粉煤灰品质与抑制ASR膨胀的能力

粉煤灰品质与抑制ASR膨胀的能力

卢都友,刘 珩,吕忆农,许仲梓

(南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京 210009)

摘 要:对比研究了2类、4种粉煤的化学和矿物组成、颗粒形貌和级配及抑制碱硅酸反应(ASR)膨胀的效果,讨论了粉煤灰品质与抑制ASR膨胀的关系。结果表明:相同掺量时,低钙粉煤灰抑制ASR能力优于高钙粉煤灰;粉煤灰同一品质指标对不同类型粉煤灰抑制ASR能力的影响不同,不同粉煤灰抑制ASR膨胀能力的差异不能简单归结为某一特定品质指标的差别,特别是品质指标绝对值及差别不大时。

关键词:碱硅酸反应;膨胀;粉煤灰;颗粒分布;氧化钙;碱含量

中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1671-7643(2003)03-0007-05

ASR(碱硅酸反应)是影响混凝土耐久性的重要原因之一,使用粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物外加剂是预防ASR的最实用、经济和有效的途径。迄今为止,国际上对粉煤灰抑制ASR的效果及影响因素进行了广泛研究,特别是粉煤灰本身品质指标,包括粉煤灰的化学组成,如碱含量[1~11]、CaO含量[6,8,10]和SiO2含量、细度[11~14]、置换率等对抑制ASR效果的影响,试图建立粉煤灰品质与抑制ASR效果之间的关系,并阐明粉煤灰抑制ASR机理。但由于不同研究者使用的原材料和研究方法不同,结论不一,有时甚至相互矛盾。

众多研究者认为粉煤灰碱含量是影响其抑制ASR效果的重要因素,不同之处在于对粉煤灰有效碱的表征和计算方法以及影响有效碱的因素有不同认识[1~8]。也有部分研究者认为粉煤灰碱含量对碱集料反应无影响[9,10]。关于粉煤灰CaO含量对抑制ASR作用的影响,Dustan[10]认为粉煤灰Ca O含量越高,抑制作用越差,但此结论并没有得到后来研究者的支持[6,8]。另一方面,由于受来源和抑制效果的限制,国内外主要围绕低钙粉煤灰抑制ASR开展研究,而对高钙粉煤灰抑制ASR的研究较少。随着现代化大型发电机组的建立和高钙低灰分燃煤的使用,高钙粉煤灰的产量日益增多,高钙粉煤灰的利用也成为重要研究课题。

本文对比研究了2类、4种粉煤灰抑制ASR膨胀的效果,从粉煤灰化学和矿物组成、颗粒形貌和级配等方面探讨了不同粉煤灰抑制ASR膨胀能力差异的原因,讨论了粉煤灰品质与抑制ASR膨胀的关系。

1 原材料和实验方法

水泥和粉煤灰:实验选用了不同产地的低钙粉煤灰和高钙粉煤灰各2种,低钙粉煤灰分别为NJ和AH,高钙粉煤灰为SD和WJ。所用水泥为冀东水泥厂525#R硅酸盐水泥(JD),水泥碱的质量分数为0 96%,水泥和各粉煤灰的化学组成见表1。集料:实验用活性集料为石英玻璃,由江苏东海石英玻璃厂生产的石英玻璃破碎而成,活性组分为无定型SiO2,石英玻璃经破碎、筛分至0 15~0 80mm。

除分析粉煤灰的化学组成外,分别用X射线衍射法(XRD)测定粉煤灰的矿物组成,扫描电镜(SE M)观察粉煤灰形貌,激光粒度分析仪测定粉煤灰的粒度分布。

测量膨胀用小砂浆棒试体的尺寸为10m m 10mm 60m m,胶砂比即(水泥+粉煤灰)集料为101,水胶比(水(水泥+粉煤灰))为0 33,粉煤灰分别取代水泥质量的15%、25%、35%、50%。成型方法参照CECS48:93!砂、石碱活性快速试验方法?进行。试体成型后在室温100%R.H.养护2d后

第25卷第3期2003年5月 南 京 工 业 大 学 学 报

JOURNAL OF NANJI NG UNIVE RSI TY OF TECHNOLOGY

Vol.25No.3

M ay2003

收稿日期:2002 10 15

基金项目:#十五?科技攻关项目(2001BA307B01 01)

作者简介:卢都友(1969 ),男,河南虞城人,副教授,博士,主要从事水泥混凝土化学和材料微观结构研究。

表1 水泥和粉煤灰的组成质量分数/%

Table 1 Chemical composition of cement and fly ashes

编 号w (SiO 2)w (Al 2O 3)w (Fe 2O 3)w (CaO *)w (MgO)w (SO 3)w (K 2O)w (Na 2O)w (LOI)w (Total)JD 23.03 5.90 3.0160.44 1.87 2.20 1.160.200.8298.63NJ 50.8931.34 5.93 3.90 1.27 1.45 1.500.19 2.5298.99AH 56.9633.66 4.02 2.020.820.230.840.230.8499.62SD 51.1421.138.6711.30 1.20 1.13 1.130.27 1.8597.82WJ

37.86

19.40

9.83

22.40

2.10

2.61

0.81

0.67

1.89

97.57

*SD:w (f CaO)=1 77%;WJ:w (f CaO)=3.06%

脱模,用精度为0 01mm 的比长仪测其初长L 0,然后在60%、1mol/L NaOH 溶液中养护,并分别测量不同龄期试体长度L i ,计算其膨胀率,每组配比的膨胀率为6条试体平均膨胀率。

2 实验结果与讨论

2.1 粉煤灰对石英玻璃ASR 膨胀的影响

图1和图2分别为不同掺量的2种低钙粉煤灰和2种高钙粉煤灰石英玻璃砂浆试体在60%、1mol/L NaOH

溶液中随龄期变化的膨胀曲线。

图1 低钙粉煤灰对石英玻璃砂浆ASR 膨胀的影响

Fi g.1 Effect of clas s F fly ashes on the ASR expansion of

mortar with s ilica glass

图1表明,与不掺粉煤灰的空白试样相比,NJ 和AH 的掺入均使试体膨胀减小,且粉煤灰掺入量越大试体膨胀越小,在研究龄期内,粉煤灰掺量达水泥质量的50%才能将试体膨胀抑制在0 1%以下。2种低钙粉煤灰相比,NJ 抑制ASR 膨胀的能力强于AH,在低掺量时,2者的差别要显著些。与低钙粉煤灰类似,2种高钙粉煤灰的掺入也能不同程度地减小石英玻璃的ASR 膨胀,且掺入量越大试体膨胀越

小(图2),但在研究龄期内,高钙粉煤灰掺量达50%

时也未能将试体膨胀抑制在0 1%以下。2种高钙粉煤灰相比,SD 抑制ASR 膨胀的能力强于WJ 。和低钙粉煤灰不同的是2种高钙粉煤灰抑制ASR 能力的差异随粉煤灰掺量增加而愈加显著,可能是由

于2种高钙粉煤灰中均含有一定量的游离CaO(SD 为1 77%,WJ 为3 06%),随粉煤灰掺入量的增加,游离Ca O 水化导致的膨胀效应相应增大。图3所示为分别掺加4种粉煤灰的石英玻璃砂浆试体在1mol/L NaOH 溶液中养护28d 时膨胀值比较。4种粉煤灰抑制ASR 能力大小依次为NJ >AH>SD>W J 。

图2 高钙粉煤灰对石英玻璃砂浆ASR 膨胀的影响

Fi g.2 Effec t of class C fl y as hes on the ASR expansion of

mortar with silica glass

2.2 粉煤灰矿物和化学组成与抑制ASR 关系

用X 射线衍射(XRD)分析了4种粉煤灰的矿物组成,图4和图5分别为低钙粉煤灰和高钙粉煤灰的XRD 分析结果。

图4表明2种低钙粉煤灰的晶体矿物种类相同,主要为莫来石、石英和少量赤铁矿等。但相对比较晶体矿物的衍射峰强度,可以看出2种粉煤灰中晶体矿物相对含量不同。AH 中晶体矿物的含量高而NJ 中结晶矿物的含量低。图5表明2种高钙粉煤灰除含有莫来石、石英和少量赤铁矿外,还含有一

8南 京 工 业 大 学 学 报 第25卷

图3 粉煤灰对石英玻璃砂浆28d 膨胀值的影响

Fi g.3 Comparis on of the effect of fly as hes on the e xpansion of mortar

with silica glass stored in 1mol/L NaOH solution for 28

days

图4 低钙粉煤灰XRD 图谱

Fi g.4 XRD diagrams of A H and

NJ

图5 高钙粉煤灰XRD 图谱

Fi g.5 XRD diagrams of SD and WJ

定量的CaO 存在。和化学分析结果一样,WJ 粉煤灰f CaO 含量高于SD 粉煤灰。

根据表1,AH 、NJ 、SD 、WJ 的碱质量分数分别为0 78%、1 17%、1 01%和1 2%。Ca O 质量分数分别为2 02%、3 90%、11 30%和22 40%。按照前人研究结果[5,6,10]

,粉煤灰的碱含量和CaO 含量越高,抑制ASR 膨胀的能力越差。对比高钙灰和低钙灰以

及对比高钙粉煤灰SD 和WJ,可以发现,粉煤灰的碱含量和CaO 含量越高,抑制ASR 膨胀的能力越差,与文献结果一致。但对2种低钙粉煤灰,AH 碱含量和CaO 含量均低于NJ,而AH 抑制ASR 膨胀的能力却不如NJ 。说明对低钙粉煤灰而言不能仅从粉煤灰的碱含量和CaO 含量的相对差别来比较不同粉煤灰抑制ASR 膨胀的性能,还应关注碱含量和Ca O 含量绝对值大小和粉煤灰的其它品质指标,如玻璃体含量等。低钙粉煤灰碱含量和CaO 含量的微小差别,不足以造成粉煤灰抑制ASR 膨胀的能力的明显差异。对高钙粉煤灰高掺量时,还应考虑游离CaO 含量的影响。

另外,粉煤灰的火山灰反应使体系中Ca(OH )2

减少和生成的低Ca/Si 比产物,是导致ASR 膨胀减小的重要原因之一,一般认为粉煤灰的硅、铝氧化物总含量越高,粉煤灰的火山灰活性越高,相应的抑制ASR 膨胀的能力也越强。同碱含量和CaO 含量对ASR 膨胀的影响一样,高钙灰和低钙灰以及2种高钙粉煤灰相比较,硅、铝氧化物总量越高,抑制ASR 能力越强,但对比2种低钙粉煤灰,AH 的硅、铝氧化物总量为90 62%,而NJ 的硅、铝氧化物总量为82 23%,但NJ 抑制ASR 膨胀的能力反而优于AH 。结合粉煤灰矿物分析结果,这主要是由于AH 中晶

体矿物含量大于NJ 中结晶矿物含量,造成虽然从化学组成上AH 中硅、铝氧化物总量高,但起活性作用的玻璃体中硅、铝氧化物的量却少于NJ 粉煤灰。说明不能仅从粉煤灰的化学组成判断其活性,而应综合考虑化学组成和晶体矿物含量来确定起活性作用的玻璃体含量,进而判断其火山灰活性大小和抑制ASR 膨胀的能力。

2.3 粉煤灰颗粒细度与抑制ASR 关系

用SE M 和激光粒度分析仪分别研究了粉煤灰的颗粒形貌和粒度分布。SE M 研究表明,4种粉煤

灰均含有大量的球状玻璃体颗粒和少量的结晶产物,颗粒直径大部分小于10 m 。图6为反映粉煤灰颗粒形貌的SEM 图片。进一步粒度分布测试表明(图7),WJ 最细,小于10 m 的颗粒体积约占65%,但其抑制ASR 效果最差,说明不能仅把粉煤灰细度和抑制作用相联系。对所研究的2种高钙粉煤灰,CaO 和游离CaO 含量的差别对抑制作用的影响更为显著。2种低钙灰相比,NJ 粉煤灰中细颗粒含量,尤其是直径小于10 m 的颗粒占全部颗粒的含量远大于AH 中相应粒级的颗粒含量,NJ 中约为60%,而

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第3期卢都友等:粉煤灰品质与抑制ASR 膨胀的能力

图6 粉煤灰形貌的扫描电镜图片

Fig.6 SEM micrographs of fly ashes

AH 中仅占34%。粉煤灰中玻璃体的含量尤其是细

颗粒的含量对粉煤灰的火山灰活性有重要影响。而

2种低钙粉煤灰的其它指标,如碱含量、CaO 含量和

硅铝氧化物的差别不大,粉煤灰的细度和玻璃体含

量的差别可能是导致其抑制ASR

差异的主要原因。

图7 粉煤灰颗粒粒度分布Fig.7 Particle size distri bution of fly as hes 综合上述对粉煤灰的化学组成、矿物组成和粒度分布的研究结果,2种低钙粉煤灰抑制ASR 膨胀能力的差异可能主要与玻璃体含量和细度有关,而粉煤灰的碱含量和CaO 含量差别则影响不大。2种高钙粉煤灰抑制ASR 膨胀能力的差异主要与Ca O 及游离CaO 含量有关,而粉煤灰的细度和玻璃体含量差别则影响不大。

3 结 论

3.1 不同类型的粉煤灰抑制ASR 膨胀能力不同,

掺量相同时,低钙粉煤灰抑制ASR 能力优于高钙粉

煤灰。

3.2 粉煤灰同一品质指标对不同类型粉煤灰抑制

ASR 能力的影响不同。本文研究的2种低钙粉煤灰

抑制ASR 膨胀能力的差异主要与其细度和玻璃体

含量有关,而粉煤灰的碱含量和CaO 含量则影响不

大。2种高钙粉煤灰抑制ASR 膨胀能力的差异主要

与CaO 及游离Ca O 含量有关,而粉煤灰的细度差别则影响不大。10南 京 工 业 大 学 学 报 第25卷

3.3 粉煤灰对ASR 膨胀的抑制是粉煤灰综合效应的体现,不同粉煤灰抑制ASR 膨胀能力的差异不能简单归结为某一特定品质指标的不同,特别是品质指标绝对值及其差别不大时。参考文献:

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Effect of the characteristics of fly ash on the ability to suppress AS R expansion

LU Du you,LI U Heng,LU Yi nong,XU Zhong zi

(College of Materials Science and Engineering,Nanjing Universi ty of Technology,Nanjing 210009,China)

Abstract:The suppressing effect on ASR expansion and the characteristics of four kinds of fly ashes,including chemical constituents,mineral constituents,particle morphology and size distribution,were studied.The relationship between the charac teristics of fly ashes and their ability against ASR e xpansion was discussed.Results showed that class F fly ash is superior to class C fly ash in suppressing ASR expansion.The same characteristic of different types of fly ashes may have different influences on the ability to suppress ASR expansion,and the difference in the ability to c ontrol ASR expansion of various types fly ashes can not be attributed to the difference of one certain characteristic,especially when the absolute content and the differences are not large enough.

Key words:alkali silica reaction (ASR);expansion;fly ash;particle size distribution;CaO;alkali content

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第3期卢都友等:粉煤灰品质与抑制ASR 膨胀的能力

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/90c4.html