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摘 要：混凝土中的有害骨料在水的影响下，和水发生化学反应，使混凝土的化学成分及力学性质发生变化，强度降低，混凝土遭到破坏。本文将从反应机理上详细分析有害骨料对混凝土强度的影响，并就如何减少其有害影响，提出有效的预防措施。
关键词：有害骨料；混凝土强度；影响因素
某些成分的骨料在水的影响下，可以和水发生化学反应，使混凝土的化学成分及物理力学性质发生变化，而降低强度，使混凝土遭到破坏，这种骨料称为有害骨料。
有害骨料与水泥的反应大致可分为以下几种：
一、碱硅反应
1、反应现象
碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的活性成分反应，在混凝土浇筑成型后逐渐反应，形成了碱的硅酸盐凝胶,反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，膨胀开裂、导致混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布。所以一旦发生碱骨料反应、混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂、发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。
2、通常认为，只有在水泥中的总碱量较高，同时骨料中又含有活性二氧化硅的情况下，才会发生上述有害反应。
3．1碱含量
由于碱的数量仅取决于水泥的用量。它们在骨料反应表面的浓度将由此表明的大小来决定。可能发生水泥膨胀反应的水泥最小含碱量是0.6％。Na2O当量可根据熟料实际的K2O含量乘以0.658加上其实际的Na2O含量而计算得到。但在特殊情况下，甚至具有低含碱量的水泥也会引起膨胀，在约束条件下，用给定活性骨料配制的混凝土，当水泥含碱量愈高时，其膨胀就愈大。在水泥组分一定时，细度愈大，混凝土膨胀愈大。
3．2活性骨料
活性骨料的粒径及其含量对膨胀的大小也有较大的影响，已经发现在混合物中加入细粉状的二氧化硅，可使由碱骨料反应引起的膨胀减少或消除。这种看来似乎矛盾的说法可从下面得到解释：在低二氧化硅含量范围内，对于给定的碱量条件下，二氧化硅数量愈大，膨胀也增加，但在二氧化硅含量较高时，情况正好相反；活性骨料的表面积越大，单位面积上有效碱量越少，因而可能生成的碱－硅凝胶量也越少。另一方面，由于氢氧化钙的迁移率非常低，仅骨料表面附近的氢氧化钙可参加反应，这样每单位面积上氢氧化钙的量与骨料总表面积的大小无关。因此，表面积增加，使在骨料界面处溶液的氢氧化钙与碱的比值也增加。在这种情况下，便形成一种无害的（非膨胀的）碱性硅酸钙产物。
因此，掺加足够数量的活性二氧化硅细粉或火山灰、粉煤灰等，可有效抑制碱骨料反应的膨胀效果。
同样的原因，将细的硅质材料加到粗的活性颗粒中尽管仍会和混凝土发生反应，但会使膨胀减小，这些火山灰掺和料的确对减少粗骨料颗粒的侵蚀是有效的。
3．3水分和温度
碱骨料反应通常进行得很慢，所引起得破坏往往经过若干年后才会明显出现。水分存在是碱骨料反应得必要条件，混凝土的渗透性对碱骨料反应有很大的影响。在干湿交替的情况下，反应得到加速。提高温度将使反应加速，至少在10～38℃的范围内是这样的，由此可见，各种物理和化学因素使碱骨料反应问题变得非常复杂。特别是胶体由于吸水而改变它的组成，并产生相当大的压力，使在某些场合下，发生从有限面积上扩散出胶体来。需要注意的是在水泥水化过程中，大量的碱集中在水相中。因此PH值增大，所有二氧化硅材料都变成可溶性的。
4、骨料活性测试
虽然我们可以预测到某一材料会产生混凝土骨料反应，但一般仍不能根据已知的反应材料的数量来估计其有害影响。因为骨料的实际反应度（活性）受颗粒大小和孔隙率的影响，因这些参数将影响到能够发生反应的面积大小。
二、碱－碳酸盐反应
1、反应现象
另一种类型的有害骨料反应是某些白云质石灰岩骨料和水泥中碱的反应。在潮湿条件下发生的混凝土的膨胀同碱－硅反应情况相似。一般情况是，围绕着活性颗粒形成2毫米以下的反应区域。裂纹在这些区域内发展，并且产生一个裂纹网和使得骨料和水泥净浆之间粘结力下降。
2、影响因素
差热分析(DTA)和测长结果表明，白云石的反应速率和白云质岩石的膨胀速率均是溶液PH值的增函数；PH值越高，反应越快，膨胀也越大。当溶液PH值低于12时，反应速率几乎趋于零，相应地，岩石也几乎不发生膨胀。硫铝酸盐和石膏矿渣水泥石孔隙溶液PH值较低，在这两种水泥混凝土中白云石不会发生显著的去白云化反应，因此活性集料不产生膨胀。混合材对膨胀具有一定程度的抑制作用。为防止碱－碳酸盐反应膨胀破坏，必须在采用低碱硅酸盐水泥的同时掺加大量的混合材。当混合材掺量很高时，几乎不发生去白云化反应，因而无膨胀产生。混合水泥水化生成的C-S-H凝胶具有较低的CaO/SiO2比、较高的比表面积和强的吸附能力。这些凝胶对孔隙溶液中K＋、Na＋、Ca2+的大量吸附导致包含有OH－离子的扩散双电层的形成，使得孔隙溶液中离子不均匀分布和迁移能力变差。另外，由于混合材释放碱的速度低于水泥，在高混合材掺量时，混合材对水泥的稀释作用可能也会使OH—离子活度有较大的降低。这样到达集料表面与集料发生反应的OH—离子活度大大降低，使反应减慢，进而抑制膨胀的发生。值得注意的是粘土并不是碱－碳酸盐反应膨胀发生的必要条件，而潮湿的环境，即有一定的水分存在却是必需的。
三、硫酸盐骨料侵蚀
1、反应现象
当骨料中含有硫酸盐时，会与硬化水泥浆发生反应时混凝土产生侵蚀，受硫酸盐侵蚀的混凝土表面呈稍白特征色，损坏通常先从棱角开始，随后进一步开裂与剥落，致使混凝土变成易脆而松散状态。
2、影响因素
首先是硫酸根离子的浓度，一般情况下，侵蚀速度随硫酸根离子浓度提高而加快，但在硫酸根离子浓度达到一定值时（约为0.5%～1%），侵蚀随浓度提高而加快的速度减缓。
其次，除硫酸盐浓度之外，混凝土侵蚀的速度还取决于水泥反应失去的硫酸盐可获得的补充速度，当混凝土一侧处于含硫酸盐水的压力之下时，侵蚀速度将最大。相反，当混凝土被完全埋置而无地下水流动通道，则侵蚀情况将缓和得多。
四、预防措施
1、提高混凝土密实性，改变其孔隙结构
从以上论述可以看出，无论是碱硅反应、碱碳酸盐反应，还是硫酸盐侵蚀，水在其中起到至关重要的作用，混凝土越密实，抗渗能力越强，环境介质也越难侵入，为此，必须保证足够的水泥用量或适当降低水灰比，实际生产中，在保证最小水泥用量的前提下，我们更倾向于控制水灰比，以控制混凝土的密实性。
同时，在混凝土中掺入适量的引起剂，使混凝土内部的透水孔道隔断，从而使其抗渗性和抗硫酸盐侵蚀的性能加强。
2、改变水泥熟料的矿物组成
首先是降低水泥熟料的含碱量，这样可以有效抑制碱－硅反应和碱－碳酸盐反应的发生。
其次，要降低C3A、C3S的含量，相应增加水泥熟料中C4AF、C2S的含量，C3A含量降低可以减少钙矾石的生成数量，从而提高其抗硫酸盐能力，虽然C4AF水化时能生成水化硫铁酸钙和硫铝酸钙的固溶体，但其分布比较均匀，膨胀性远比钙矾石为小，而且水化铁酸钙还能在游离的水化铝酸钙周围形成保护性薄膜。
3、掺加混合材料
用碱活性集料微粉充当混合材取代部分水泥可有效地抑制碱-硅酸反应膨胀，且其抑制效果随加入量的增加而提高、随碱含量提高而减少。微粉对膨胀的抑制作用即使在长期的养护过程中也相当稳定。
在混凝土拌合物中掺加粒化高炉矿渣或硅粉后，熟料水化时析出的Ca(OH)2能与矿渣中的活性氧化硅或氧化铝结合，生成低碱度的水化产物，使水化硫铝酸钙在CaO 浓度较低的液相中结晶，膨胀比较缓和。从而有效提高其抗硫酸盐侵蚀能力。
关键词：有害骨料；混凝土强度；影响因素
某些成分的骨料在水的影响下，可以和水发生化学反应，使混凝土的化学成分及物理力学性质发生变化，而降低强度，使混凝土遭到破坏，这种骨料称为有害骨料。
有害骨料与水泥的反应大致可分为以下几种：
一、碱硅反应
1、反应现象
碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的活性成分反应，在混凝土浇筑成型后逐渐反应，形成了碱的硅酸盐凝胶,反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，膨胀开裂、导致混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布。所以一旦发生碱骨料反应、混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂、发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。
2、通常认为，只有在水泥中的总碱量较高，同时骨料中又含有活性二氧化硅的情况下，才会发生上述有害反应。
3．1碱含量
由于碱的数量仅取决于水泥的用量。它们在骨料反应表面的浓度将由此表明的大小来决定。可能发生水泥膨胀反应的水泥最小含碱量是0.6％。Na2O当量可根据熟料实际的K2O含量乘以0.658加上其实际的Na2O含量而计算得到。但在特殊情况下，甚至具有低含碱量的水泥也会引起膨胀，在约束条件下，用给定活性骨料配制的混凝土，当水泥含碱量愈高时，其膨胀就愈大。在水泥组分一定时，细度愈大，混凝土膨胀愈大。
3．2活性骨料
活性骨料的粒径及其含量对膨胀的大小也有较大的影响，已经发现在混合物中加入细粉状的二氧化硅，可使由碱骨料反应引起的膨胀减少或消除。这种看来似乎矛盾的说法可从下面得到解释：在低二氧化硅含量范围内，对于给定的碱量条件下，二氧化硅数量愈大，膨胀也增加，但在二氧化硅含量较高时，情况正好相反；活性骨料的表面积越大，单位面积上有效碱量越少，因而可能生成的碱－硅凝胶量也越少。另一方面，由于氢氧化钙的迁移率非常低，仅骨料表面附近的氢氧化钙可参加反应，这样每单位面积上氢氧化钙的量与骨料总表面积的大小无关。因此，表面积增加，使在骨料界面处溶液的氢氧化钙与碱的比值也增加。在这种情况下，便形成一种无害的（非膨胀的）碱性硅酸钙产物。
因此，掺加足够数量的活性二氧化硅细粉或火山灰、粉煤灰等，可有效抑制碱骨料反应的膨胀效果。
同样的原因，将细的硅质材料加到粗的活性颗粒中尽管仍会和混凝土发生反应，但会使膨胀减小，这些火山灰掺和料的确对减少粗骨料颗粒的侵蚀是有效的。
3．3水分和温度
碱骨料反应通常进行得很慢，所引起得破坏往往经过若干年后才会明显出现。水分存在是碱骨料反应得必要条件，混凝土的渗透性对碱骨料反应有很大的影响。在干湿交替的情况下，反应得到加速。提高温度将使反应加速，至少在10～38℃的范围内是这样的，由此可见，各种物理和化学因素使碱骨料反应问题变得非常复杂。特别是胶体由于吸水而改变它的组成，并产生相当大的压力，使在某些场合下，发生从有限面积上扩散出胶体来。需要注意的是在水泥水化过程中，大量的碱集中在水相中。因此PH值增大，所有二氧化硅材料都变成可溶性的。
4、骨料活性测试
虽然我们可以预测到某一材料会产生混凝土骨料反应，但一般仍不能根据已知的反应材料的数量来估计其有害影响。因为骨料的实际反应度（活性）受颗粒大小和孔隙率的影响，因这些参数将影响到能够发生反应的面积大小。
二、碱－碳酸盐反应
1、反应现象
另一种类型的有害骨料反应是某些白云质石灰岩骨料和水泥中碱的反应。在潮湿条件下发生的混凝土的膨胀同碱－硅反应情况相似。一般情况是，围绕着活性颗粒形成2毫米以下的反应区域。裂纹在这些区域内发展，并且产生一个裂纹网和使得骨料和水泥净浆之间粘结力下降。
2、影响因素
差热分析(DTA)和测长结果表明，白云石的反应速率和白云质岩石的膨胀速率均是溶液PH值的增函数；PH值越高，反应越快，膨胀也越大。当溶液PH值低于12时，反应速率几乎趋于零，相应地，岩石也几乎不发生膨胀。硫铝酸盐和石膏矿渣水泥石孔隙溶液PH值较低，在这两种水泥混凝土中白云石不会发生显著的去白云化反应，因此活性集料不产生膨胀。混合材对膨胀具有一定程度的抑制作用。为防止碱－碳酸盐反应膨胀破坏，必须在采用低碱硅酸盐水泥的同时掺加大量的混合材。当混合材掺量很高时，几乎不发生去白云化反应，因而无膨胀产生。混合水泥水化生成的C-S-H凝胶具有较低的CaO/SiO2比、较高的比表面积和强的吸附能力。这些凝胶对孔隙溶液中K＋、Na＋、Ca2+的大量吸附导致包含有OH－离子的扩散双电层的形成，使得孔隙溶液中离子不均匀分布和迁移能力变差。另外，由于混合材释放碱的速度低于水泥，在高混合材掺量时，混合材对水泥的稀释作用可能也会使OH—离子活度有较大的降低。这样到达集料表面与集料发生反应的OH—离子活度大大降低，使反应减慢，进而抑制膨胀的发生。值得注意的是粘土并不是碱－碳酸盐反应膨胀发生的必要条件，而潮湿的环境，即有一定的水分存在却是必需的。
三、硫酸盐骨料侵蚀
1、反应现象
当骨料中含有硫酸盐时，会与硬化水泥浆发生反应时混凝土产生侵蚀，受硫酸盐侵蚀的混凝土表面呈稍白特征色，损坏通常先从棱角开始，随后进一步开裂与剥落，致使混凝土变成易脆而松散状态。
2、影响因素
首先是硫酸根离子的浓度，一般情况下，侵蚀速度随硫酸根离子浓度提高而加快，但在硫酸根离子浓度达到一定值时（约为0.5%～1%），侵蚀随浓度提高而加快的速度减缓。
其次，除硫酸盐浓度之外，混凝土侵蚀的速度还取决于水泥反应失去的硫酸盐可获得的补充速度，当混凝土一侧处于含硫酸盐水的压力之下时，侵蚀速度将最大。相反，当混凝土被完全埋置而无地下水流动通道，则侵蚀情况将缓和得多。
四、预防措施
1、提高混凝土密实性，改变其孔隙结构
从以上论述可以看出，无论是碱硅反应、碱碳酸盐反应，还是硫酸盐侵蚀，水在其中起到至关重要的作用，混凝土越密实，抗渗能力越强，环境介质也越难侵入，为此，必须保证足够的水泥用量或适当降低水灰比，实际生产中，在保证最小水泥用量的前提下，我们更倾向于控制水灰比，以控制混凝土的密实性。
同时，在混凝土中掺入适量的引起剂，使混凝土内部的透水孔道隔断，从而使其抗渗性和抗硫酸盐侵蚀的性能加强。
2、改变水泥熟料的矿物组成
首先是降低水泥熟料的含碱量，这样可以有效抑制碱－硅反应和碱－碳酸盐反应的发生。
其次，要降低C3A、C3S的含量，相应增加水泥熟料中C4AF、C2S的含量，C3A含量降低可以减少钙矾石的生成数量，从而提高其抗硫酸盐能力，虽然C4AF水化时能生成水化硫铁酸钙和硫铝酸钙的固溶体，但其分布比较均匀，膨胀性远比钙矾石为小，而且水化铁酸钙还能在游离的水化铝酸钙周围形成保护性薄膜。
3、掺加混合材料
用碱活性集料微粉充当混合材取代部分水泥可有效地抑制碱-硅酸反应膨胀，且其抑制效果随加入量的增加而提高、随碱含量提高而减少。微粉对膨胀的抑制作用即使在长期的养护过程中也相当稳定。
在混凝土拌合物中掺加粒化高炉矿渣或硅粉后，熟料水化时析出的Ca(OH)2能与矿渣中的活性氧化硅或氧化铝结合，生成低碱度的水化产物，使水化硫铝酸钙在CaO 浓度较低的液相中结晶，膨胀比较缓和。从而有效提高其抗硫酸盐侵蚀能力。