粉煤灰抑制碱骨料反应效果试验研究_王庆勇.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 051粉煤灰抑制碱骨料反应效果试验研究王庆勇1，张恒1，杜猛2(1 新疆额尔齐斯河投资(开发)集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000;2 南瑞集团有限公司，江苏 南京 210000)摘要采用砂浆棒快速法，研究了五种典型 I 级粉煤灰抑制碱骨料反应的效果。试验结果表明，F 类粉煤灰抑制碱骨料反应效果明显优于 C 类粉煤灰，粉煤灰掺量越高抑制效果越好。统计分析表明，粉煤灰抑制碱骨料反应效果与其化学成分具有较高的相关性，抑制效果与 SiO2+Al2O3+Fe2O3总含量存在很好的线性正相关性，与 CaO含量存在线性负相关，与碱含量没有直接相关性。关键词粉煤灰;碱骨料反应;抑制效果;化学成分中图分类号TV42+3文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0149 03收稿日期2022 10 20作者简介王庆勇(1977 )，男，河南淮阳人，高级工程师，主要从事水利工程安全监测方面工作。0引言混凝土碱骨料反应是指混凝土中的碱与骨料中的某些活性组分之间发生的化学反应，生成具有膨胀性的产物，引起混凝土不均匀膨胀而开裂破坏1。碱骨料反应膨胀开裂破坏属于内因主导驱动型破坏，一旦发生便很难制止，因此，我国在水工混凝土设计与施工中通常采取使用非活性骨料或采用有效抑制措施来确保工程混凝土安全2。粉煤灰作为水泥混凝土最广泛使用的掺和料，通常能够有效抑制碱骨料反应3。然而，唐国强、吴定燕等的试验发现4 5，粉煤灰中CaO 和碱含量对其抑制碱骨料反应效果有明显不利影响，唐国强等进一步研究表明，细度是决定粉煤灰抑制碱骨料反应效果的主要因素，CaO 含量影响程度次之。Malvar 等人的研究表明6，粉煤灰中的 SiO2、Al2O3和 Fe2O3对其抑制碱骨料反应效果有利。丁建彤等人基于粉煤灰抑制碱 硅反应的效果，采用 22 种粉煤灰对具有碱活性的砂岩骨料进行碱骨料反应抑制试验，提出了用粉煤灰的化学成分因子来评价粉煤灰品质与优选粉煤灰方法7。由此可见，粉煤灰物理化学特性决定着其抑制碱骨料反应效果。新疆北疆地区粉煤灰资源丰富，特别是准东地区露天煤矿与大量燃煤电站的新建并投产发电，进一步提高了本地区粉煤灰资源的供应量。然而，由于成煤历史与当地特殊的自然地理环境，准东煤中钠的含量总体都在 2%以上，有的矿区甚至高达 10%以上，远高于其他地区动力用煤，粉煤灰碱含量基本都在 2 5%以上8。另外，CaO、MgO 含量也普遍偏高，灰渣分析表明，CaO 含量基本均在 10%以上9。因此，开展不同品质特性粉煤灰抑制碱骨料反应效果试验研究，对于准东地区高碱、高钙含量粉煤灰在水利水电工程中的安全应用具有重要的实用价值。1原材料与试验方法1 1原材料试验用水泥为硅酸盐水泥，实测碱含量为 0 58%，品质指标满足 GB 175 2008通用硅酸盐水泥 的要求。活性骨料为天然河卵石经破碎、筛分获得的机制砂。粉煤灰共五种，F 类三种，C 类两种，品质指标满足 GB1596 2017用于水泥和混凝土中的粉煤灰 规定的 I 级粉煤灰的要求，粉煤灰化学成分和品质指标检测结果如表 1、表 2 所示。五种粉煤灰的 CaO 含量由 4 40%至 20 78%不等，f CaO 含量在 0 1 71%之 间，SiO2+Al2O3+Fe2O3总 含 量 在 60 1%87 7%之间，碱含量在 2 66%4 95%之间。1 2试验方法骨料碱活性检验与抑制试验依据水工混凝土砂石骨料试验规程 DL/T 5144 2014 中的碱骨料反应抑制措施有效性试验(砂浆棒快速法)进行。试验用水泥碱含量实测值为0 58%，通过外加氢氧化钠，使其碱含量达到 0 9%:试验用砂严格按照表 3 所示级配比例采用机制砂配制;试验砂浆的水胶比为 0 47，水泥与砂的质量比为 1:2 25。表 1粉煤灰化学成分%粉煤灰类别与编号CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3K2ONa2O2Of CaOF 类C 类F 1#4 4059 3022 605 804 700 602 001 342 660 00F 2#5 3055 8524 515 792 580 552 253 324 800 00F 3#8 7249 8420 738 733 321 061 722 663 790 44C 1#12 4151 0717 594 984 700 961 503 964 950 44C 2#20 7841 2215 423 426 342 613 152 704 771 719412023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3表 2粉煤灰品质指标项目检测结果GB/T 1596 2017F 1#F 2#F 3#C 1#C 2#级级III 级细度(45m 筛筛余，%)4 32 78 111 78 512 030 045 0需水量比/%948993929395105115烧失量/%1 300 791 523 182 545 08 010 0含水量/%0 10 20 10 10 1表观密度(g/cm3)2 332 392 282 322 35二氧化硅、三氧化二铝和三氧化二铁总含量分数/%87 786 279 373 660 1游离氧化钙质量分数(%)0 000 000 440 441 71安定性(雷氏法，%)0 51 3强度活性指数(%)83727580831 02 6F 类，70 0C 类，50 0F 类，1 0C 类，4 oC 类，5 070 0表 3砂浆棒试件的砂料级配筛孔尺寸/mm5 0 2 52 5 1 251 25 0 630 63 0 3150 315 0 16分级含量/%10252525152试验结果与分析2 1不同类型粉煤灰抑制碱骨料反应效果砂浆膨胀率试验结果如图 1 所示。由图 1(a)可知，(1)不掺粉煤灰，基准砂浆 14 d 和 28 d 的膨胀率分别为 0 166%和 0 297%，依据 DL/T5151 判断，试验用机制砂为潜在碱硅酸盐反应活性骨料;(2)分别掺加 15%的 F 类粉煤灰 1#、2#和 3#，砂 浆 28 d 的 膨 胀 率 分 别 为 0 017%、0 026%和0 051%，均可以有效抑制试验砂料发生碱骨料反应。由图 1(b)可知，(1)掺加 15%的 1#C 类粉煤灰，砂浆 28 d 的膨胀率为 0 114%，不能有效抑制碱骨料反应，掺量提高至 20%时，砂浆 28 d 的膨胀率为 0 062%，可以有效抑制碱骨料反应;(2)分别参加 15%、20%和 25%的 2#C 类粉煤灰，砂浆28d 的膨胀率分别为 0 265%、0 237%和 0 175%，不能有效抑制碱骨料反应，当粉煤灰掺量提高至 30%，砂浆 28 d 的膨胀率小于 0 1%，可以有效抑制碱骨料反应。掺加不同类型粉煤灰后砂浆膨胀率降低率测试结果如图2 所示。砂浆膨胀率降低率按照式(1)计算:e=s 1s 100%(1)式中:e为膨胀率降低率，%;s为基准试件在 28d 的膨胀率，%;1为对比试件在 28d 的膨胀率，%。膨胀率降低率可以定量的反应粉煤灰对碱骨料反应的抑制效果，膨胀率降低率越大表示粉煤灰抑制碱骨料反应效果越好。由图 2 可知，F 类与 C 类粉煤灰抑制碱骨料反应的效果存在明显差异，F 类粉煤灰抑制碱骨料反应的效果明显高于 C 类粉煤灰。同一类粉煤灰由于自身物理化学特性的差异，具有不同的碱骨料反应抑制效果，如 1#、2#、3#F 类粉煤灰，在相同掺量时砂浆的膨胀率降低率依次降低，即其抑制碱骨料反应效果依次下降，同样 2#C 类粉煤灰抑制碱骨料反应的效果明显差于 1#C 类粉煤灰。另外，对于同一个粉煤灰样品，随着粉煤灰掺量的增加，抑制碱骨料反应效果越明显。图 1砂浆膨胀率图 2砂浆膨胀率降低率图 3粉煤灰主要化学成分含量与砂浆膨胀率降低率的相关关系051第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月2 2粉煤灰化学成分对其抑制碱骨料反应效果的影响为了探寻粉煤灰化学成分对其抑制碱骨料反应效果的影响，图 3 列出粉煤灰主要化学成分含量与粉煤灰在 15%和20%掺量时砂浆膨胀率降低率的关系。由图 3 可知，(1)随着粉煤灰中 SiO2、Al2O3、Fe2O3含量的增加，掺粉煤灰砂浆的膨胀率降低率越高，即粉煤灰抑制碱骨料反应效果越好;(2)随着粉煤灰中 CaO 含量增加，砂浆膨胀率降低率越低，即粉煤灰抑制碱骨料反应效果越差;(3)粉煤灰掺量为 15%和 20%时，砂浆膨胀率降低率与粉煤灰中 SiO2+Al2O3+Fe2O3总含量具有很好的线性正相关性，与 CaO 含量具有很好的线性负相关，2值分别为 0 938 6 和 0 923 5;(4)粉煤灰中碱含量与其抑制碱骨料反应效果没有直接相关性，如 F 类 2#粉煤灰，碱含量为 48%，掺量 15%便可以有效抑制碱骨料反应。3结语试验结果表明，不同种类粉煤灰抑制碱骨料反应效果存在明显差异，F 类粉煤灰的抑制效果明显优于 C 类粉煤灰。分析表明，粉煤灰化学成分是决定其抑制碱骨料反应效果的主要因素，砂浆膨胀率降低率与粉煤灰中 SiO2+Al2O3+Fe2O3总含量具有很好的线性正相关性，与 CaO 含量具有很好的线性负相关性，即 SiO2+Al2O3+Fe2O 总含量越高、CaO含量越低，粉煤灰抑制碱骨料反应效果越好。另外，粉煤灰碱含量与其抑制碱骨料反应没有直接相关性。参考文献1唐明述，许仲梓，邓敏，等 我国混凝土中的碱集料反应J 建筑材料学报 1998 1(1):8 14 2陈改新 大坝混凝土耐久性的过程控制J 混凝土世界 2012(12):47 54 3刘晨霞，陈改新，纪国晋，等 骨料碱活性及碱 骨料反应抑制有效性试验研究J 混凝土 2014(11):103 106 4唐国强，丁琍，张恬，等 低钙粉煤灰与高钙粉煤灰对碱集料反应抑制作用的试验比较J 粉煤灰 2002(3):3 6 5吴定燕，方坤河，曾力，等 粉煤灰抑制碱骨料反应研究J 云南水力发电 2001 17(3):34 376MALVA L J，LENKE L Efficiency of fly ash in mitigating alkali silica reaction based on chemical composition J ACI MaterialsJournal 2006 103(5):319 326 7丁建彤，白银，蔡耀波 基于碱 硅反应抑制效果的粉煤灰品质评价指标J 建筑材料学报 2009 12(2):239 243 8张守玉 高钠煤燃烧利用技术J 中国电机工程学报 2013 33(5):1 12 9郭涛 准东高钠煤燃烧利用技术研究J 煤炭技术 2015 34(1):331 333(上接第 131 页)表 72#自动墒情监测站一元一次回归方程下不同深度的校正后误差统计结果深度一元一次方程BZCMAXMINJDWC20cmA32 5 58 3 14 621 230cmA36 5 59 2 18 522 320cmB41 3 51 5 13 518 530cmB45 6 45 6 10 319 2表 82#自动墒情监测站一元二次回归方程下不同深度的校正后误差统计结果深度一元二次方程BZCMAXMINJDWC20cmA37 5 52 5 14 519 530cmA41 3 55 9 17 518 320cmB43 5 43 5 12 316 730cmB47 2 51 2 9 214 2*BZC 为误差标准值(%);MAX 和 MIN 分别为误差最大和最小值(%);JDWC 为误差绝对值(%)3常见问题解决措施针对喀什地区土壤墒情自动监测站的常见使用问题，对其常见方法进行解决措施的探讨，分别为:由于土壤墒情监测站建设初期比测数据点较少，很难建立误差校正方程，因此可以对土壤墒情自动监测数据采用日均值处理方式降低误差，从而提高不同深度下土壤墒情自动监测站的精度。土壤墒情自动监测站初期数据采集较少，误差校正方程很难得到数据支撑时，可以采用临近土壤墒情监测站的误差校正方程进行补充，作为新建土壤墒情自动监测站的误差校正方程，随着后期土壤墒情监测点采集的数据增多后，再对该校正方程进行动态调整，从而建立不同时期自动墒情监测站的误差校正方程。4结语(1)喀什地区自动墒情站土壤墒情瞬时值和日统计均值和人工测定方式下的相关系数随着土壤深度的增加而逐步递减，土壤墒情日均值相比于瞬时值由于均化了误差，使得其相关性要好于土壤墒情自动监测站的土壤墒情瞬时值的相关性。(2)通过喀什地区两个土壤墒情自动监测站的校正前后误差分析可看出，采用误差校正方程后不同深度下其误差总体误差可降低 10%。(3)喀什地区土壤墒情自动监测站建设初期宜采用一元一次回归方程进行误差校正方程的建立，后期随着比测数据点的增加，可增加回归方程次数，提高土壤墒情自动监测精度。参考文献 1吴丽英 邢台市土壤墒情监测现状及发展对策探讨J 地下水 2018 40(03):198 199 2马哈提穆拉提别克 新疆阿勒泰地区土壤墒情自动监测站精度改进的探讨及对策J 地下水 2019 41(01):92 93 3阿迪拉阿布都热合曼 干旱对新疆植被净初级生产力影响研究D 新疆师范大学 2022151第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月