堿性激發(fā)劑摻量對粉煤灰混凝土耐久性的分析

摘要：為改善粉煤灰混凝土的耐久性，以粉煤灰混凝土為對象，分析不同堿性激發(fā)劑摻量（0%、5%、8%、10%）對粉煤灰混凝土質量損失率、相對動彈性模量和抗壓強度的影響。采用掃描電鏡SEM和EDS光譜衍射圖對粉煤灰混凝土堿激發(fā)過程進行微觀分析。結果表明，隨著堿性激發(fā)劑摻量的增加，不同養(yǎng)護時間堿激發(fā)粉煤灰混凝土的抗壓強度均呈先增加后減小的趨勢。4種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土的質量損失率均隨凍融循環(huán)次數的增加而增加，堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土的質量損失率最?。?種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土的相對動彈性模量均隨凍融循環(huán)次數的增加而減小，堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土的相對動彈性模量減小幅度最?。?種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數的增加而減小，堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土抗壓強度最高、抗壓強度減小幅度最小。2種堿性激發(fā)劑摻量（0%、8%）下粉煤灰混凝土的主要元素均為Ca、O、C、Si、S。堿性激發(fā)劑摻量為8%時可以有效促進粉煤灰混凝土的水化反應，增加膠凝材料的水化產物含量，改善粉煤灰混凝土的力學性能和耐久性能。

關鍵詞：堿性激發(fā)劑；摻量；粉煤灰；混凝土；耐久性

中圖分類號：TU528" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）12-0178-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.12.032 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of the durability of fly ash concrete with alkaline activator dosage

LUO Jia-hui， GONG Ai-min， WANG Fu-lai， SHAO Shan-qing， WANG Ran， YONG Kang，JIN Zhuo，HUANG Yi-er

（Water Conservancy College， Yunnan Agricultural University， Kunming" 650201， China）

Abstract： To improve the durability of fly ash concrete， fly ash concrete was used as the object to analyze the effects of different alkaline activator dosages （0%， 5%， 8%， and 10%） on the quality loss rate， relative dynamic elastic modulus， and compressive strength of fly ash concrete. Microscopic analysis of the alkali excitation process in fly ash concrete was conducted using scanning electron microscopy （SEM） and EDS spectroscopic diffraction patterns. The results showed that with the increase of alkaline activator dosage， the compressive strength of alkali activated fly ash concrete at different curing times showed a trend of first increasing and then decreasing. The quality loss rate of fly ash concrete with four different alkaline activator dosages increased with the increase of freeze-thaw cycles， and the quality loss rate of fly ash concrete was the smallest when the alkaline activator dosage was 8%；the relative dynamic elastic modulus of fly ash concrete with four different alkaline activator dosages decreased with the increase of freeze-thaw cycles， and the decrease in relative dynamic elastic modulus of fly ash concrete was the smallest when the alkaline activator dosage was 8%；the compressive strength of fly ash concrete with four different alkaline activator dosages decreased with the increase of freeze-thaw cycles. When the alkaline activator dosage was 8%， the compressive strength of fly ash concrete was the highest and the decrease in compressive strength was the smallest. The main elements of fly ash concrete with two alkaline activators （0%， 8%） were Ca， O， C， Si， and S. When the dosage of the alkaline activator was 8%， it could effectively promote the hydration reaction of fly ash concrete， increase the hydration product content of cementitious materials， and improve the mechanical and durability properties of fly ash concrete.

Key words： alkaline activator； dosage； fly ash； concrete； durability

收稿日期：2023-10-12

基金項目：云南省教育廳科學研究基金項目（2022Y286）

作者簡介：羅加輝（1999-），男，云南文山人，碩士，主要從事水工材料研究，（電話）13619464336（電子信箱）3128923192@qq.com；通信作者，

龔愛民（1962-），男，云南祿豐人，教授，碩士，主要從事水工新材料的研究，（電話）13708457658（電子信箱）13708457658@163.com。

粉煤灰中含有大量的氧化物，在堿性環(huán)境下會發(fā)生水化反應，形成更緊密的膠泥物質，減少了水泥使用量［1］，同時提高混凝土的強度和耐久性。添加適量的堿性激發(fā)劑還可以改善混凝土的耐久性［2，3］和強度，進一步提高水泥與粉煤灰混合體系的關聯(lián)性。在一些寒冷地區(qū)，凍融循環(huán)是導致混凝土結構破壞的主要原因［4-6］，凍融循環(huán)會致使混凝土表面出現裂縫并發(fā)生剝落，使結構喪失承載能力，危害到結構的安全性，給國家和人民的財產造成損失，嚴重時危及人民群眾的生命安全［7，8］。

因此，越來越多的學者開始研究堿激發(fā)粉煤灰混凝土。魯佩儀等［9］的研究表明，堿激發(fā)粉煤灰混凝土的抗壓強度高于未摻堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土。顏文華［10］的研究表明，單摻熟石灰可以提高粉煤灰混凝土的抗壓強度，但是復摻熟石灰對粉煤灰混凝土抗壓強度影響更大，激發(fā)效果更好。艾純志等［11］的研究表明，粉煤灰混凝土材料的抗壓強度受到粉煤灰改性條件的影響。周衛(wèi)兵等［12］的研究表明，摻入Na2SiO3后顯著提高了粉煤灰加氣混凝土的抗壓強度。

本研究旨在探究不同堿性激發(fā)劑摻量對粉煤灰混凝土抗壓強度、抗凍融循環(huán)性能和微觀性能的影響，并且用掃描電鏡SEM和EDS觀測其水化反應產物、膠凝材料連接方式以及測定其元素含量。

1 材料與方法

1.1 材料

1）水泥。水泥為P·O 42.5級普通硅酸水泥，初凝時間為150 min，終凝時間為240 min，水泥性能如表1所示。

2）粉煤灰。粉煤灰選用F類Ⅱ級粉煤灰（FA），其物理性能如表2所示，化學成分如表3所示。

3）堿性激發(fā)劑。堿性激發(fā)劑為生石灰，其物理性能如表4所示。

4）減水劑。減水劑選用上海臣啟化工科技有限公司生產的固體聚羧酸高性能減水劑，減水率為28.9%，其性能參數如表5所示。

5）粗集料采用連續(xù)級配碎石，其粒徑為5～25 mm；細集料為機制砂，其表觀密度為2 675 kg/m3；水選用自來水。

1.2 試驗配合比設計

混凝土強度等級為C40，嚴格按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》［13］和GB/T 20146—2014《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》［14］進行設計，試驗砂率為38%，水膠比為32.9%。試驗的各組配合比如表6所示。B0為空白對照組，B5、B8、B10中分別摻入5%、8%、10%的堿性激發(fā)劑。

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強度試驗 按表6各項配合比進行拌合，裝入100 mm×100 mm×100 mm的模具中成型，每組制作9塊試件，放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護。待養(yǎng)護到規(guī)定齡期（7、28、56 d）時，每個齡期每組取3塊在TAW-3000型萬能壓力機上測定試件的抗壓強度并記錄數據，測定時荷載加載速率為0.5 kN/s。

1.3.2 耐久性試驗 混凝土長期遭受反復凍融后，其抗壓強度降低［15］?；炷恋膬鋈谄茐氖怯捎谒畠鼋Y膨脹和水解凍收縮引起的孔隙結構變化。在凍結過程中水的形態(tài)發(fā)生改變，由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)，體積擴大后孔隙結構發(fā)生變化，對混凝土內部施加了應力，使得混凝土產生裂縫和損傷。而在解凍過程中冰融化成水，占據比凍結前更小的體積，孔隙結構再次發(fā)生改變，導致混凝土發(fā)生收縮現象并產生內部應力，隨著凍融循環(huán)次數的不斷增加，混凝土的破壞程度和表面脫落現象愈發(fā)嚴重。

按照上述配合比設計凍融循環(huán)試驗，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》［16］標準養(yǎng)護28 d。融室溫度控制在-20～20 ℃，在達到養(yǎng)護標準前2 d時將試樣放在溫度為（20±3） ℃的水中浸泡，使試樣充分吸濕，增強試件與水之間的接觸，模擬混凝土在現實環(huán)境中的濕度條件，這樣可以更真實地評估混凝土在凍融過程中的力學性能和耐久性能。在分別凍融50、100、150、200、250、300次后，每組取3塊試件進行相對動彈性模量、質量損失率和抗壓強度的測定。

1.3.3 微觀性能分析 當養(yǎng)護齡期達28 d時，通過X射線衍射分析（EDS）和掃描電子顯微鏡（SEM）研究4種堿性激發(fā)劑摻量下粉煤灰混凝土微觀結構形態(tài)和相關水化產物。將樣品放入電鏡掃描儀中觀察其微觀性能，在樣品掃描之前需要先對樣品涂覆一層金屬薄膜涂層，再進行SEM分析。

EDS試驗是通過將混凝土樣品精細調整至適當角度，使其接受X射線的照射，從而生成一系列的X射線能譜并分析其主要成分，如水泥、粉煤灰、堿性激發(fā)劑等，并評估它們的分布情況。這有助于了解水化反應產物的成分，并探究混凝土在長期使用中可能存在的物理化學問題。

2 結果與分析

2.1 堿性激發(fā)劑摻量對粉煤灰混凝土抗壓強度的影響

由圖1可知，養(yǎng)護時間為7、28、56 d時，堿性激發(fā)劑摻量為0的混凝土抗壓強度均低于摻了堿性激發(fā)劑的混凝土，堿性激發(fā)劑的適量摻入可以提高粉煤灰混凝土的抗壓強度。

養(yǎng)護時間為7 d時，與未摻堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土相比，堿性激發(fā)劑摻量為5%、8%和10%時粉煤灰混凝土的抗壓強度分別提高26.20%、23.62%和13.65%。堿性激發(fā)劑摻量為5%時粉煤灰混凝土的抗壓強度最大，達34.2 MPa。

養(yǎng)護時間為28 d時，與未摻堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土相比，堿性激發(fā)劑摻量為5%、8%和10%時粉煤灰混凝土的抗壓強度分別提高5.71%、12.79%和4.34%。堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土的抗壓強度最大，達49.4 MPa。

養(yǎng)護時間為56 d時，與未摻堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土相比，堿性激發(fā)劑摻量為5%、8%和10%時粉煤灰混凝土的抗壓強度分別提高10.79%、16.39%和7.26%。堿性激發(fā)劑摻量為5%和10%時粉煤灰混凝土的抗壓強度相近，分別為53.4、51.7 MPa，其中堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土的抗壓強度最大，達56.1 MPa。養(yǎng)護齡期的增加對激發(fā)粉煤灰混凝土的抗壓強度有利，7 d抗壓強度lt;28 d抗壓強度lt;56 d抗壓強度。

隨堿性激發(fā)劑摻量的增加，不同養(yǎng)護時間堿激發(fā)粉煤灰混凝土的抗壓強度均呈先增加后減小的趨勢，與嚴武建等［17］的研究結果基本一致。產生這種情況的主要原因為開始時水泥與堿性激發(fā)劑產生水化反應，產生了具有膠凝性質的水化產物，填充混凝土內部的孔隙從而使其更加緊實，因此堿激發(fā)混凝土的抗壓強度得到提高；但隨著堿性激發(fā)劑的增加，水化產物也不斷增加，導致原本致密的骨架結構被破壞，抗壓強度降低。

2.2 堿激發(fā)粉煤灰混凝土耐久性能研究

當養(yǎng)護時間達28 d時，對堿激發(fā)粉煤灰混凝土進行凍融循環(huán)試驗。在凍融循環(huán)過程中，每50次凍融循環(huán)測定1次混凝土的質量損失率、相對動彈性模量［18］和抗壓強度。通過測定上述指標可以有效得出混凝土的物理性能變化規(guī)律和堿性激發(fā)劑摻量對粉煤灰混凝土耐久性能的影響。在測定質量損失率時，稱重前需將試樣置于60 ℃的干燥室中烘干，最終得到不同堿性激發(fā)劑摻量和不同凍融循環(huán)次數下混凝土試塊的質量損失率。

2.2.1 堿性激發(fā)劑摻量對凍融循環(huán)后質量損失率的影響 不同堿性激發(fā)劑摻量下的粉煤灰混凝土質量損失率與凍融次數的關系如圖2所示。4種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土的質量損失率均隨著凍融循環(huán)次數的增加而增加。堿性激發(fā)劑摻量為8%時質量損失率最小，而未摻堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土質量損失率最大。因此在一些特殊地域的工程中需要對堿激發(fā)粉煤灰混凝土的抗凍性能做好評估工作。

凍融循環(huán)達200次時，堿性激發(fā)劑摻量為0%、5%、8%和10%時粉煤灰混凝土質量損失率分別為1.04%、0.74%、0.64%和0.81%。堿性激發(fā)劑摻量為5%、8%時質量損失率較小，能夠有效激發(fā)粉煤灰與水泥之間的活性和水化反應，從而改善粉煤灰混凝土的耐久性。因此改善粉煤灰混凝土的抗凍融能力需摻入適量的堿性激發(fā)劑，但過量摻入反而會對粉煤灰混凝土抗凍融能力產生不利影響。

2.2.2 堿性激發(fā)劑摻量對凍融循環(huán)后相對動彈性模量的影響 材料的相對動彈性模量是研究材料特性的重要參數［19］。不同堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土相對動彈性模量與凍融次數的關系如圖3所示。4種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土相對動彈性模量均隨凍融循環(huán)次數的增加而減小，且減小的速率呈加快的趨勢。摻了堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土相對動彈性模量均比未摻堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土相對動彈性模量大。相較于其他堿性激發(fā)劑摻量，堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土的相對動彈性模量減小幅度最小。

凍融循環(huán)達300次時，堿性激發(fā)劑摻量為0%、5%、8%和10%時粉煤灰混凝土相對動彈性模量相較初始狀態(tài)分別減少37.6%、23.7%、21.4%和27.9%，其中堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土相對動彈性模量最大。堿性激發(fā)劑的摻入能夠改善粉煤灰混凝土的抗凍融循環(huán)能力，但是需摻入適量的堿性激發(fā)劑。堿激發(fā)粉煤灰混凝土中含有一定量的堿性物質（如氫氧化鈣），在凍融循環(huán)中這些堿性物質與水發(fā)生反應，形成一些溶解物質。這些溶解物質可能會導致混凝土內部的化學反應，進一步引起微裂紋的形成和擴展，從而使堿激發(fā)粉煤灰混凝土相對動彈性模量降低。

2.2.3 堿性激發(fā)劑摻量對凍融循環(huán)后抗壓強度的影響 不同堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土抗壓強度與凍融循環(huán)次數的關系如圖4所示。4種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數的增加而減小。凍融循環(huán)達300次時，堿性激發(fā)劑摻量為0%、5%、8%和10%時粉煤灰混凝土的抗壓強度較初始狀態(tài)分別減少35.16%、27.00%、20.85%和29.10%。在粉煤灰混凝土中摻入適量的堿性激發(fā)劑能夠改善混凝土的抗凍融性能。而在整個凍融循環(huán)過程中，堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土抗壓強度最高、抗壓強度減小幅度最小。

2.3 SEM電鏡圖像分析

圖5為堿性激發(fā)劑摻量為0%時粉煤灰混凝土的SEM圖，圖5a顯示粉煤灰混凝土在抗壓之后有裂縫出現，寬度約為1 μm，且伴隨著大量大小各異的粉煤灰顆粒，其粒徑為1～10 μm，表現出聚集性較差、表面較光滑和高度分布不均勻等特征。圖5b為放大5 000倍后的粉煤灰顆粒，粉煤灰顆粒表面周圍伴有大量的水化產物鈣礬石和硅酸鹽凝膠，并鑲嵌到基質中，與水泥、骨料和水化產物緊密連接，該現象與Thomas等［19］的研究結果相似。

圖6、圖7和圖8分別為堿性激發(fā)劑摻量為5%、8%和10%時粉煤灰混凝土SEM掃描圖。堿性激發(fā)劑摻量為5%時，試件內部骨料排列疏松，水化產物較少，孔隙較多，含有大量的圓球狀粉煤灰顆粒。與未摻堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土相比，加了堿性激發(fā)劑的粉煤灰混凝土表面形貌、孔隙結構、水化反應產物和表面粗糙度發(fā)生了較大變化。堿性激發(fā)劑摻量為8%時，試件內部粉煤灰顆粒較少，孔隙減少，內部骨料的接觸和排列更致密，絮狀產物更多，更容易粘結成團狀，且水化產物膠凝相互緊密連接。與堿性激發(fā)劑摻量為8%相比，堿性激發(fā)劑摻量為10%時試件內部水化產物增多，但絮狀產物減少，水化產物多為片狀或針狀，孔隙增多，內部骨料的接觸與排列也變的疏松，削弱了混凝土結構。這也驗證了“2.1”的試驗結果，即當堿性激發(fā)劑摻量大于8%時，混凝土抗壓強度隨堿性激發(fā)劑摻量的增加而減小。對比分析4種堿性激發(fā)劑摻量下的粉煤灰混凝土電鏡掃描圖像后可知，最佳堿性激發(fā)劑摻量為8%，表明適當的堿性激發(fā)劑可以有效提高試件整體的密實度，進而改善粉煤灰混凝土的力學性能和耐久性能。

2.4 EDS試驗結果分析

通過SEM的掃描結果，選出堿性激發(fā)劑最佳摻量為8%的試件和堿性激發(fā)劑摻量為0%時的粉煤灰混凝土試件進行EDS分析，進一步觀察堿性激發(fā)劑摻入后水化產物和元素含量的差異。圖9和圖10分別為堿性激發(fā)劑摻量為0%和8%時粉煤灰混凝土凝膠產物的EDS掃描圖像。通過對片狀的水化產物進行EDS分析，2種摻量下粉煤灰混凝土的主要元素為Ca、O、C、Si、S。堿性激發(fā)劑摻量為0%時粉煤灰混凝土的Ca、Si、O、C、S的含量分別為32.16%、27.25%、5.35%、3.84%和2.09%（由于S含量較低，因此在圖中未顯示）。堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土的Ca、S、Si、O、C的含量分別為48.62%、35.64%、5.76%、9.91%和3.06%。

對二者的元素含量進行比較，堿性激發(fā)劑摻量為8%的水化產物中鈣含量更高，這是因為生石灰中含有大量CaO，會增加混凝土中的鈣含量。水化產物主要成分為硅酸鹽膠凝和未完全反應的氧化鈣，與堿性激發(fā)劑摻量為0%時的粉煤灰混凝土水化產物區(qū)別在于，使用生石灰作為堿性激發(fā)劑可以增加硅酸鈣水化物的生成，形成更多的C-S-H凝膠。

此外，生石灰中的CaO會與粉煤灰中的Al2O3、SiO2進一步反應形成水化產物，增加了鋁酸鹽水化物的生成，可以進一步填充混凝土中的孔隙。因此，使用生石灰作為堿性激發(fā)劑可以有效提高粉煤灰混凝土水化產物的穩(wěn)定性、力學性能和耐久性能。

3 小結

1）最佳堿性激發(fā)劑摻量為8%，適當的堿性激發(fā)劑可以有效提高試件整體的密實度，進而改善粉煤灰混凝土的力學性能和耐久性能。

2）4種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土的質量損失率均隨凍融循環(huán)次數的增加而增加，堿性激發(fā)劑摻量為8%時，粉煤灰混凝土的質量損失率最小，而堿性激發(fā)劑摻量為0%時，粉煤灰混凝土質量損失率最大。4種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土的相對動彈性模量均隨凍融循環(huán)次數的增加而減小，且減小的速率呈加快的趨勢；堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土的相對動彈性模量減小幅度最小。4種堿性激發(fā)劑摻量的粉煤灰混凝土抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數的增加而減小；在整個凍融循環(huán)過程中，堿性激發(fā)劑摻量為8%時粉煤灰混凝土抗壓強度最高、抗壓強度減小幅度最小。

3）通過對片狀的水化產物進行EDS分析，2種堿性激發(fā)劑摻量（0%、8%）下粉煤灰混凝土的主要元素均為Ca、O、C、Si、S，對二者的元素含量進行比較，堿性激發(fā)劑摻量為8%的水化產物中鈣含量更高。

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