問題骨料引起混凝土開裂的機理及處理措施

引言混凝土開裂脫落的原因較多，如結構設計不合理，混凝土配比、施工及養(yǎng)護不達標，混凝土原材料使用不當，鋼筋銹蝕或環(huán)境侵蝕、凍融等[1-2]。其中，骨料引起混凝土開裂脫落的現(xiàn)象近幾年有增多趨勢。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。近年來，我國大力推動裝配式建筑的發(fā)展，行業(yè)規(guī)模不斷增長，各種裝配式建筑技術和產品層出不窮。預制疊合樓蓋由于對建筑物結構的影響相對較小，容易通過疊合方式實現(xiàn)規(guī)范規(guī)定的“等效現(xiàn)澆”目標，同時在國內大部分地區(qū)的評定規(guī)則中，預制疊合板可以按照投影面積計算預制率，因此被作為裝配式建筑的“標配”技術和產品，應用廣泛。

1、鋼渣

鋼渣為煉鋼過程中的一種副產品，由生鐵中的硅、磷、硫等雜質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，表層混凝土會出現(xiàn)點狀徑向自崩現(xiàn)象，自崩點中心有結構較疏松的棕色或紅褐色顆粒物，其長12～53mm，寬12～50mm，深1～20mm[3-4]。由于鋼渣中的CaO和MgO經過高溫煅燒后變得結構致密，減緩了其水化反應，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，水化產物Ca(OH)2和Mg(OH)2使體積分別增大98%和220%[5-6]，當膨脹應力大于其周圍混凝土的包裹力時，外層混凝土會產生裂紋、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，最終檢驗結果必須合格。具體方法如下[7]：鋼渣磨粉后參照GB/T28293—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[8]；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熔融，在表面形成一層深褐色結構致密的玻璃狀外殼，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，清理后，粉末狀物質會再次出現(xiàn)在骨料表面[9-13]。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構致密的玻璃狀外殼，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/和外部結構的約束，會在其周圍產生較大應力，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，正常骨料產生氣泡最多，欠火石灰產生少量氣泡，若沒有氣泡產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)構件分類和性質采用不同處理方法。較薄構件要加強養(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；體積較大構件，表面爆裂處裂縫需進行注漿處理。操作均完成后，構件表面要進行防水處理，對于重要構件或局部嚴重部位發(fā)生爆裂的，應予拆除。3、水泥熟料

水泥熟料主要化學成分為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[14]。

熟料在有水的情況下，發(fā)生水化反應，生成膨脹性水化產物，在沒有或很少石膏存在的環(huán)境下，C3A水化很快，水化產物不斷在熟料顆粒表面積聚，對其內部和周圍混凝土同時產生一定的膨脹應力，從而加速了熟料顆粒的粉化和外部混凝土的脹裂[15]。

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，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，有的疏松石塊內層仍是堅硬塊體[16]。

在含水環(huán)境下，MgO發(fā)生緩慢的水化反應，生成Mg(OH)2，體積增大，最大膨脹應力高達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部進行，內部受到外層的保護，所以有的塊體內部幾乎沒有發(fā)生反應，仍然十分堅硬。由于工程實際中MgO反應所需水是從混凝土孔隙中滲入，故水化反應緩慢，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/T750—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[17]認為針對方鎂石反應條件，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濟的，且處理后還存在繼續(xù)爆裂的可能，拆除重建是應該考慮的處理方案。符晶華等[18]認為若方鎂石存在于局部構件中，可以考慮采用結構置換法，如使用鋼結構置換，四周應留適當空隙，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）中的堿性物質發(fā)生化學反應，導致混凝土結構產生膨脹、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，堿骨料反應破壞呈網狀裂縫，且一般裂縫一側拱起，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。20世紀40年代，StanTonT.E.[19]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一，20世紀60年代，SwensonE.G.[20]發(fā)現(xiàn)了混凝土骨料的堿碳酸鹽反應，1965年GillottJ.E.等[21]發(fā)現(xiàn)了另外一種堿骨料反應——堿硅酸鹽反應。堿-骨料反應（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）；一定數(shù)量的能與堿反應且反應產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（ASR）機理：骨料中活性二氧化硅與混凝土中堿起反應，生成硅酸鈉（鉀）凝膠體，該凝膠體在受限的情況下吸水膨脹，使混凝土內部沿骨料與水泥石界面發(fā)生體積膨脹或骨料內部發(fā)生開裂。堿骨料反應速度慢，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（ACR）機理：一種認為堿與白云石的去白云石化反應前后固相體積無本質差別，但該反應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)存在的反應產物Mg(OH)2吸水膨脹，即濕脹理論[22-25]；另一種認為是去白云石化反應，見式（1）、式（2），反應產物在受限的環(huán)境下重結晶、生長，反應產物R2CO3（離解成R+和CO32-）形成水合離子導致總體積大于反應物固相體積，反應產物產生滲透壓，造成膨脹[26-27]。式中R指K、Na等，CaMg(CO3)2為白云石化學成分。堿-硅酸鹽反應機理：GillottJ.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[28]認為堿-硅酸鹽反應是硅酸鹽巖石（如花崗巖等）受堿液腐蝕溶解，生成堿硅酸鹽凝膠水化產物，產物在受限條件下吸水膨脹對混凝土產生破壞。萬建東等[29]認為，堿-硅酸鹽反應的實質是堿與硅酸鹽中共生的微晶石英或玉髓反應，使得層狀硅酸鹽礦物層間距增大，即堿-硅酸反應。

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，因巖石原結構被改變，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；砂漿棒法適用于有潛在堿-硅反應（包括堿-硅酸反應和堿-硅酸鹽反應）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-硅反應和堿-碳酸鹽反應活性的檢驗，試驗齡期至少1年。處理措施：發(fā)生堿活性破壞的混凝土，若破壞輕微或非關鍵部位，可清除已發(fā)生反應部位，然后進行修補和防水處理，破壞嚴重或關鍵部位，需與設計部門聯(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，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-碳酸鹽反應比抑制堿-硅酸鹽反應困難，因為去白云石化反應過程中堿又被還原出來，使之能夠循環(huán)反應，直至去白云石反應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)網狀裂縫，有時裂縫一側拱起，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種問題骨料是否產生膨脹破壞的關鍵因素?；炷廉a生開裂脫落后，大氣中的CO2在有水的環(huán)境下，與水化產物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部，加大混凝土內部的碳化收縮，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，此時需要設計部門對結構受力進行重新驗算，以確保結構安全