粉煤灰中活性测试检测方案(比表面)

智能文字提取功能测试中

长安大学学报(自然科学版)Journal of Chang'an University(Natural Science Edition)Vol.24 No.5Sept. 2004第24卷 第5期2004年9月 17第5期李炜光，等：粉煤灰活性测试方法 文章编号：1671-8879(2004)05-0016-04 粉煤灰活性测试方法 李炜光，申爱琴，张 超，张玉斌 (长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安710064) 摘 要：选取了3个省9种典型粉煤灰，通过石膏激发活性加速反应试验方法对粉煤灰活性进行了研究。通过对比研究粉煤灰的单位质量比表面积、活性度以及石灰粉煤灰强度之间的关系，提出了粉煤灰活性指数指标。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和活性度有机的结合在一起。通过实测对比活性指数指标与二灰砂砾早期强度之间的关系，表明该指标能够快速评价粉煤灰活性，且测试方法简单，利于推广应用。 关键词：道路工程；粉煤灰；活性度；比表面积；活性指数指标 中图分类号：U414.11 文献标识码：A Measuring of fly-ash's activity peculiarity LI Wei-guang， SHEN Ai-qin， ZHANG Chao， ZHANG Yu-bin (Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry ofEducation， Chang’an University， Xi'an 710064， China) Abstract： To the question of form classification index of fly-ash can’t reflect it's activity， selects9 kinds fly-ash of three provinces， probes into the testing-way and estimates the activity peculiari-ty of fly-ash in different ways. On the basis of contrasting the fine-degree and activity-degree，puts out the activity-index of fly-ash， named Hu. It makes connection of exterior performance，fine-degree (the ratio surface area)， with the interior index(activity-degree). At last， tests therelation between H with the strength of lime and fly-ash gravel. The intension indicates that theactivity-index can estimate the activity of fly-ash， and the testing way is simple and easy to apply-ing. Key words： road engineering； fly-ash； activity-degree； ratio surface area；activity-index 0 引 言 石灰粉煤灰稳定粒料由于具有整体性能好、水稳性佳、后期强度高、成本低廉、易于施工等特点，被广泛应用于半刚性基层。但在应用中发现，用一些按照现行标准属较高级别的粉煤灰，配置的二灰混合料强度早期强度相当低，表明现有粉煤灰评价指标存在一定的问题。另外，虽然现行规范中对公路 基层用粉煤灰有细度、需水量比、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，粉煤灰才会具有好的活性，此时二灰稳定粒料才会有高的强度；另外就是如何快速测定粉煤灰活性。 问题的提出 为了证明现有粉煤灰评价体系的不足，研究中 ( 收稿 日期：2004-03 -26 ) ( 作者简介：李炜光( 1 971-)，男，山西黎城人，长安大学讲师，博士研究生. ) 首先选取了3个地区3个等级的石灰，以及2个地区3种等级的粉煤灰，测试了在不同二灰比例下的物理指标，并在此基础上测定了石灰与粉煤灰不同龄期的强度(圆柱体试件，高与直径均为5 cm)，见表1所示。 表1石灰、粉煤灰物理指标及不同龄期强度测试结果 方案 石灰 粉煤灰 代号 产地 等级 产地 等级 f-1 陕西富平 二 陕西渭河电厂 三 f-2 陕西富平 二 陕西渭河电厂 三 f-3 陕西富平 陕西渭河电厂 三 f-4 陕西延安 陕西渭河电厂 一 f-5 陕西富平 二 河南平顶山姚孟电厂 f-6 陕西延安 陕西渭河电厂 一 f-7 西安蓝田 陕西渭河电厂 二 方案代号 配合比 最大干密度/(g·cm^3) 最佳含水量/% 不同龄期抗压 强度/MPa 7d 36d f-1 1：3 1.345 22.0 2.24 5.02 f-2 1：2 1.331 23.0 1.96 5.02 f-3 1：4 1.366 22.5 2.26 4.63 f-4 1：3 1.345 24.0 2.07 5.04 f-5 1：3 1.145 26.0 1.07 3.00 f-6 1：3 1.412 24.0 2.45 5.56 f-7 1：3 1.401 22.0 2.37 5.61 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强度。而当石灰相同时，不同等级粉煤灰对二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成方案(f-4)的强度，对比两者的7d和36d强度，前者分别高于后者约18%和10%，表明粉煤灰对二灰的强度影响很大。另外研究中还发现陕西渭河电厂的三级粉煤灰与河南平顶山地区的二级粉煤灰，在石灰和二灰比例相同的条件下，前者(f-1)形成的二灰强度(2.24MPa)要远远大于河南平顶山姚孟电厂的粉煤灰(f-5)所形成的二灰强度(1.07 MPa)，出现了在石灰相同的前提下，高级别粉煤灰的活性表现反不如低级别粉煤灰的现象。为了验证这个结果，还对二灰砂砾强度进行了测试，见表2所示。 表2测试结果与表1结论相同，即对方案f-5，只有当石灰剂量达到10%时，二灰砂砾强度才能满足要求，且此时二灰砂砾后期强度增长缓慢。表明现行标准中对粉煤灰活性评价存在一定问题。因此 表2 两种对比方案二灰砂砾技术指标 代号 配合比(石灰： 强度代表值/MPa 试件数 /个 变异系数(C)/% 粉煤灰：砂砾) 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配相同，表2方案所用原材料与表1中同代号的一致。 如何准确、快捷的测定粉煤灰活性就显得尤为必要。 2 实验 2.1 试验原理 研究中对粉煤灰活性评价采用石膏激发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(SiO，A1，Os，Fe0)等是以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(2CaO·AlzO；·SiOz)的形式出现，不能与石膏起作用。加石膏后，反应系统中的Ca+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 SO产生的效应。一方面，SO能与 AlO-，Ca什+，OH生成 AFt，使液相中AlO²，Ca²+浓度下降，促进粉煤灰中的 AlO°，Ca+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AlO，除生成 ASz 晶体外，剩余的Al+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，SO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。Al-O 键解体的同时，也促进 Si-O 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效成分的活性大小。 2.2 试验方法 (1)首先滴定对单位体积下(CaSO)溶液，换算CaSO，的质量为mj。 (2)准确称取20g粉煤灰与2g的 CaO放人容量为1000 mL的清洁干燥的长颈瓶中，再向瓶中加入400 mL 的 CaSO.溶液(每L含CaSo.·2H2O为1.5~1.6g)，用塞盖上瓶口，用手摇动10~15s，使其混浊。将瓶塞换上回流冷凝管，煮沸使之回流，每隔 15~30 min 将振荡一次烧瓶。煮沸2h后，取下烧瓶静置2~3 min，将温度计放入瓶中，待溶液冷却至90℃时，吸取50 mL，过滤到400 mL烧杯 中，以水稀释至250mL，加加1mL 的 HCl(浓度为1：1)煮沸，在不断搅拌下加下10%的 BaCle 溶液25mL，继续煮沸5 min 后静置过夜。用定量滤纸过滤，以水洗至无CI为止(采用1%AgNO溶液检验)。将沉淀及滤纸放入恒重埚中，800℃灰化，灼烧 30 min 取出冷却，称至恒重，去去埚中即为反应后所剩 SO而得到的 BaSO，的质量为m2。 (3)计算公式。20g粉煤灰吸收的 CaSO.毫克数，即为粉煤灰活性度，用式(1)进行计算 式中：0.5832为 BaSO，对 CaSOs的换算系数；1000为由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；m，m2为分别为反应前后BaSO， 的质量(g)。 3实验结果分析 根据上述的试验方法，采用河南平顶山地区粉煤灰，首先确定了煮沸时间，试验数据见表3所示。 表3粉煤灰活性度与时间的关系 时间/h 0.5 1.0 2.0 4.0 活性度/10-3 186.54 189.13 189.87 190.02 表3表明，粉煤灰活性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AlO，的反应速度最快，煮沸2h后粉煤灰中的有效AlO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，试验结果见表4所示。 表4不同粉煤灰的活性度测试汇总表 产地 陕西渭河 陕西渭河 陕西渭河 河南平顶山 河南姚孟 等级 一 二 三 二 二 活性度 212.0 213.9 209.6 189.7 153.3 表4测试结果表明，就活性度而言，陕西渭河电厂粉煤灰最高，河南姚孟电厂的粉煤灰最低。据此还对粉煤灰活性度与二灰强度进行了对比，结果见表5所示。 表5表明，活性度越大，石灰粉煤灰的强度越高，尤其是早期强度，如f-1与f-5。渭河三级粉煤灰的活性度比平顶山二级粉煤灰高约 10.4%，7d强度高出约109%。然而仅仅用活性度的指标来控制粉煤灰的等等也有问题，如f-4与f-6对比，渭河电 厂的二级粉煤灰的活性度高于一级粉煤灰，但7 d二灰强度结果却相反，f-6高于f-4。同时，研究中还发现粉煤灰细度对二灰强度影响较大。因此采用勃氏透气比表面积仪测定了粉煤灰细度，结果见表6所示。 表5 粉煤灰活性度与二灰强度的关系汇总表 代号 f-1 f-5 f-4 f-6 石灰 产地、等级 富平、二级 富平、二级 延安、一级 延安、一级 粉煤灰 产地、等级 渭河、三级 平顶山、二级渭河、二级 滑河、一级 活性度 209.6 189.7 213.9 212.0 强度/MPa 7d36d150d 2.245.025.63 1.073.004.26 2.075.047.15 2.455.56 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不同粉煤灰的比表面积 产地 陕西渭河 陕西渭河 陕西渭河 河南平顶山 河南姚孟 河南姚孟 河南姚孟 陕西桥 河北邯郸 等级 -一 二 三 二 一 三 三 密度 /(g·cm) 2.300 2.194 2.207 2.060 2.227 2.006 1.969 2.084 1.897 比表面积/(cm²·g) 6498 4724 4839 3 345 5889 4724 3850 5258 4615 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。研究中还对粉煤灰比表面积与二灰强度的关系进行了测试，试验结果见表7所示。 表7粉煤灰的比表面积与二灰强度的关系 代号 1-1 f-5 f-4 f-6 石灰 产地、等级 富平、二级 富平、二级 延安、一级 延安、一 粉煤灰 产地、等级 渭河、三级 平顶山、二级 渭河、二级 渭河、一级 比表面积/(cm².g) 4 839 3345 4724 6498 强度/MPa 7 d 2.24 1.07 2.07 2.45 36d 5.02 3.00 5.04 5.56 150 d 5.63 4.26 7.15 5.15 表7表明，一般来说，粉煤灰比表面积越大，二灰7d强度越高，如渭河电厂一级粉煤灰(f-4)的比表面积要高于渭河电厂二级(f-6)粉煤灰，尽管其活性度没有二级粉煤灰高，但7d强度比由二级粉煤灰所形成的二灰高，表明粉煤灰细度也是影响二灰强度一个重要因素。但细度也不能完全表征路用粉煤灰的特性，如平顶山地区的粉煤灰，通过大量的试验以及工程实际情况得到，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，现有粉煤灰活性评 价指标不能反映出粉煤灰活性，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。因此研究中提出采用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，结果见表8所示。 表8 不同粉煤灰的活性指数 HH值汇总 产地 陕西渭河 陕西渭河 陕西渭河· 河南平顶山 河南姚孟 河南姚孟 河南姚孟 陕西灞桥 河北邯郸 等级 一 二 三 二 一 三 三 二 HH/(10cm².g) 1.378 1.011 1.014 0.635 0.949 0.724 0.546 1.004 0.772 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 H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。 据此测试了3个省4种粉煤灰测试二灰砂砾的早期强度，为便于横向比较，均采用陕西富平二级石灰，二灰砂砾级配均为现行标准规范中值级配，二灰砂砾配合比为6：14：80，标准击实后按照相同压实度(97%)成型件件，标养测试7d无侧限抗压强度，试验结果见表9所示。 表粉9煤灰活性指数与二灰砂砾强度测试汇总表 粉煤灰产地及等级 陕西灞桥三级 陕西渭河 二级 河南平顶山二级 河北邯郸 二级 石灰等级及产地 陕西富平二级石灰 (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/个 13 变异系数 Cv/% 7.80 8.10 7.90 8.87 粉煤灰活性指数 H；/(103cm².g) 1.00360 1.01045 0.635 15 0.77190 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在着明显的关联，该指标越大，二灰砂砾的早期 强度越高。若按照传统方法则无法解释河南平顶山方案强度低的现象。按照现行标准有关半刚性材料7d无侧限抗压强度的有关规定，粉煤灰活性指数H#值应大于0.75×10°cm²·g. 4 结 语 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起来。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中大家更为关心的活性指标问题；该指标的使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H日值的大小来评价粉煤灰的活性，一般不得小于0.75×10cm.g。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。 ( 参考文献： ) ( [1] 张 超.石灰粉煤灰类材料施工特性研究[D].西安：长安大学，2002. ) ( [2] 张 超.粉煤灰灰用品质的合理评价[J].公路， 2000，(4)：57一58. ) ( [3] 朱蓓蓉.Ⅰ级粉煤灰火山灰反应性研究[J].混凝土与 水泥制品，2002，(1)：3-7. ) ( [4] ] 王 智.硫酸盐对粉煤灰活性激发的比较[J].粉煤 灰综合利用，1999，(2)：23-25. ) ( [5] 焦宝祥，钟白茜.激发剂对粉煤灰——C a (OH)2系统 性能的影响[J].粉煤灰综合利用，2001，(3)：13-15. ) ( [6] 钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[M].北京：科学 出版社，2002. ) ( [7] JTJ 034-2000.公路路面基层施工技术规范[S]. 2000. ) ( [8] 张 超，丁纪忠，郭金胜.废弃水泥混凝土再生集料在半刚性基层中的应用[J].长安大学学报(自然科学 版)，2002，22(5)：1-4. ) ( [责任编辑 孙守增] ) 数据