掺碱激发剂粉煤灰水泥混凝土力学性能试验研究

基金项目:水利部公益性行业科研专项经费项目(201301033)

作者简介:刘飞鹏 （1988），男，湖南娄底人，硕士研究生，主要从事水工结构与材料研究工作。Email：1219667499@qq.ComDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.029

摘要：通过C30混凝土实验室配合比，配制掺30％粉煤灰的粉煤灰水泥混凝土，在三个实验组中分别掺入最佳掺量的NaOH、水玻璃和CaO，振捣成型，测定碱对流动度和凝结时间的影响，用扫描电镜探求胶砂的微观结构，随后养护至龄期。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定混凝土抗压强度和劈拉强度，通过强度比较，算出强度提高率；可以得出掺碱对早期和后期强度发展的影响。结果表明，掺碱能促凝且胶砂流动度减小；掺碱粉煤灰早期强度发展快，后期发展较缓慢，90 d强度基本能够满足设计要求；扫描电镜中，由于水泥水化加快，粉煤灰活性得以激发，早期强度得到改善；经济技术效益显著。

关键词：粉煤灰；掺碱粉煤灰水泥；碱激发剂；混凝土；力学性能

中图分类号：TU528.2文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04013404

Mechanical Performance Test of Fly Ash  Cement Concrete Mixed with Alkali Excitant

LIU Feipeng1,GONG Aiming1,WANG Liangzenan1,YANG Yanling2

(1.College of Water Conservancy,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China

2.Tangchi Street Agency of Kunming Yangzonghai Scenic Area Management Committee,Kunming 652103,China)

Abstract:Based on the laboratory mix ratio of C30 concrete，the fly ashcement concrete was mixed with 30% fly ash to make three experimental groups which were also mixed with the best dosages of NaOH,sodium silicate,and CaO,respectively.After vibration molding,the impactsof alkali on the mobility and setting time were determined.The microstructure of mortar was investigated using the scanning electron microscope,and then the samples were maintained to age.According to the 《Standard for test method of mechanical properties on ordinary concrete》,the compressive strength and splitting tensile strength of the concrete were measured.Through the comparison of strengths,the intensity increasing rate was determined,which can help understand the impacts of mixing alkali on the strength development in the early and late times.The results showed that (1) mixing with alkali can coagulate and decrease the mobility of mortar；(2) the fly ash mixed with alkali has a rapid strength development in the early time and a slow strength development in the late time,and the strength at 90 days can meet the design requirements;(3) In the scanning electron microscope experiment,due to the quick cement hydration speed,the activity of fly ash motivates,and so the strength in the early time improves;and (4) the economic and technical benefit is remarkable for the fly ashcement concrete mixed with alkali excitant.

Key words:fly ash;fly ashcement mixed with alkali;alkali excitant;concrete;mechanical property

碱激发粉煤灰的理论研究认为［1］，在化学组成上，粉煤灰中的CaO、MgO、SO3等含量越高，粉煤灰的活性就越高；从相组成来看，粉煤灰中的玻璃体含量越高，粉煤灰的活性就越高；从玻璃相的结构来看，玻璃体中［SiO4］4聚合度越低，玻璃体的稳定性越差，玻璃体解聚越容易，活性就越高。沈旦申［2］提出了四种粉煤灰效应假说。①形态效应。粉煤灰的物理性状促使水泥浆体的需水量减小，保水性和均匀性增强，改善了浆体的初始结构；②活性效应。粉煤灰中以酸性氧化物为主的玻璃体能与水泥水化所产生的氢氧化钙发生火山灰效应，生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体，从而起到增强作用;③微集料效应。粉煤灰颗粒本身强度很高，参加反应后在粉煤灰表面生成的低钙的CS凝胶使界面粘接力增强，明显增强了水泥石的结构强度；A.L.A.Fraay通过溶出实验发现在pH>134的碱性条件下粉煤灰结构会被破坏［3］。

粉煤灰应用于混凝土早被工程界普遍接受，但同时掺入碱性激发剂在目前的研究当中并不多见。

本文通过试验分析掺碱激发剂粉煤灰水泥混凝土材料的力学性能。

1试验原材料及试验设计

11试验原材料

水泥：本试验所采用的水泥是P·O425硅酸盐水泥，水泥各项指标符合GB 1752007《通用硅酸盐水泥》要求。

Ⅱ级粉煤灰：本试验所采用的Ⅱ级粉煤灰，其物理性能指标见表1。

表1Ⅱ级粉煤灰物理性能指标

Table 1The physical performance parameters

of Ⅱlevel fly ash

指标名称细度需水量比烧失量含水量三氧化硫指标值(%)1311042201073碱：试验所用CaO、水玻璃及NaOH均由天津市某公司生产。各项物理性能均满足要求。各种碱掺量都是按粉煤灰比例外掺。

12混凝土实验设计

(1)流动度试验。

按照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 24192005），测定在水灰比固定条件下，碱掺量对粉煤灰水泥胶砂流动度的影响。试件配比见表2。

表2NaOH掺量对流动度影响试块配比

Table 2Mix ratio to test the impacts of

sodium hydroxide dosage on the mobility

编号水灰比粉煤灰/g水泥/gNaOH（%）标准砂/gL1H30501202805800L1H40501202806800L1H50501202807800(2)凝结时间试验。

本试验依据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验测定方法》［S］（GB/T 13462011），测定最优碱掺量（5%）掺碱粉煤灰水泥胶凝材料的标准稠度净浆初凝和终凝时间，并分析碱激发剂对胶凝材料凝结时间的影响。试件配比见表3。

表3测定碱影响胶凝材料凝结时间配比

Table 3Mix ratio to test the impacts of alkali

on the setting time ofgelled material

试块水Ⅱ级粉煤灰水泥5%碱N131/500/NF3136150350/NF3H136150350NaOHNF3 S136150350水玻璃(3)力学性能试验。

已有实验表明28 d龄期时粉煤灰经济掺量为30%，NaOH最佳掺量为6%，设计水玻璃掺量为6%，CaO最佳掺量为8%。通过以上掺量确定各组试件的配合比见表4。表4不同碱激发胶凝材料混凝土配合比

Table 4Mix ratios of gelled material concrete with different alkali excitants

试样水泥/kg粉煤灰/kg砂子/kg石子/kg水/kg砂率(%)碱掺量/kgC30287660122520535C3030%ⅡF287123660122520535C3030%ⅡF5%NaOH287123660122520535738C3030%ⅡF5%水玻璃287123660122520535738C3030%ⅡF8%CaO287123660122520535984根据以上配合比拌制混凝土，振捣成型，并养护至龄期，然后采用2 000 kN液压式压力试验机，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》( GB/T 500812002)规定，进行混凝土抗压强度和劈拉强度测定。

(4)扫描电镜试验。

利用扫描电镜观察粉煤灰水泥胶砂试验水化产物的形貌。试验所用电镜型号为KYKYEM3200。试验试样均选择最优碱激发剂掺量，制成胶砂试样，按照检测水泥强度成型方法成型。将养护至龄期的试件终止水化，制成小试样，放入110 ℃的烘干箱内烘干2 h，再经喷金抽真空处理后进行SEM分析。

2试验结果及分析

21流动度和凝结时间试验结果

从表5可知，固定水灰比条件下，胶砂的流动度随着NaOH的掺量增大而减小，可见掺碱时表面泛碱及疏松现象已基本消除。由表6可知碱具有促凝作用，且NaOH比水玻璃的效果好。这与掺碱粉煤灰早期强度较普通灰高是一致的，与NaOH早期激发粉煤灰活性较水玻璃高也一致。

表5NaOH掺量对流动度影响

Table 5Impacts of NaOH dosage on the mobility

编号流动度/mmL1H3200L1H4187L1H51782.2抗压、劈拉强度力学性能试验结果

混凝土抗压强度、劈拉强度测定试验结果见表7、表8。可以看出，7 d掺碱粉煤灰水泥混凝土抗压、劈拉强度较普通粉煤灰水泥混凝土高，适量掺碱粉煤灰混凝土适用于有早强要求的结构。CaO灰早期抗压强度较普通粉煤灰的提高16%，劈拉强度提高25%。

表6碱对粉煤灰水泥胶凝材料凝结影响结果

Table 6Impacts of alkali on thecondensation

of fly ashcement gelled material

试块初凝/min终凝/minN230280NF3220297NF3H170211NF3S168228表7混凝土抗压强度结果

Table 7Compressive strength of concrete

MPa试样7 d28 d90 dC3024.632.2371C3030%ⅡF163250326C3030%ⅡF8%CaO189232306C3030%ⅡF5%NaOH184218292C3030%ⅡF5%NaSiO3178223306表8混凝土劈拉强度结果表

Table 8Splitting tensile strength of concrete

MPa试样7 d28 d90 dC30121820C3030%ⅡF081419C3030%ⅡF8%CaO101319C3030%ⅡF5%NaOH101418C3030%ⅡF5%NaSiO309141828 d、90 d龄期时，掺碱粉煤灰强度较普通粉煤灰低，但是到90 d后掺碱粉煤灰基本满足设计要求。以CaO粉煤灰抗压强度为例，7 d抗压强度为28 d的81%，为90 d的62%；普通粉煤灰7 d强度分别为28 d、90 d的65%、50%。从而可以看出普通粉煤灰水泥混凝土中的粉煤灰强度前期发展较缓慢，后期发展较快，而掺碱粉煤灰水泥混凝土中粉煤灰早期就开始水化提供强度；掺NaOH强度早期比水玻璃高，但是后期水玻璃比NaOH高。

23扫描电镜分析

由上文可知，本实验所用的三种化学物质对粉煤灰水泥的强度发展都有不同程度的促进作用。为了进一步从水化产物和硬化体内部微观结构探求上述规律的内在原因，对掺量分别是NaOH、水玻璃为5％，CaO为8％的三种掺碱的水泥胶砂，均采用扫描电镜分析。结果如下。

（1）对比图1至图4可知，掺碱的絮状产物多。掺碱产物更容易粘结成团状，粒径较大，空隙较小。因而掺碱煤灰的微观结构比普通粉煤灰致密，强度高。

（2）对比图2和图3可知，掺NaOH激发剂絮状产物比水玻璃多，即掺NaOH产物更容易粘结成团状，粒径较大，空隙较小。因而掺NaOH粉煤灰的微观结构比水玻璃致密，强度高。

（3）从图4可知，CaO粉煤灰表面已经完全被水化产物包裹，看不清粉煤灰的轮廓。

图1普通粉煤水泥胶砂3dSEM1.00x、2.00x图

Fig.1The 3dSEM1.00x and 2.00x photos

of the general fly ashcement mortar

图2NaOH激发粉煤灰水泥胶砂3dSEM1.00x、2.00x图

Fig.2The 3dSEM1.00x and 2.00x photos

of the fly ashcement mortar mixed with NaOH excitant

图3水玻璃激发粉煤灰水泥胶砂3dSEM1.00x、2.00x图

Fig.3The 3dSEM1.00x and 2.00x photos

of the fly ashcement mortar mixed with sodium silicate excitant

图4CaO粉煤灰水泥胶砂3dSEM1.00x、2.00x图

Fig.1The 3dSEM1.00x and 2.00x photos

of the fly ashcement mortar mixed with CaO excitant

2.4讨论

（1）掺碱有利于改善碱矿渣水泥的泌水性能，从而使流动度减小。

（2）由于碱粉煤灰水泥初始水化体系中，大量的氢氧根离子引发粉煤灰玻璃体的解体，同时，水玻璃的存在又提供了大量的活性硅酸根阴离子，短时间内形成大量的CSH凝胶。这些高度分散的低碱度的CSH凝胶迅速相互黏接，形成水化产物粉煤灰颗粒三维凝聚网络结构，使碱粉煤灰水泥快速凝结。

（3）通过扫描电镜分析可知：掺碱都在不同程度上促进了水泥水化放出Ca(OH)2并与粉煤灰中的酸性氧化物发生反应，从而加剧粉煤灰潜在活性的释放，不同程度地改善了粉煤灰水泥早期强度的发展。除此之外，添加NaOH时，粉煤灰还受到来自NaOH更强烈的叠加碱性激发作用；添加水玻璃时，粉煤灰除了受到到上述激发作用之外，还会因为SiO2-3的引入形成的少量CaSiO3，导致水泥硬化体致密度提高，有利于早期强度增进；而添加CaO则有利于增加水泥中Ca(OH)2和硬化体中的固相含量，促进水泥硬化体强度增进。

（4）根据现行的市场价格进行计算，掺碱粉煤灰水泥的综合成本约150元/t，比硅酸盐水泥的生产成本要低30％~40％；如采用废碱液制备，成本更低。另外，生产掺碱粉煤灰水泥不仅可减少环境污染，变废为宝，而且生产工艺简单。

3结语

（1）掺碱能使胶砂流动度减小且具有促凝作用。

（2）掺碱粉煤灰混凝土抗折、抗压强度及发展速度较普通粉煤灰高，后期发展较缓慢，但是90 d基本都能满足设计要求。因此适量掺碱粉煤灰混凝土适用于有早强要求的结构。

（3）推广掺碱粉煤灰水泥混凝土，不仅能够保证混凝土的力学性能，且能降低成本，经济效益显著。

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