粉煤灰活性测试方法研究

粉煤灰活性测试方法研究
　　
　　
　　摘要：针对粉煤灰的传统分级评价指标（比表面积指标），不能够完整反应出粉煤灰活性的问题，在室内通过大量实验对粉煤灰的活性测试方法及评价进行了研究。研究中选取了9种不同类型的粉煤灰，运用不同方法对活性进行了测试。在对比细度以及活性度指标基础上，提出了粉煤灰活性指标HH，该指标将粉煤灰的外部宏观细度控制指标（比表面积）及内部活性控制指标（活性度）有机地结合在一起。最后实测了HH与二灰砂砾早期强度之间的关系，强度试验结果表明，该指标能够用于评价粉煤灰的活性，并且测试方法简单，利于推广应用。
　　
　　关键词：公路工程；粉煤灰；活性度；比表面积；活性指数指标HH
　　
　　　　石灰粉煤灰稳定材料由于具有整体性能优异、水稳性良好、后期强度高、成本低廉和易于施工等优点，在公路工程的半刚性基层中被广泛应用。但是在实际应用过程中，发现一些粉煤灰按照现行标准测定属较高级别粉煤灰，但将其用到混合料中，二灰混合料强度尤其是早期强度相当低，难于满足现行基层施工规范的要求，表明现有评价方法存在一定的问题。另外虽然现行标准中对公路基层用粉煤灰有细度、需水量比和烧失量等详细规定，但是在使用中大家更关心的是粉煤灰的活性问题，即达到什么样的标准粉煤灰才会有良好的活性，才会有高的强度，另外就是如何快速测定活性的问题
　　
　　1问题的提出
　　
　　　　为了证明现有粉煤灰评价体系存在的不足，研究中首先选取了3个地区的石灰，粉煤灰选取了2个地区3种不同级别的粉煤灰，测试了不同配比下的物理指标，并在此基础上测定了石灰与粉煤灰不同龄期的强度（试件尺寸φ5cm×H5cm）详见表1所示。
　　
　　　　由表1可见：不同产地石灰对二灰强度的影响不同，一般来说在粉煤灰相同的情况下，一级石灰与粉煤灰形成的强度要高于二级石灰的不同龄期强度有较大影响；一级粉煤灰和石灰组成的方案（f—6）强度要高于由二级粉煤灰和石灰组方案（f—4）的强度。就7d和3d强度而言，一级粉煤灰要高于二级粉煤灰与石灰形成的强度，分别高出约18%和10%，表明粉煤灰对二灰的强度影响很大。另外研究中发现f—1的二灰强度要远远大于f—5的二灰强度，表现出当石灰相同时，高级别粉煤灰的强度表现反不如低级别粉煤灰的怪现象。为了验证这个结果，还对二赤砂砾强度进行了测试，详见表2
　　
　　表1 石灰、粉煤灰物理指标及不同龄期强度测试结果汇总
　　
　　方案
　　
　　代号 石灰
　　
　　（等级） 粉煤灰
　　
　　（等级） 配合比 最大干密度g/cm3 最佳含水量% 不同龄期抗压强度/MPa
　　
　　7d 36d
　　
　　F—1 Ⅱ Ⅲ 1：3 1.345 22.0 2.24 5.02
　　
　　F—2 Ⅱ Ⅲ 1：2 1.331 23.0 1.96 5.02
　　
　　F—3 Ⅱ Ⅲ 1：4 1.366 22.5 2.26 4.63
　　
　　F—4 Ⅰ Ⅱ 1：3 1.345 24.0 2.07 5.04
　　
　　F—5 Ⅱ Ⅱ 1：3 1.145 26.0 1.07 3.00
　　
　　F—6 Ⅰ Ⅰ 1：3 1.412 24.0 2.45 5.56
　　
　　F—7 Ⅰ Ⅱ 1：3 1.401 22.0 2.37 5.61
　　
　　
　　
　　表2 两种对比方案(二灰砂砾)
　　
　　方案
　　
　　代号 配合比(石灰:
　　
　　粉煤灰:砂砾) 强度代表
　　
　　值/MPa 试件
　　
　　个数 变异系数Cυ%
　　
　　7d 28d 7d 28d
　　
　　F—1 6：14：80 0.82 2.01 13 7.9 6.8
　　
　　F—5 10：20：70 0.91 1.58 13 9.8 7.8
　　
　　　　注:表2中二灰砂砾所用砂砾级相同,表2方案所用原材料与表1中同代号的一致。
　　
　　　　表2测试结果于表1结论相同，即对方案f—5所用粉煤灰其强度特性表现出粉煤灰等级高，但二灰砂砾强度却很低的与粉煤灰等级不符的异常现象。表明现行标准中对粉煤灰活性评价存在较大漏洞。因此如何准确、快捷地测定粉煤灰活性对其的应用及弥补现行标准不足就显得尤为必要。
　　

　　2试验简介
　　
　　2． 1试验原理简介
　　
　　　　研究中对粉煤灰活性评价采用石膏激了活性加速反应的试验方法。石灰、粉煤灰强度主要来源于它们之间的火山灰反应，但其反应速度很慢，为了提高反应速度，反应中加入石膏。因为粉煤灰中氧化物（SI02、AI203、Fe203）是以2种状态存在，一种为活性状态，存在于粉煤灰玻璃体中，能与石膏起作用；
　　
　　　　另一种是非活性状态，存在于粉煤灰结晶体中，以硅铝酸二钙的形式出现，不能与石膏起作用。加入石膏后，反应系统中的Ca2+产生同离子效应，PH值略有降低，从而石膏与粉煤灰的作用就是S042-产生和效应。

　　一方面，S042-能与AI02-、Ca2+、0H-生成AFt、使液相中AI02-、Ca2+浓度下降，促进粉煤灰中的AI02-、Ca2+溶出，导致玻璃体解体；

　　另一方面，由于粉煤灰中一般都含有25%以上的AI203，除生成A3S2晶体外，剩余的AI3+绝大部分为网络形成体，但也有可能有少量网络中间体，其键能仅为网络形成体的1/2~1/3，S042-吸附在这种活化点上以后，极易发生作用，使粉煤灰玻璃体受侵蚀而解体。AI—0键解体的同时，也促进Si—0键的解体。从上述描述不难发现石膏的使用可用来测定粉煤灰有资效成分的活性大小。
　　
　　2．2计算公式
　　
　　　　20g粉煤灰吸收的毫克数，即为粉煤灰活性度，用公式（1）进行计算：
　　
　　H=8×（m1×0.583-m2×0.583）×1000÷20
　　
　　=233.28×(m1- m2)
　　
　　式中:0.583为BaS04对CaS04的换算系数;1000由g化为mg的倍数;8为分取试样的倍数;H为粉煤灰的活性度;m1、m2分别为反应前后BaS04的质量，g。
　　
　　3结果分析
　　
　　　　根据上述的试验方法，对煮沸的时间进行了试验，采用浙江某地区公路工程大量使用的粉煤灰，其试验数据见表3所示。
　　
　　　　表3粉煤灰活性度与时间关系
　　
　　时间/h 0.5 1 2 4
　　
　　活性度/×10-3 186.54 189.13 189.87 190.02
　　
　　　　表3表明,粉煤灰活性度度随时间增加而增长,并且早期增长快,后期增长慢,这与粉煤灰的火山灰反应现象相同。从试验数据和试验原理来分析，由于AI203的反应速度最快，煮沸2h后粉煤灰中的有效AI203基本已反应完毕，因此利用2h的活性度来判断粉煤灰活性。
　　

　　　　据此选取多种粉煤灰在2h条件下进行试验，并且用活性度对二灰的强度进行分析，试验结果如表4所示。
　　
　　　　表4不同粉煤灰的活性度测试汇总
　　
　　　　等级 1 2 3 2 2
　　
　　　　活性度 212.0 213.90 209.6 189.7 153.3
　　
　　　　比表面积/(cm2/g) 6 498 4 724 4 839 3 345 4 724
　　
　　　　表5表明,活性度越大,石灰粉煤灰的强度就越高,尤其是早期强度,如f—1与f—5。但是仅用活性度的指标来控制粉煤灰的等级常常会显得和不从心，如f—4与f—6即是如此，研究中发现其中粉煤灰的细度对二灰强度影响尤为突出。对粉煤灰的细度试验，采用比表面积法，即利用勃氏透气比表面积仪进行测定。结果如表6所示
　　
　　　　表5粉煤灰活性度与二灰强度的关系汇总
　　
　　代号 F—1 F—5 F—4 F—6
　　
　　石灰 等级 Ⅱ Ⅱ Ⅰ Ⅰ
　　
　　等级 Ⅲ Ⅱ Ⅱ Ⅰ
　　
　　活性度 209.6 189.7 213.9 212.0
　　
　　强度/MPa 7d 2.24 1.07 2.07 2.45
　　
　　36d 5.02 3 5.04 5.56
　　
　　150d 5.63 4.26 7.15 5.15
　　
　　　　注:测试二灰强度试验中石灰粉煤灰的比例均定为1:3。
　　
　　　　表6结果表明，同一电厂粉煤灰的细度是随着等级的不同而不同，等级越高，比表面积越大。研究中还对粉煤灰的细度与二灰强度的关系进行了测试，试验结果详见表7所示。
　　
　　　　表7结果表明，一般来说，粉煤灰细度越细，比表面积越大，二灰7d强度越高，但细度也不能完全表征路用粉煤灰的特征性，如f—5方案所用粉煤灰，
　　
　　　　表6 不同粉煤灰的比表面积
　　
　　等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅱ
　　
　　密度/（g/cm3） 2.300 2.194 2.207 2.060 2.227 2.006 1.969 2.084 1.897
　　
　　比表面积/（cm2/g） 6 498 4 724 4 839 3 345 5 889 4 724 3 850 5 258 4 615
　　
　　
　　
　　表7粉煤灰的细度与二灰强度的关系
　　
　　方案代号 F—1 F—5 F—4 F—6
　　
　　石灰 等级 Ⅱ Ⅱ Ⅰ Ⅰ
　　
　　粉煤灰 等级 Ⅲ Ⅱ Ⅱ Ⅰ
　　
　　比表面积/（cm2/g） 4 839 3 345 4 724 6 498
　　
　　强度/MPa 7d 2.24 1.07 2.07 2.45
　　
　　36d 5.02 3 5.04 5.56
　　
　　150d 5.63 4.26 7.15 5.15
　　
　　　　尽管细度很细,但其7d的强度仍然很低。
　　

　　　　试验结果及实际应用表明采用现有方法对粉煤灰活性评价是不够的，因为二灰的强度与粉煤灰的细度以及活性度有很大的关联。试验结果表明，粉煤灰活性度越大，比表面积越大，二灰的强度就越高。因此通过比表面积与活性度的乘积即活性指数（活性指数HH=比表面积×活性度）来评价粉煤灰的活性，结果详见表8所示。
　　
　　　　表8 不同粉煤灰的活性指数HH值汇总
　　
　　等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅱ
　　
　　HH/（×103cm2/g） 1.377 5 1.010 45 1.014 3 0.635 15 0.949 3 0.724 05 0.546 25 1.003 6 0.771 9
　　
　　　　结合表7、表8及表1的测试结果，可以发现粉煤灰活性指数HH值越大，二灰（相同石灰条件下）的7d及36d强度越高，表明该指标可用来评价粉煤灰的活性。并且对该指标的测试均采用常规仪器加以测试，利于推广应用。
　　
　　　　据此结果并结合二灰砂砾的大量强度试验结果，测试了上述不同产地粉煤灰应用于二灰砂砾后的早期强度。为便于横向比较，试验中均采用浙江某地二级石灰，二灰砂砾级配均为现行标准规范中值级配，二灰比例1：2.5,集料含量均为80%，即二灰砂砾的配合比为6：14：80。

　　标准击实后按照相同压实度（97%）成型试件，标养7d测试无侧限抗压强度，试验结果详见表9所示。
　　
　　　　表9粉煤灰活性指数与二灰砂砾强度测试汇总
　　
　　粉煤灰等级 Ⅲ Ⅱ Ⅱ Ⅱ
　　
　　石灰等级 二级石灰（有效氧化钙、镁含量57.0%+1.9%
　　
　　二灰砂砾7d无侧限抗压强度/Mpa 0.78 0.98 0.32 0.70
　　
　　试件个数 13
　　
　　变异系数CV/% 7.80 8.10 7.90 8.87
　　
　　　　粉煤灰活性指数HH/（×103cm2/g） 1.003 6 1.010 45 0.635 15 0.771 9
　　
　　　　表9测试结果表明,在集料及混合料配合比一定的前提下,粉煤灰活性指数和二灰砂砾的强度之间存着明显的关联,该指标越大,二灰砂砾的早期强度越高。
　　
　　5结论
　　
　　　　通过大量的室内试验，发现粉煤灰活性指数HH指标将粉煤灰活性度及传统的比表面积指标有机的统一到一起，该指标从粉煤灰的外部物理细度指标以及内部活性物质两方面对粉煤灰活性进行了评价。

　　并且通过二灰砂砾强度试验对评价结果进行了验证，结果表明，该指标解决了实际应用可将室内试验指标评价粉煤灰活性与实际混合料的强度加以联系，使用HH值的大小来评价粉煤灰的活性，另外该指标的测试方法简单易行，均是用常规仪器，利于实际应用。