碱性激发剂掺量对粉煤灰混凝土耐久性的分析

摘要：为改善粉煤灰混凝土的耐久性，以粉煤灰混凝土为对象，分析不同碱性激发剂掺量（0%、5%、8%、10%）对粉煤灰混凝土质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度的影响。采用扫描电镜SEM和EDS光谱衍射图对粉煤灰混凝土碱激发过程进行微观分析。结果表明，随着碱性激发剂掺量的增加，不同养护时间碱激发粉煤灰混凝土的抗压强度均呈先增加后减小的趋势。4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土的质量损失率均随冻融循环次数的增加而增加，碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土的质量损失率最小；4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土的相对动弹性模量均随冻融循环次数的增加而减小，碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土的相对动弹性模量减小幅度最小；4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土抗压强度均随冻融循环次数的增加而减小，碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土抗压强度最高、抗压强度减小幅度最小。2种碱性激发剂掺量（0%、8%）下粉煤灰混凝土的主要元素均为Ca、O、C、Si、S。碱性激发剂掺量为8%时可以有效促进粉煤灰混凝土的水化反应，增加胶凝材料的水化产物含量，改善粉煤灰混凝土的力学性能和耐久性能。

关键词：碱性激发剂；掺量；粉煤灰；混凝土；耐久性

中图分类号：TU528" " " " "文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）12-0178-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.12.032 开放科学（资源服务）标识码（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

基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目（2022Y286）

作者简介：罗加辉（1999-），男，云南文山人，硕士，主要从事水工材料研究，（电话）13619464336（电子信箱）3128923192@qq.com；通信作者，

龚爱民（1962-），男，云南禄丰人，教授，硕士，主要从事水工新材料的研究，（电话）13708457658（电子信箱）13708457658@163.com。

粉煤灰中含有大量的氧化物，在碱性环境下会发生水化反应，形成更紧密的胶泥物质，减少了水泥使用量［1］，同时提高混凝土的强度和耐久性。添加适量的碱性激发剂还可以改善混凝土的耐久性［2，3］和强度，进一步提高水泥与粉煤灰混合体系的关联性。在一些寒冷地区，冻融循环是导致混凝土结构破坏的主要原因［4-6］，冻融循环会致使混凝土表面出现裂缝并发生剥落，使结构丧失承载能力，危害到结构的安全性，给国家和人民的财产造成损失，严重时危及人民群众的生命安全［7，8］。

因此，越来越多的学者开始研究碱激发粉煤灰混凝土。鲁佩仪等［9］的研究表明，碱激发粉煤灰混凝土的抗压强度高于未掺碱性激发剂的粉煤灰混凝土。颜文华［10］的研究表明，单掺熟石灰可以提高粉煤灰混凝土的抗压强度，但是复掺熟石灰对粉煤灰混凝土抗压强度影响更大，激发效果更好。艾纯志等［11］的研究表明，粉煤灰混凝土材料的抗压强度受到粉煤灰改性条件的影响。周卫兵等［12］的研究表明，掺入Na2SiO3后显著提高了粉煤灰加气混凝土的抗压强度。

本研究旨在探究不同碱性激发剂掺量对粉煤灰混凝土抗压强度、抗冻融循环性能和微观性能的影响，并且用扫描电镜SEM和EDS观测其水化反应产物、胶凝材料连接方式以及测定其元素含量。

1 材料与方法

1.1 材料

1）水泥。水泥为P·O 42.5级普通硅酸水泥，初凝时间为150 min，终凝时间为240 min，水泥性能如表1所示。

2）粉煤灰。粉煤灰选用F类Ⅱ级粉煤灰（FA），其物理性能如表2所示，化学成分如表3所示。

3）碱性激发剂。碱性激发剂为生石灰，其物理性能如表4所示。

4）减水剂。减水剂选用上海臣启化工科技有限公司生产的固体聚羧酸高性能减水剂，减水率为28.9%，其性能参数如表5所示。

5）粗集料采用连续级配碎石，其粒径为5～25 mm；细集料为机制砂，其表观密度为2 675 kg/m3；水选用自来水。

1.2 试验配合比设计

混凝土强度等级为C40，严格按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》［13］和GB/T 20146—2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》［14］进行设计，试验砂率为38%，水胶比为32.9%。试验的各组配合比如表6所示。B0为空白对照组，B5、B8、B10中分别掺入5%、8%、10%的碱性激发剂。

1.3 试验方法

1.3.1 抗压强度试验 按表6各项配合比进行拌合，装入100 mm×100 mm×100 mm的模具中成型，每组制作9块试件，放入标准养护室中养护。待养护到规定龄期（7、28、56 d）时，每个龄期每组取3块在TAW-3000型万能压力机上测定试件的抗压强度并记录数据，测定时荷载加载速率为0.5 kN/s。

1.3.2 耐久性试验 混凝土长期遭受反复冻融后，其抗压强度降低［15］。混凝土的冻融破坏是由于水冻结膨胀和水解冻收缩引起的孔隙结构变化。在冻结过程中水的形态发生改变，由液态转变为固态，体积扩大后孔隙结构发生变化，对混凝土内部施加了应力，使得混凝土产生裂缝和损伤。而在解冻过程中冰融化成水，占据比冻结前更小的体积，孔隙结构再次发生改变，导致混凝土发生收缩现象并产生内部应力，随着冻融循环次数的不断增加，混凝土的破坏程度和表面脱落现象愈发严重。

按照上述配合比设计冻融循环试验，参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》［16］标准养护28 d。融室温度控制在-20～20 ℃，在达到养护标准前2 d时将试样放在温度为（20±3） ℃的水中浸泡，使试样充分吸湿，增强试件与水之间的接触，模拟混凝土在现实环境中的湿度条件，这样可以更真实地评估混凝土在冻融过程中的力学性能和耐久性能。在分别冻融50、100、150、200、250、300次后，每组取3块试件进行相对动弹性模量、质量损失率和抗压强度的测定。

1.3.3 微观性能分析 当养护龄期达28 d时，通过X射线衍射分析（EDS）和扫描电子显微镜（SEM）研究4种碱性激发剂掺量下粉煤灰混凝土微观结构形态和相关水化产物。将样品放入电镜扫描仪中观察其微观性能，在样品扫描之前需要先对样品涂覆一层金属薄膜涂层，再进行SEM分析。

EDS试验是通过将混凝土样品精细调整至适当角度，使其接受X射线的照射，从而生成一系列的X射线能谱并分析其主要成分，如水泥、粉煤灰、碱性激发剂等，并评估它们的分布情况。这有助于了解水化反应产物的成分，并探究混凝土在长期使用中可能存在的物理化学问题。

2 结果与分析

2.1 碱性激发剂掺量对粉煤灰混凝土抗压强度的影响

由图1可知，养护时间为7、28、56 d时，碱性激发剂掺量为0的混凝土抗压强度均低于掺了碱性激发剂的混凝土，碱性激发剂的适量掺入可以提高粉煤灰混凝土的抗压强度。

养护时间为7 d时，与未掺碱性激发剂的粉煤灰混凝土相比，碱性激发剂掺量为5%、8%和10%时粉煤灰混凝土的抗压强度分别提高26.20%、23.62%和13.65%。碱性激发剂掺量为5%时粉煤灰混凝土的抗压强度最大，达34.2 MPa。

养护时间为28 d时，与未掺碱性激发剂的粉煤灰混凝土相比，碱性激发剂掺量为5%、8%和10%时粉煤灰混凝土的抗压强度分别提高5.71%、12.79%和4.34%。碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土的抗压强度最大，达49.4 MPa。

养护时间为56 d时，与未掺碱性激发剂的粉煤灰混凝土相比，碱性激发剂掺量为5%、8%和10%时粉煤灰混凝土的抗压强度分别提高10.79%、16.39%和7.26%。碱性激发剂掺量为5%和10%时粉煤灰混凝土的抗压强度相近，分别为53.4、51.7 MPa，其中碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土的抗压强度最大，达56.1 MPa。养护龄期的增加对激发粉煤灰混凝土的抗压强度有利，7 d抗压强度lt;28 d抗压强度lt;56 d抗压强度。

随碱性激发剂掺量的增加，不同养护时间碱激发粉煤灰混凝土的抗压强度均呈先增加后减小的趋势，与严武建等［17］的研究结果基本一致。产生这种情况的主要原因为开始时水泥与碱性激发剂产生水化反应，产生了具有胶凝性质的水化产物，填充混凝土内部的孔隙从而使其更加紧实，因此碱激发混凝土的抗压强度得到提高；但随着碱性激发剂的增加，水化产物也不断增加，导致原本致密的骨架结构被破坏，抗压强度降低。

2.2 碱激发粉煤灰混凝土耐久性能研究

当养护时间达28 d时，对碱激发粉煤灰混凝土进行冻融循环试验。在冻融循环过程中，每50次冻融循环测定1次混凝土的质量损失率、相对动弹性模量［18］和抗压强度。通过测定上述指标可以有效得出混凝土的物理性能变化规律和碱性激发剂掺量对粉煤灰混凝土耐久性能的影响。在测定质量损失率时，称重前需将试样置于60 ℃的干燥室中烘干，最终得到不同碱性激发剂掺量和不同冻融循环次数下混凝土试块的质量损失率。

2.2.1 碱性激发剂掺量对冻融循环后质量损失率的影响 不同碱性激发剂掺量下的粉煤灰混凝土质量损失率与冻融次数的关系如图2所示。4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土的质量损失率均随着冻融循环次数的增加而增加。碱性激发剂掺量为8%时质量损失率最小，而未掺碱性激发剂的粉煤灰混凝土质量损失率最大。因此在一些特殊地域的工程中需要对碱激发粉煤灰混凝土的抗冻性能做好评估工作。

冻融循环达200次时，碱性激发剂掺量为0%、5%、8%和10%时粉煤灰混凝土质量损失率分别为1.04%、0.74%、0.64%和0.81%。碱性激发剂掺量为5%、8%时质量损失率较小，能够有效激发粉煤灰与水泥之间的活性和水化反应，从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冻融能力需掺入适量的碱性激发剂，但过量掺入反而会对粉煤灰混凝土抗冻融能力产生不利影响。

2.2.2 碱性激发剂掺量对冻融循环后相对动弹性模量的影响 材料的相对动弹性模量是研究材料特性的重要参数［19］。不同碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土相对动弹性模量与冻融次数的关系如图3所示。4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土相对动弹性模量均随冻融循环次数的增加而减小，且减小的速率呈加快的趋势。掺了碱性激发剂的粉煤灰混凝土相对动弹性模量均比未掺碱性激发剂的粉煤灰混凝土相对动弹性模量大。相较于其他碱性激发剂掺量，碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土的相对动弹性模量减小幅度最小。

冻融循环达300次时，碱性激发剂掺量为0%、5%、8%和10%时粉煤灰混凝土相对动弹性模量相较初始状态分别减少37.6%、23.7%、21.4%和27.9%，其中碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土相对动弹性模量最大。碱性激发剂的掺入能够改善粉煤灰混凝土的抗冻融循环能力，但是需掺入适量的碱性激发剂。碱激发粉煤灰混凝土中含有一定量的碱性物质（如氢氧化钙），在冻融循环中这些碱性物质与水发生反应，形成一些溶解物质。这些溶解物质可能会导致混凝土内部的化学反应，进一步引起微裂纹的形成和扩展，从而使碱激发粉煤灰混凝土相对动弹性模量降低。

2.2.3 碱性激发剂掺量对冻融循环后抗压强度的影响 不同碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土抗压强度与冻融循环次数的关系如图4所示。4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土抗压强度均随冻融循环次数的增加而减小。冻融循环达300次时，碱性激发剂掺量为0%、5%、8%和10%时粉煤灰混凝土的抗压强度较初始状态分别减少35.16%、27.00%、20.85%和29.10%。在粉煤灰混凝土中掺入适量的碱性激发剂能够改善混凝土的抗冻融性能。而在整个冻融循环过程中，碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土抗压强度最高、抗压强度减小幅度最小。

2.3 SEM电镜图像分析

图5为碱性激发剂掺量为0%时粉煤灰混凝土的SEM图，图5a显示粉煤灰混凝土在抗压之后有裂缝出现，宽度约为1 μm，且伴随着大量大小各异的粉煤灰颗粒，其粒径为1～10 μm，表现出聚集性较差、表面较光滑和高度分布不均匀等特征。图5b为放大5 000倍后的粉煤灰颗粒，粉煤灰颗粒表面周围伴有大量的水化产物钙矾石和硅酸盐凝胶，并镶嵌到基质中，与水泥、骨料和水化产物紧密连接，该现象与Thomas等［19］的研究结果相似。

图6、图7和图8分别为碱性激发剂掺量为5%、8%和10%时粉煤灰混凝土SEM扫描图。碱性激发剂掺量为5%时，试件内部骨料排列疏松，水化产物较少，孔隙较多，含有大量的圆球状粉煤灰颗粒。与未掺碱性激发剂的粉煤灰混凝土相比，加了碱性激发剂的粉煤灰混凝土表面形貌、孔隙结构、水化反应产物和表面粗糙度发生了较大变化。碱性激发剂掺量为8%时，试件内部粉煤灰颗粒较少，孔隙减少，内部骨料的接触和排列更致密，絮状产物更多，更容易粘结成团状，且水化产物胶凝相互紧密连接。与碱性激发剂掺量为8%相比，碱性激发剂掺量为10%时试件内部水化产物增多，但絮状产物减少，水化产物多为片状或针状，孔隙增多，内部骨料的接触与排列也变的疏松，削弱了混凝土结构。这也验证了“2.1”的试验结果，即当碱性激发剂掺量大于8%时，混凝土抗压强度随碱性激发剂掺量的增加而减小。对比分析4种碱性激发剂掺量下的粉煤灰混凝土电镜扫描图像后可知，最佳碱性激发剂掺量为8%，表明适当的碱性激发剂可以有效提高试件整体的密实度，进而改善粉煤灰混凝土的力学性能和耐久性能。

2.4 EDS试验结果分析

通过SEM的扫描结果，选出碱性激发剂最佳掺量为8%的试件和碱性激发剂掺量为0%时的粉煤灰混凝土试件进行EDS分析，进一步观察碱性激发剂掺入后水化产物和元素含量的差异。图9和图10分别为碱性激发剂掺量为0%和8%时粉煤灰混凝土凝胶产物的EDS扫描图像。通过对片状的水化产物进行EDS分析，2种掺量下粉煤灰混凝土的主要元素为Ca、O、C、Si、S。碱性激发剂掺量为0%时粉煤灰混凝土的Ca、Si、O、C、S的含量分别为32.16%、27.25%、5.35%、3.84%和2.09%（由于S含量较低，因此在图中未显示）。碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土的Ca、S、Si、O、C的含量分别为48.62%、35.64%、5.76%、9.91%和3.06%。

对二者的元素含量进行比较，碱性激发剂掺量为8%的水化产物中钙含量更高，这是因为生石灰中含有大量CaO，会增加混凝土中的钙含量。水化产物主要成分为硅酸盐胶凝和未完全反应的氧化钙，与碱性激发剂掺量为0%时的粉煤灰混凝土水化产物区别在于，使用生石灰作为碱性激发剂可以增加硅酸钙水化物的生成，形成更多的C-S-H凝胶。

此外，生石灰中的CaO会与粉煤灰中的Al2O3、SiO2进一步反应形成水化产物，增加了铝酸盐水化物的生成，可以进一步填充混凝土中的孔隙。因此，使用生石灰作为碱性激发剂可以有效提高粉煤灰混凝土水化产物的稳定性、力学性能和耐久性能。

3 小结

1）最佳碱性激发剂掺量为8%，适当的碱性激发剂可以有效提高试件整体的密实度，进而改善粉煤灰混凝土的力学性能和耐久性能。

2）4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土的质量损失率均随冻融循环次数的增加而增加，碱性激发剂掺量为8%时，粉煤灰混凝土的质量损失率最小，而碱性激发剂掺量为0%时，粉煤灰混凝土质量损失率最大。4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土的相对动弹性模量均随冻融循环次数的增加而减小，且减小的速率呈加快的趋势；碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土的相对动弹性模量减小幅度最小。4种碱性激发剂掺量的粉煤灰混凝土抗压强度均随冻融循环次数的增加而减小；在整个冻融循环过程中，碱性激发剂掺量为8%时粉煤灰混凝土抗压强度最高、抗压强度减小幅度最小。

3）通过对片状的水化产物进行EDS分析，2种碱性激发剂掺量（0%、8%）下粉煤灰混凝土的主要元素均为Ca、O、C、Si、S，对二者的元素含量进行比较，碱性激发剂掺量为8%的水化产物中钙含量更高。

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