粉煤灰品质对锦屏一级水电站砂岩骨料碱活性抑制效果的影响研究

李珍 邵晓妹 李鹏翔

（长江水利委员会长江科学院、水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉430010）

摘要：本文结合工程实际，采用砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法对砂岩进行了抑制试验，通过对不同化学组成的12种粉煤灰抑制效果的研究，并结合试验成果分析了粉煤灰中氧化钙含量、碱含量及SiO2+Al2O3+Fe2O3含量对抑制砂岩碱活性效果的影响，从而确定大坝混凝土用粉煤灰品质的控制，不能用粉煤灰某个单一化学成分作为抑制效果的评价指标，应用粉煤灰化学成分因子来综合评价。

关键词：粉煤灰；碱活性；氧化钙；碱含量；SiO2+Al2O3+Fe2O3含量；化学成分因子

1 引言

碱骨料反应（AAR）通常被工程界称为是混凝土的“癌症”，混凝土中若同时存在碱活性骨料、一定的碱含量（主要来自水泥、其次还有矿物掺合料、外加剂以及外部提供等）以及足够高的湿度（一般在80%以上）, AAR就肯定会发生。一旦AAR产生，其反应产物因吸附混凝土中的孔溶液而膨胀，使混凝土产生内部应力而开裂。由于骨料在混凝土中的分布大致均匀，混凝土内部各处均产生膨胀应力，最终结构物表面布满地图状的裂纹，此时不仅混凝土结构的完整性被破坏，还会加剧其他的劣化反应，如钢筋锈蚀、冻融破坏、盐蚀、碳化、冲击、磨损、疲劳等，导致混凝土耐久性的快速下降，使结构混凝土结构最终失去使用功能。一般来说，AAR反应是一个较缓慢的过程，有时需要几年甚至几十年时间才会出现裂纹，特别是对于一些慢性膨胀型的活性骨料，这一时间会更长。水利水电工程较长的使用寿命要求和水工混凝土所处的潮湿环境为AAR反应提供了充分的时间和环境条件。这表明，在碱骨料反应方面，水工混凝土比普通混凝土具有更大的危险性。工程实例证明，在混凝土中掺加粉煤灰可以有效地抑制AAR的发生。

本文结合雅砻江锦屏一级水电站砂岩骨料的碱活性试验，通过对不同化学组成的12种粉煤灰抑制效果的研究，来评价粉煤灰的品质对砂岩碱活性的影响，从而确定大坝混凝土用粉煤灰品质的控制指标。

2 试验

2.1 试验方法

试验方法采用《水工混凝土砂石骨料试验规程》（DL/T 5151—2001）中的砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法。

2.2 试验用原材料

水泥为峨嵋中热与双马中热水泥；骨料为砂岩骨料，具有潜在ASR反应活性。

试验用粉煤灰共12种，除普通粉煤灰外，还包括高钙粉煤灰（CaO＞8%）3种、高碱粉煤灰（碱含量＞1.5%）8种。云南阳宗海粉煤灰、北京华能高碑店粉煤灰、南京下关粉煤灰3种高钙灰以及内蒙高碱粉煤灰为自行搜集，其余粉煤灰均取自工程备选灰。粉煤灰的化学成分分析结果见表1。

2.3 试验方案

首先确定粉煤灰掺量为胶凝材料总掺量的35%，采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法进行抑制砂岩碱活性效果试验，根据以上试验结果分析粉煤灰中的氧化钙含量、碱含量及SiO2+Al2O3+Fe2O3含量对抑制砂岩碱活性效果的影响。

3 试验结果与分析

3.1 粉煤灰中氧化钙含量对抑制砂岩碱活性效果的影响

选用了CaO含量为（5±2.5）%的7种粉煤灰、CaO含量为8%～15%的3种粉煤灰以及CaO含量小于2.5%的2种粉煤灰，共12种粉煤灰进行抑制砂岩碱活性效果试验，水泥采用峨嵋中热和双马中热，粉煤灰掺量为35%，粉煤灰CaO含量与砂浆棒28d膨胀率关系见图1，与混凝土棱柱体一年膨胀率关系见图2。

从图1和图2可以看出，12种不同CaO含量的粉煤灰掺量为35%时均能显著抑制碱骨料反应，但砂浆棒试件和38℃混凝土棱柱体试件的膨胀率并不是随CaO含量的增加而简单增加，相关系数R2很低，说明不具有一定的相关性。由此可见CaO含量并不是决定粉煤灰抑制AAR反应的唯一因素，还需同时考虑粉煤灰其他化学成分的综合影响。

3.2 粉煤灰碱含量对抑制砂岩碱活性效果的影响

试验的12种粉煤中碱含量小于1.50%的有4种，碱含量大于1.50%的有8种，分别采用峨嵋水泥和双马水泥，粉煤灰掺量为35%，粉煤灰碱含量与砂浆棒28d膨胀率关系见图3，与混凝土棱柱体一年龄期膨胀率关系见图4。

从图3和图4可以看出，掺35%粉煤灰的砂浆棒试件和混凝土棱柱体试件的膨胀率与粉煤灰的碱含量并没有直接的相关性。

3.3 粉煤灰SiO2+Al2O3+Fe2O3含量对抑制砂岩碱活性效果的影响

试验用的12种粉煤灰SiO2+Al2O3+Fe2O3含量在75%～90%之间。粉煤灰SiO2+Al2O3+Fe2O3含量与砂浆棒28d膨胀率关系见图5，与混凝土棱柱体试件一年龄期膨胀率关系见图6。

从图5和图6可以看出，掺有35%粉煤灰的砂浆棒试件和混凝土棱柱体试件膨胀率与粉煤灰的SiO2+Al2O3+Fe2O3含量也没有直接的关系。由此可知，粉煤灰对AAR反应膨胀的抑制不是某一单一化学组成的不同，而是粉煤灰综合效应的体现。

3.4 大坝混凝土用粉煤灰品质控制指标的确定

从以上试验研究结果可以看出，单独用粉煤灰的CaO含量、碱含量以及SiO2+Al2O3+Fe2O3含量某一化学成分作为粉煤灰抑制碱骨料反应控制指标并不准确，应该建立客观可靠的粉煤灰品质评价分析模型，得出抑制骨料碱活性的粉煤灰控制指标。

根据国内外文献资料分析可知，粉煤灰的主要化学成分可以分为两类：一类是促进碱骨料反应的，有CaO、K2O、Na2O、MgO、SO3等；另一类是抑制碱骨料反应的，主要有SiO2、Al2O3和Fe2O3。为了综合考察粉煤灰各主要化学成分对碱骨料反应的作用，结合ASTMC618对粉煤灰分类，用粉煤灰化学成分因子Cfa来考察其与膨胀率之间的线性相关性，也即通过考察Cfa的值就可以推测粉煤灰抑制碱骨料反应的效果。Cfa的基本形式为：

式中：CaO、R2O、MgO、SO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3分别为粉煤灰各成分（其中R2O=Na2O+0.658K2O，为粉煤灰的等效碱含量）的质量百分数；X1～X6为各成分的回归系数。

利用1st Opt综合优化软件包对砂浆棒28d膨胀率和混凝土棱柱体试件一年龄期膨胀率与粉煤灰的各主要化学成分进行非线性回归分析，从而建立粉煤灰化学因子的表达式。所得化学因子与掺有35%粉煤灰的砂浆棒28d膨胀率和混凝土棱柱体试件一年龄期膨胀率关系分别见图7和图8。

从图7和图8可以看出，用粉煤灰化学成分因子表达式计算所得的化学因子与砂浆棒法28d膨胀率和混凝土棱柱体法一年膨胀率具有很好的相关性。不同水泥由于化学组成与细度不同，砂浆棒28d膨胀率和混凝土棱柱体一年膨胀率与粉煤灰化学成分因子尽管不相同，但都具有一定的相关性，说明用上述表达式计算所得的粉煤灰化学成分因子来衡量粉煤灰品质是一种可取的途径，下面将通过国内外研究成果来验证其可靠性。

3.4.1 南科院试验结果的验证

南京水利科学研究院（简称南科院）做了一系列粉煤灰化学组成对抑制骨料碱活性效果的影响研究[7]，采用砂浆棒快速法，南京海螺42.5普通硅酸盐水泥，水泥碱含量调整为1.0%，粉煤灰掺量为总胶凝材料的20%，骨料为南京某地天然河砂。试验的11种粉煤灰CaO含量从1.93%到11.64%，当量碱含量从0.49%到2.48%。用本研究得出的粉煤灰化学因子表达式计算南科院试验数据，得到的粉煤灰化学因子与砂浆棒14d膨胀率的关系见图9。

3.4.2 Shehata和Thomas试验结果的验证

Shehata和Thomas在1997年粉煤灰的化学组成对其碱骨料反应影响研究[6]，采用混凝土棱柱体法，粉煤灰掺量为25%，试验的15种粉煤灰CaO含量从5.57%～30.0%，当量碱含量从0.30%～4.79%。用本研究得出的粉煤灰化学因子表达式计算Shehata和Thomas试验数据，得到的粉煤灰化学因子与混凝土棱柱体两年膨胀率的关系见图10。

从上面验证文献试验可知：虽然他们所采用的试验方法不同（砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法），粉煤灰掺量不同（掺量分别为20%和25%），用本研究得出的粉煤灰化学成分因子表达式用膨胀率非线性回归得到的化学成分因子与膨胀率仍基本为线性，相关系数R2 分别为0.99和0.86，表明化学成分因子可以较好地反映粉煤灰抑制碱骨料反应的效果。但同时说明粉煤灰化学成分因子与水泥品种、粉煤灰掺量、骨料种类以及抑制效果评价方法都有关。

4 结论

（1）针对锦屏大坝混凝土，采用中热低碱水泥（峨嵋水泥和双马水泥），掺35%不同品种粉煤灰均能有效抑制砂岩骨料的碱活性。

（2）单独用粉煤灰的CaO含量、碱含量以及SiO2+Al2O3+Fe2O3含量某一化学成分作为粉煤灰抑制碱骨料反应控制指标并不准确，应用粉煤灰化学成分因子来综合评价，国内外研究成果已验证其可靠性。

参考文献

[1] 刘崇熙，文梓芸．坝工混凝土专论（一）：混凝土碱骨料反应．广州：华南理工大学出版社，1995.

[2] 中华人民共和国电力行业标准．DL/T 5151—2001，水工混凝土砂石骨料试验规程．中华人民共和国国家经济贸易委员会，北京，2002年9月．

[3] American Society of Testing and Materials.Standard Test Method for Effectiveness of Pozzolans or Ground Blast-Furnace Sla in Preventing Excessive Expansion of Concrete Due to Alkali-Silica Reaction.ASTM C441-02a, Annual Book of ASTM Standards, Vol.04.02,2003.

[4] Hobbs DW.Alkali-Silica Reaction in Concrete.Thomas Telford Ltd.,1988.

[5] 丁建彤，白银，蔡跃波，陈波．基于ASR抑制效果的粉煤灰物理化学品质指标 [J]．建筑材料学报，2010,13（4）:424-429.

[6] Shehata, M.H., Thomas, M.D.A. The Effect of Fly Ash Composition on the Expansion of Concrete due to Alkali Silica Reaction.Cement and Concrete Research,2000（30）, pp.1063-1072.

[7] 卢都友，刘珩，吕忆农，许仲梓．粉煤灰品质与抑制ASR膨胀的能力 [J]．南京工业大学学报：自然科学版，2003,25（3）:7-11.