤濕，使其中的熟料充分水化，清理掉起鼓和脫落的部位后進行修補，外層做好防水處理。對于關(guān)鍵部位或起鼓開裂嚴重部位，需要進行加固處理，甚至拆除重建，但上述操作，需與設(shè)計部門配合進行。

4 方鎂石

方鎂石是鎂的氧化物礦物，一般為無色到淺灰色的玻璃狀顆粒，也有綠色、黃色或黑色。

4.1 破壞情況及機理分析

常于摻入混凝土半年后開始反應(yīng)，埋置深的，竣工后七八年，甚至二三十年才表現(xiàn)出來?？梢晌镆话銥橹行墓捌鸹虮?，形成徑向輻射狀裂紋或凹坑，中心為直徑10～50mm的淡黃色或白色疏松石塊，有的疏松石塊內(nèi)層仍是堅硬塊體。

在含水環(huán)境下，Mg O發(fā)生緩慢的水化反應(yīng)，生成Mg(OH)2，體積增大，最大膨脹應(yīng)力高達14MPa，遠大于混凝土抗拉強度，極易形成徑向輻射裂縫，甚至拱起、脫落。且其水化是從表面一層層向內(nèi)部進行，內(nèi)部受到外層的保護，所以有的塊體內(nèi)部幾乎沒有發(fā)生反應(yīng)，仍然十分堅硬。由于工程實際中MgO反應(yīng)所需水是從混凝土孔隙中滲入，故水化反應(yīng)緩慢，脹裂常發(fā)生于工程竣工后數(shù)年。

4.2 檢測方法及處理措施

檢測方法：溫度對方鎂石水化速率影響較大，溫度越高水化膨脹速率越大，將塊狀試樣分別浸泡于（20±3）℃蒸餾水中24h，參照GB/T 750—1992《水泥壓蒸安定性試驗方法》進行試驗，其中壓蒸釜中壓力控制為（2±0.05）MPa，相當于（215.7±1.3）℃壓蒸6h，試驗結(jié)束后，出現(xiàn)破裂的為方鎂石或其他問題骨料，無變化的為普通骨料。

處理措施：楊婧等認為針對方鎂石反應(yīng)條件，可采用隔水法處理，如鋼板灌膠、粘碳纖維、加大截面法；對梁采用外包鋼加固法，對邊柱采用外包鋼且加大混凝土截面加固法，對中柱采用鋼板加固后再粘碳纖維加固法，對板采用粘碳纖維加固法；若方鎂石大面積存在于混凝土中，采用隔水加固方法處理不一定是經(jīng)濟的，且處理后還存在繼續(xù)爆裂的可能，拆除重建是應(yīng)該考慮的處理方案。符晶華等[18]認為若方鎂石存在于局部構(gòu)件中，可以考慮采用結(jié)構(gòu)置換法，如使用鋼結(jié)構(gòu)置換，四周應(yīng)留適當空隙，允許混凝土自由爆裂。

5 堿活性骨料

堿活性骨料是指在一定條件下能與混凝土原材料（膠凝材料和外加劑等）中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹、開裂甚至破壞的骨料。

5.1 破壞情況及機理分析

在無鋼筋約束時，堿骨料反應(yīng)破壞呈網(wǎng)狀裂縫，且一般裂縫一側(cè)拱起，有鋼筋約束時，裂縫沿鋼筋方向開展，裂縫發(fā)展到一定程度，會造成混凝土疏松、脫落。

上世紀四十年代，StanTon T. E.首次提出堿硅酸骨料吸水膨脹是混凝土開裂的重要原因之一，上世紀六十年代，Swenson E.G.[20]發(fā)現(xiàn)了混凝土骨料的堿碳酸鹽反應(yīng)，1965年Gillott J.E.等發(fā)現(xiàn)了另外一種堿骨料反應(yīng)—堿硅酸鹽反應(yīng)。堿-骨料反應(yīng)（AAR）有3個條件：一定數(shù)量的堿（溶于水能離解出鉀、鈉離子的物質(zhì)）；一定數(shù)量的能與堿反應(yīng)且反應(yīng)產(chǎn)物能吸水膨脹的堿活性巖石或礦物；提供水分的環(huán)境。

堿-硅酸反應(yīng)（ASR）機理：骨料中活性二氧化硅與混凝土中堿起反應(yīng)，生成硅酸鈉（鉀）凝膠體，該凝膠體在受限的情況下吸水膨脹，使混凝土內(nèi)部沿骨料與水泥石界面發(fā)生體積膨脹或骨料內(nèi)部發(fā)生開裂。堿骨料反應(yīng)速度慢，一般混凝土澆筑幾年后開始出現(xiàn)，有的潛伏期長達20年。

堿-碳酸鹽反應(yīng)（ACR）機理：一種認為堿與白云石的去白云石化反應(yīng)前后固相體積無本質(zhì)差別，但該反應(yīng)破壞或移去了白云石晶體，打開了進入骨料中粘土礦物成分的水通道，使得未濕潤粘土吸水膨脹，以細小膠體狀態(tài)存在的反應(yīng)產(chǎn)物Mg(OH)2吸水膨脹，即濕脹理論；另一種認為是去白云石化反應(yīng)，見式（1）、式（2），反應(yīng)產(chǎn)物在受限的環(huán)境下重結(jié)晶、生長，反應(yīng)產(chǎn)物R2CO3（離解成R+和CO32-）形成水合離子導(dǎo)致總體積大于反應(yīng)物固相體積，反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生滲透壓，造成膨脹。式中R指K、Na等，CaMg(CO3)2為白云石化學(xué)成分。

CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3 （1）

R2CO3+Ca(OH)2=2ROH+CaCO3 （2）

堿-硅酸鹽反應(yīng)機理：Gillott J.E.等認為是層狀硅酸鹽層間礦物吸水膨脹造成層間距增大，汪在芹等認為堿-硅酸鹽反應(yīng)是硅酸鹽巖石（如花崗巖等）受堿液腐蝕溶解，生成堿硅酸鹽凝膠水化產(chǎn)物，產(chǎn)物在受限條件下吸水膨脹對混凝土產(chǎn)生破壞。萬建東等認為，堿-硅酸鹽反應(yīng)的實質(zhì)是堿與硅酸鹽中共生的微晶石英或玉髓反應(yīng)，使得層狀硅酸鹽礦物層間距增大，即堿-硅酸反應(yīng)。

5.2 檢測方法及處理措施

巖相法適用于所有類型骨料是否具有堿活性的初步檢測，根據(jù)巖石成分和結(jié)晶狀態(tài)判斷骨料是否有堿活性成分，若有，則可用巖石柱法、砂漿棒法或混凝土棱柱體法進一步檢測。

巖石柱法適用于測定碳酸鹽骨料的堿活性，試驗齡期至少84d，若將巖石制成砂樣，因巖石原結(jié)構(gòu)被改變，使得其中的粘土礦物充分暴露出來，大部分失去了在受限環(huán)境內(nèi)吸水膨脹的可能性，因此不能用砂漿試件測定堿-碳酸鹽反應(yīng)；砂漿棒法適用于有潛在堿-硅反應(yīng)（包括堿-硅酸反應(yīng)和堿-硅酸鹽反應(yīng)）活性的骨料，試驗齡期至少14d；混凝土棱柱體法適用于骨料堿-硅反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)活性的檢驗，試驗齡期至少1年。

處理措施：發(fā)生堿活性破壞的混凝土，若破壞輕微或非關(guān)鍵部位，可清除已發(fā)生反應(yīng)部位，然后進行修補和防水處理，破壞嚴重或關(guān)鍵部位，需與設(shè)計部門聯(lián)系，進行加固或拆除重建。防范混凝土中骨料堿活性危害的最有效辦法是不用堿活性骨料，若不得不用時，可采取措施抑制或減緩堿活性反應(yīng)，如加強施工組織管理，控制水泥和混凝土含堿量、摻用粉煤灰或礦渣等活性摻合料，使用礦渣含量35%以上的礦渣硅酸鹽水泥，摻加引氣劑、防水劑、隔絕水汽和空氣來源等。但抑制堿-碳酸鹽反應(yīng)比抑制堿-硅酸鹽反應(yīng)困難，因為去白云石化反應(yīng)過程中堿又被還原出來，使之能夠循環(huán)反應(yīng)，直至去白云石反應(yīng)完全或堿的濃度足夠低。

6 分析討論

若硬化混凝土表面出現(xiàn)局部隆起或輻射狀裂紋，則可能是混凝土骨料中混入了鋼渣（活性化處理不完全）、欠火/過火石灰、水泥熟料和方鎂石；若硬化混凝土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫，有時裂縫一側(cè)拱起，說明混凝土骨料可能具有堿活性。

上述5種問題骨料產(chǎn)生膨脹破壞時，均有水的參與，表明水是5種問題骨料是否產(chǎn)生膨脹破壞的關(guān)鍵因素?；炷廉a(chǎn)生開裂脫落后，大氣中的CO2在有水的環(huán)境下，與水化產(chǎn)物Ca(OH)2生成CaCO3，造成碳化收縮。若混凝土足夠密實，碳化只限于表層，表層干燥速率最大，干燥與碳化收縮均受到內(nèi)部混凝土的約束，極易引起混凝土開裂?；炷灵_裂后，空氣中的CO2和水更易進入混凝土內(nèi)部，加大混凝土內(nèi)部的碳化收縮，若周圍存在問題骨料，極易水化膨脹引起起鼓、開裂、自崩現(xiàn)象，進一步加劇裂縫的擴展，因此，水泥漿碳化收縮和問題骨料水化膨脹間相互影響，為減緩問題骨料對硬化混凝土的損壞，防水和隔離空氣顯得尤為重要。

發(fā)現(xiàn)硬化混凝土存在因問題骨料引起的脹裂缺陷時，已無法確定其開始使用時的性能，且其原材料也已很難獲取，所以常通過現(xiàn)場取樣進行試驗分析。在充分分析其原因的基礎(chǔ)上，清除問題骨料，再做防水和隔離空氣處理，甚至加固措施，此時需要設(shè)計部門對結(jié)構(gòu)受力進行重新驗算，以確保結(jié)構(gòu)安全，但后期的監(jiān)查不可少。

因此，骨料在使用前，對疑似鋼渣和方鎂石的骨料進行安定性檢驗，對疑似水泥熟料骨料進行是否有遇水硬化的檢驗，對疑似欠火/過火石灰的骨料進行遇水是否放熱的檢驗，對疑似堿活性的骨料進行堿活性檢驗，確定其是否問題骨料十分重要。要盡量不用問題骨料成型混凝土構(gòu)筑物。若不得不用時，用前也要清楚其為何種問題骨料，若是過火/欠火石灰和方鎂石，不得用于混凝土骨料；若是鋼渣和水泥熟料，用于混凝土骨料前，需進行無活性化處理，并且確保其安定性檢驗合格；若是堿活性骨料，用于混凝土?xí)r，需采取堿活性的抑制措施。

結(jié)論

本文對混凝土骨料中混入鋼渣、欠火/過火石灰、水泥熟料、方鎂石和堿活性骨料時對硬化混凝土產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象、機理和處理措施進行了分析，并分別探討了這5種類型問題骨料對應(yīng)的檢測方法及處理措施，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)混凝土破壞的形態(tài)和內(nèi)部物質(zhì)，可以初步判定骨料是否問題骨料以及是何種問題骨料造成的破壞。

（2）問題骨料的水化膨脹直接引起混凝土開裂，水泥漿的碳化收縮和問題骨料的水化膨脹共同導(dǎo)致進一步開裂。

（3）解決問題骨料引起的硬化混凝土開裂的一般方法是先清除問題骨料，再進行隔絕水汽處理，若涉及到構(gòu)筑物關(guān)鍵部位需要加固處理的，需經(jīng)過設(shè)計部門的驗證，并且處理后的長期監(jiān)查必不可少。

（4）用作混凝土骨料前，最好對疑似問題骨料有選擇地進行安定性檢驗、遇水是否硬化或放熱的檢驗，以及是否具有堿活性的檢驗。（來源：《混凝土世界》2022.06）