中美粉煤灰試驗方法和性能要求標準分析

耿士超，張 成，鄧兆勛，寧順才

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

下凱富峽水電站位于贊比亞首都盧薩卡東南約90 km的Kafue河上，電站壩址距上游已建的上凱富峽電站尾水出口約6 km。本工程以發(fā)電為主，正常蓄水位579.0 m，庫容8 300萬m3，裝機容量5×150 MW，混流式機組。

工程樞紐建筑物包括RCC攔河壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸引水系統(tǒng)、調(diào)壓井和地面式廠房。下凱富峽水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂長度374.5 m，壩頂高程581 m，壩基高程450.5 m，最大壩高130.5 m，共分為19個壩段，其中4個溢流壩段、左岸7個擋水壩段和右岸8個擋水壩段；大壩中部設3孔溢洪道，弧門寬度15 m，高18 m。另在12號壩段EL 523高程設置直徑1 m的生態(tài)放水孔。其中RCC攔河壩需要澆筑碾壓混凝土約129萬m3，總投資15億美元。混凝土采用美國標準即ASTM規(guī)范，需要現(xiàn)場試驗室針對不同的規(guī)范對粉煤灰進行比對、檢測和判定。

1 粉煤灰性能要求對比

1.1 粉煤灰應用范圍的差異

ACI標準屬于歐美常用標準，主要內(nèi)容是歐美國家對粉煤灰的應用成果介紹，通過研究成果給其他在建及策劃項目以指導的參考性文件，不同于國內(nèi)標準有行業(yè)劃分，限制要求相對較為寬泛，ACI標準側(cè)重于指出粉煤灰的標準制定依據(jù)和成果介紹。

國標中對粉煤灰有具體的技術要求，不同建筑行業(yè)根據(jù)自身的工程的特點有自己的標準要求，例如水利行業(yè)標準、電力行業(yè)標準、建筑行業(yè)標準。國標對粉煤灰提出了具體的技術要求，指標詳細，不同建筑行業(yè)粉煤灰的技術指標略有不同，標準結果一般都嚴于國標要求。

1.2 粉煤灰各項性能指標方面的差異

粉煤灰的指標雙控：中國標準基本都是單一的檢測項目，美國標準往往會出現(xiàn)雙控指標。粉煤灰ACI 232.2R-03中對于F類就是考慮粉煤灰燒失量與細度兩個指標：F類粉煤灰當燒失量超過6%時，要求最大篩余量小于34%（篩子尺寸45 μm）。

粉煤灰生產(chǎn)穩(wěn)定性要求：中國國標要求較為寬泛GB/T 1596-2005僅僅以細度為控制標準。電力標準DL/T 5055-2007以需水量比和細度為控制標準。歐美標準更重視生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定性。ACI 232.2R-03提出了粉煤灰密度和細度變化的連續(xù)性要求，即對一段時間內(nèi)生產(chǎn)的粉煤灰細度和密度結果，進行數(shù)理統(tǒng)計法分析，根據(jù)離差系數(shù)的大小判斷是否生產(chǎn)穩(wěn)定。

粉煤灰的干縮性能（砂漿棒法）：中國標準無粉煤灰干縮性能要求。部分品種的粉煤灰摻入混凝土量超過30%，會出現(xiàn)明顯的干縮狀況，歐美標準充分考慮到這方面的問題，在ACI 232.2R-03中提出粉煤灰干縮要求，當購買方提出要求，需要進行純水泥砂漿與摻粉煤灰砂漿制成砂漿棒，通過砂漿棒法進行對比試驗，觀察28 d后，干縮率是否明顯增加。

2 粉煤灰基本檢測參數(shù)試驗方法具體差異

2.1 粉煤灰活性指數(shù)

ASTMC 311膠砂法見表1，中國國標GB/T 1596膠砂法見表2。

通過對比膠砂和試驗膠砂，分別按照規(guī)范規(guī)定進行攪拌、試件成型和養(yǎng)護，試件體養(yǎng)護至齡期后，進行對比膠砂和試驗膠砂抗壓強度對比。從上面可以看出粉煤灰活性指數(shù)的檢測方法上均選用了膠砂強度對比的方法，但粉煤灰摻量的不同，相同的樣品檢測結果，美國規(guī)范的活性指數(shù)結果高于國內(nèi)規(guī)范。

表1 膠砂配比表[5] 單位：g

表2 膠砂配比表[3]

2.2 燒失量

中國電標DL/T 5055，烘干試驗約1 g，放置在高溫爐內(nèi)950℃±25℃條件下，灼燒15～20 min[2]。

ASTMC 311，烘干試驗約1 g，放置在高溫爐內(nèi)750℃±50℃條件下，初始15 min，稱量一次，隨后5 min稱量一次，灼燒至恒重。

從方法上分析試驗設備基本相同，試驗條件設置的溫度差別較大。國內(nèi)規(guī)范通過調(diào)高溫度，在950℃高溫條件下，使粉煤灰的燃燒更充分，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的粉煤灰生產(chǎn)工藝，合理考量確定燃燒時間和溫度，更貼近實際操作，更容易進行現(xiàn)場試驗。美國規(guī)范偏向于理論化，通過現(xiàn)有的粉煤灰收集工藝，理論上認定，750℃可使粉煤灰內(nèi)未燃燒完全的有害物質(zhì)完全燃燒，通過多次灼燒后稱量，以恒重確定燒失量，結果更接近理論值，實際操作難度加大。

2.3 細度

電標DL/T 5055采用干篩法，烘干樣品約10 g放置在4 000～6 000 Pa負壓狀態(tài)下過0.045 mm篩，篩分3 min[2]。（停機后注意觀察篩余物，當出現(xiàn)顆粒成球、粘篩或有細顆粒沉淀在篩框邊緣，用毛刷在將細顆粒輕輕刷開，將定時開關設定在手動位置，再篩析1～3 min，直至篩分徹底為止）。

試驗原理：利用氣流作為篩分的動力和介質(zhì)，通過螺旋的噴嘴噴出的氣流作用使篩網(wǎng)里的待測粉狀物料呈流態(tài)化，并在整個系統(tǒng)負壓的作用下，將細顆粒通過篩網(wǎng)抽走，從而達到篩分的目的。

ASTMC 311采用濕篩法，烘干樣品約1g放置在65 000～73 000 Pa水壓下0.045 mm篩，沖洗1 min。篩余烘干至恒重[5]。

試驗原理：利用水流和水壓力作為篩分的動力和介質(zhì)，通過噴嘴噴出的水流作用使篩網(wǎng)里的待測粉狀物料呈留態(tài)化，并在水壓的作用下，將細顆粒通過篩網(wǎng)抽走，從而達到篩分的目的。

細度檢測國內(nèi)外在方法上有顯著的不同點，歐美規(guī)范很習慣于選擇濕篩法進行，優(yōu)點是篩網(wǎng)不易變形，降低篩孔堵塞，提高準確率。干篩法提高準確率，首先要注意篩分后是否有球狀剩余物，因為我國很多地區(qū)氣候潮濕，大多工地試驗設施相對簡陋，空氣濕度偏大時，篩析過程中極易發(fā)生粉煤灰成球狀的現(xiàn)象，造成檢測結果誤差；其次需要定期對負壓篩進行期間核查，并用標準粉對粉煤灰篩網(wǎng)進行定期標定，修正篩網(wǎng)系數(shù)。

通過多次試驗驗證，干篩法和濕篩法檢測結果相近。

2.4 含水率

中國電標DL/T 5055，樣品50 g放置在烘箱內(nèi)溫度105℃～110℃，烘干至恒重[2]。

ASTMC 311，樣品10 g放置在烘箱內(nèi)溫度105℃～110℃，烘干至恒重[5]。

試驗原理均采用粉煤灰放入規(guī)定的烘干箱內(nèi)烘至恒重，以烘干前與烘干后的試驗質(zhì)量差，與烘干前的質(zhì)量之比，確定粉煤灰的含水量。

含水率檢測國內(nèi)外標準基本一致。

2.5 安定性

中國電標DL/T 5055沸煮法

表3 凈漿配比表[2]

養(yǎng)護24 h±2 h，放置在沸煮箱內(nèi)180 min±5 min。

沸煮法試驗原理：應用雷氏夾測定儀,檢測粉煤灰中游離氧化鈣造成的體積安定性，從而評判粉煤灰的質(zhì)量。

ASTMC 311蒸壓法：首先成型水泥漿液試件，在溫度216℃±2℃、壓力2.4 MPa±5%條件下蒸煮3 h，測量其膨脹率[5]。

試驗原理：蒸壓沸煮法應用蒸壓釜蒸壓后測定試件膨脹率，從而判定被檢測粉煤灰中游離氧化鈣造成的體積安定性是否合格，以此評判粉煤灰的質(zhì)量。

英國規(guī)范與中國國標相近，采用沸煮法檢測粉煤灰。

2.6 需水量比

中國電標DL/T 5055見表4。

表4 膠砂配比表[2]

試驗原理：測定試驗膠砂與對比膠砂的流動度，以二者之間的流動度達到130～140 mm時，加水量之比確定粉煤灰的需水量比。

ASTMC 311見表5。

表5 凈漿配比表[5]

試驗原理：測定試驗凈漿與對比凈漿，達到標準稠度時的加水量之比，確定粉煤灰的需水量比。

歐美規(guī)范采用凈漿法測定需水量比，中國國標采用膠砂流動度法測定粉煤灰需水量比。

3 判定標準對比結果

表6 標準要求對比表[4]

活性指標。國內(nèi)對粉煤灰活性指沒有具體要求，歐美規(guī)范對粉煤灰7 d、28 d，膠砂強度比均有要求?？梢钥闯鰵W美規(guī)范更注重粉煤灰后期強度的增長，將粉煤灰后期強度增長做了具體的要求。

判定標準。國內(nèi)規(guī)范中，粉煤灰的分級不考慮是C類還是F類，均采用統(tǒng)一標準分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級。美國規(guī)范則是根據(jù)粉煤灰的生產(chǎn)工藝進行分類，根據(jù)粉煤灰的燒失量，界定粉煤灰的類別。

粉煤灰細度的界定。國內(nèi)規(guī)范通過篩余量分為三個等級，而美國規(guī)范相對寬松，只要≤34%都符合規(guī)范要求。美國規(guī)范更注重粉煤灰在混凝土中的性能狀態(tài)，對其本身物理指標相對要求寬泛，只要應用于混凝土中的粉煤灰，體現(xiàn)出自身的微集料效應、形態(tài)效應、活性效應即可應用于生產(chǎn)過程。

粉煤灰含水量。歐美規(guī)范比國內(nèi)規(guī)范更加寬泛。

安定性。英國規(guī)范與中國國標相近，采用沸煮法檢測粉煤灰。美國規(guī)范采用蒸壓法，通過高溫高壓的方式測定試件膨脹率，是通過模擬手段，加速粉煤灰在混凝土中的作用，從而充分反映摻粉煤灰混凝土后期的膨脹率，避免摻粉煤灰混凝土后期膨脹率過高，導致裂縫等缺陷產(chǎn)生。雖然方法不同，但都是通過高溫、高壓來加速粉煤灰膨脹，以檢測摻粉煤灰凈漿試件的膨脹情況。

需水量比。中國國標采用水泥膠砂流動度法檢測，通過基準的純水泥與摻入30%粉煤灰膠砂的用水量百分比，來測定需水量比。美國標準采用凈漿法檢測，通過基準的純水泥與摻入25%粉煤灰凈漿，在標準稠度時用水量的百分比來測定需水量比。兩種方法不同，粉煤灰的摻量也不同，判別標準因粉煤灰的生產(chǎn)工藝不同結果也大不相同，判定結果上歐美規(guī)范根據(jù)各種類型粉煤灰進行不同分類，中國國標則根據(jù)試驗結果統(tǒng)一判定為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級。

4 結論

國標與歐美標準針對粉煤灰的定義與分類方法基本一致。

歐美標準詳細介紹了粉煤灰的玻璃體成分、物理特性及化學成分，通過分析說明對粉煤灰的影響，國標中無相關內(nèi)容介紹。

國標與歐美標準中對粉煤灰的活性指數(shù)、燒失量、細度、含水率、安定性、需水量比在試驗方法及技術指標方面均存在一定差異。其中細度和安定性方法差別較大，將直接影響粉煤灰等級判定結果。

美國規(guī)范中ACI標準結合ASTM C 595、ASTM C 1157，對粉煤灰在混凝土中的應用做了全面的解讀，根據(jù)不同區(qū)域的氣候環(huán)境和外加劑摻量等條件下的配合比調(diào)整做了簡要的介紹，沒有計算公式、技術指標要求和試驗方法。在國內(nèi)水電標準DL/T5055-2007中，對粉煤灰在水工混凝土中的應用提出了明確規(guī)定，對粉煤灰最大摻量、膠凝材料用量、配合比設計以及施工過程中的養(yǎng)護等方面均做了詳細要求。

綜上所述，歐美粉煤灰規(guī)范主要用于指導工程策劃和設計，沒有行業(yè)區(qū)分和限制，更注重指標依據(jù)和技術原理的分析，指標相對較為寬泛，更多從理論角度論述成果，從而去指導施工。國內(nèi)規(guī)范規(guī)定相對更具體，適宜現(xiàn)場操作，有明確的行業(yè)和區(qū)域限制。