材料摻量對不同齡期堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度的分析

邵善慶 龔愛民 王冉 羅加輝 雍康 黃逸爾 金鐲

摘要：為提高堿激發粉煤灰混凝土的工程實際應用，基于不同堿激發劑（生石灰粉）摻量（5%、8%、10%）和不同粉煤灰摻量（10%、15%、25%）的堿激發粉煤灰混凝土，對不同齡期（7、28、56 d）的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度變化規律進行研究。結果表明，在生石灰粉摻量不變的條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，堿激發粉煤灰混凝土的7 d抗壓強度呈逐漸下降的趨勢；
在28 d和56 d齡期時，粉煤灰摻量為15%時堿激發粉煤灰抗壓強度達到最大。在粉煤灰摻量不變的條件下，當生石灰粉摻量從5%增加到8%時，各齡期的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度均增加；
當生石灰粉摻量從8%增加到10%時，各齡期的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度均降低。

關鍵詞：材料摻量；
齡期；
堿激發；
生石灰粉；
粉煤灰；
混凝土；
抗壓強度

中圖分類號：TU528.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）06-0204-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.06.033 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of the effect of material dosages on the compressive strength of alkali activated fly ash concrete at different ages

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

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

Abstract：
In order to improve the practical application of alkali-activated fly ash concrete in engineering， the variation law of compressive strength of alkali activated fly ash concrete at different ages（7、28、56 d） was studied based on different dosages of alkali activator （quicklime powder）（5%、8%、10%） and fly ash（10%、15%、25%）. The results showed that under the condition of constant content of quicklime powder， the 7-day compressive strength of alkali-activated fly ash concrete gradually decreased with the increase of fly ash content；
at the ages of 28 and 56 days， the compressive strength of alkali-activated fly ash reached its maximum when the fly ash content was 15%. Under the condition of constant fly ash content， when the content of quicklime powder increased from 5% to 8%， the compressive strength of alkali-activated fly ash concrete at all ages increased；
when the content of quicklime powder increased from 8% to 10%， the compressive strength of alkali activated fly ash concrete at all ages decreased.

Key words：
material dosages；

age；

alkali activation；

quicklime powder；

fly ash；

concrete；

compressive strength

中國發電主要依靠火力發電，粉煤灰作為火力發電的主要附屬產物會嚴重影響生態環境［1］，這與中國的綠色生態發展觀念不符。粉煤灰主要成分為三氧化二鋁、二氧化硅、氧化鈣等［2］，同時粉煤灰又是一種資源，可應用于農業、建筑、化工等領域［3］。早在20世紀初期，國外一些建筑工程就開始將粉煤灰作為輔助膠凝材料應用于實際工程。粉煤灰為1～50 μm的實心或空心玻璃微球，粉煤灰內部的活性氧化硅和活性氧化鋁被玻璃態外殼鎖起來，并且其外部的玻璃態結構不易分解［4］，需借助一定的激發手段釋放內部的活性物質。目前激發粉煤灰活性的主要方法有物理激發、化學激發（堿激發、鹽激發、酸激發），物理激發的程度有限且經濟成本較大，易受粉煤灰摻量的影響，化學激發則會引入侵蝕離子，結合激發效果和經濟環保，堿激發是目前較適合的激發手段。

目前國內外學者對激發粉煤灰活性進行了大量研究。鄭娟榮等［5］研究了堿激發粉煤灰混凝土在干濕條件下的體積變化，結果表明，堿激發粉煤灰混凝土有著優良的抗侵蝕性和干縮小特點。劉寶舉等［6］研究了堿激發粉煤灰混凝土的各種力學性能，結果表明，隨著粉煤灰摻量的增加強度呈下降趨勢，而堿激發劑的加入使得強度提高。錢文勛等［7］則更加系統地研究了復合型堿激發劑，對24種存在具有激發活性可能性的樣品通過單組分比選、雙組分配對和正交化的方法進行研究，得到了3種激發劑配比。高麗敏［8］研究了在蒸氣養護及水玻璃、氫氧化鈉作用下粉煤灰、增鈣粉煤灰強度的變化規律，結果表明，氫氧化鈉對粉煤灰的激發效果比水玻璃的激發效果好，水玻璃摻量為10%時強度達到最大，同時隨著養護溫度的提高和養護時間的增加，堿激發粉煤灰混凝土的強度也在增加。而勾煜［9］更加深入研究了蒸養溫度和粉煤灰對混凝土強度的影響，結果表明，隨著蒸養溫度的提高，混凝土的早期強度出現下降的趨勢。

綜上所述，目前針對普通條件下堿激發粉煤灰混凝土各時期抗壓強度的研究相對較少，特別對摻生石灰粉激發劑粉煤灰混凝土的研究并不多。堿激發粉煤灰混凝土在一定意義上保護了生態環境，研究堿激發粉煤灰混凝土各階段的抗壓強度對于工程應用具有重要的意義。因此，本研究基于不同堿激發劑（生石灰粉）摻量（5%、8%、10%）和不同粉煤灰摻量（10%、15%、25%）的堿激發粉煤灰混凝土，對不同齡期（7、28、56 d）試件的抗壓強度變化規律進行研究。

1 材料與方法

1.1 膠凝材料

采用昆明市生產的石林牌P·O 42.5級水泥，其物理性能及指標如表1所示，采用河津市龍江粉煤灰開發利用有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，檢測報告如表2所示，堿激發劑采用安陸市木梓鄉湯沖石灰廠生產的生石灰粉，檢測報告如表3所示。

1.2 骨料

細骨料為細河砂，細度模數為1.94，表觀密度為2 660 kg/m3，堆積密度為1 380 kg/m3，飽和面干吸水率為4.6%。

粗骨料采用粒徑范圍為5～20 mm連續級配的天然花崗巖碎石，表觀密度為2 746 kg/m3，堆積密度為1 510 kg/m3，飽和面干吸水率為0.6%，具體性能如表4所示；
試驗所用拌和水為實驗室自來水。

1.3 方法與配合比

1.3.1 方法 在普通養護環境和固定水膠比（0.5）條件下，通過添加不同粉煤灰摻量（10%、15%、25%）和生石灰粉摻量（5%、8%、10%）來研究堿激發粉煤灰混凝土不同齡期（7、28、56 d）抗壓強度的變化規律。設計了9個試驗組（F1至F9），其中生石灰粉摻量根據粉煤灰比例外摻。每個試驗組制作9塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試件，嚴格按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［10］操作，養護溫度控制在（20±2）°C、養護濕度控制在95%，試件養護到7、28、56 d時，取出相應試塊在WA-1000B型電液式萬能試驗機上測其抗壓強度。

1.3.2 配合比 試件配合比如表5所示。

2 結果與分析

2.1 粉煤灰摻量對堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度的影響

抗壓強度是檢驗混凝土宏觀性能的主要指標。在生石灰粉摻量不變的條件下，研究粉煤灰摻量對堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度的影響。粉煤灰摻量通過取代一定膠凝材料來控制，分別在普通養護環境下養護7、28、56 d，根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［10］測出堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度。

由圖1可知，隨著粉煤灰摻量的增加，堿激發粉煤灰混凝土的7 d抗壓強度呈逐漸下降的趨勢，其中當生石灰粉摻量為8%和10%的時候，隨著粉煤灰摻量的增加，堿激發粉煤灰混凝土的7 d抗壓強度下降速率較快，分別下降了15.3%和15.4%。在28 d和56 d齡期時，粉煤灰摻量為15%時抗壓強度達到最大。在28 d和56 d齡期時，粉煤灰摻量從10%增加到15%時抗壓強度增加的速度較緩慢，當粉煤灰摻量從15%增加到25%時抗壓強度下降的較快。

初期大部分粉煤灰沒有參加反應，究其原因是因為水解層存在于氫氧化鈣薄膜與粉煤灰顆粒表面之間，氫氧化鈣中的鈣離子必須通過水解層才能與粉煤灰的活性氧化硅和活性氧化鋁反應，這直接導致水化產物生成量減少，此時不會使強度有較大的增長。向粉煤灰中加入生石灰粉后會形成鈣-硅體系，但是在普通養護條件下反應比較慢，這就直接導致了早期（7 d）堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度較低。隨著養護時間的增加，鈣-硅體系逐漸形成，生成了有效的結構并且結構更加致密，堿激發粉煤灰混凝土的強度開始增加，此時摻量為15%的粉煤灰形成的有效結構最多，而繼續增加粉煤灰的摻量會使水化產物的生成比例降低，從而使得強度降低。

2.2 生石灰粉摻量對堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度的影響

在粉煤灰摻量不變的條件下，研究生石灰粉摻量對普通養護條件下不同齡期（7、28、56 d）堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度的影響，根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［10］測出堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度。

由圖2可知，當生石灰粉摻量為8%時，7、28、56 d齡期的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度最大；
當生石灰粉摻量從5%增加到8%時，28、56 d齡期的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度增加的較快，7 d齡期的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度增加的較慢；
但生石灰粉摻量從8%增加到10%時，各齡期的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度均降低，其中28、56 d的抗壓強度下降的較快。過多的生石灰粉會引起體積安定性不良，從而導致堿激發粉煤灰混凝土的強度降低。綜上所述，生石灰粉的最佳摻量為8%。

當生石灰粉摻量較低時，堿激發粉煤灰混凝土中鈣離子含量較低，導致水化反應過程較慢，水化產物生成量較少。當堿激發粉煤灰混凝土中鈣離子含量過多時會影響其體積安定性，從而導致強度降低。

3 小結

在生石灰粉摻量不變的條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，堿激發粉煤灰混凝土的7 d抗壓強度呈逐漸下降的趨勢；
在28 d和56 d齡期時，粉煤灰摻量為15%時堿激發粉煤灰抗壓強度達到最大。在粉煤灰摻量不變的條件下，當生石灰粉摻量從5%增加到8%時，各齡期的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度均增加；
當生石灰粉摻量從8%增加到10%時，各齡期的堿激發粉煤灰混凝土抗壓強度均降低。

參考文獻：

［1］ 馬鵬傳，李 興，溫振宇，等.粉煤灰的活性激發與機理研究進展［J］.無機鹽工業，2021，53（10）：28-35.

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［3］ 張祥成，孟永彪.淺析中國粉煤灰的綜合利用現狀［J］.無機鹽工業，2020，52（2）：1-5.

［4］ 顧強康，李宜峰，李 寧.粉煤灰活性激發及應用［J］.四川建筑科學研究院，2007，33（6）：147-151.

［5］ 鄭娟榮，劉麗娜，謝靈霞.堿激發粉煤灰膠凝材料砂漿及混凝土的性能研究［J］.混凝土，2009（5）：77-79.

［6］ 劉寶舉，梁 慧，楊元霞.堿對水泥-粉煤灰體系中粉煤灰活性的激發作用［J］.鐵道科學與工程學報，2009，6（5）：51-56.

［7］ 錢文勛， 蔡躍波.復合型粉煤灰早期活性激發劑的研制［J］.水利水運工程學報，2004，6（2）：39-44.

［8］ 高麗敏.堿激發粉煤灰膠凝材料性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

［9］ 勾 煜.粉煤灰對蒸養混凝土抗壓強度的影響［J］.混凝土，? 2021（7）：86-89.

［10］ GB/T 50081—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.