锂渣混凝土中氯离子吸附的影响因素研究

王 晨

(新疆大学建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

混凝土结构是目前应用最广泛的建筑结构[1]。随着耐久性问题的日益严重，混凝土结构的发展受到诸多有害因素的制约，如何解决该问题成为各专家学者的研究重点[2]。钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的最不利因素，其中以氯离子的影响最为突出[3]。混凝土中的氯离子分两种[4]：一是混凝土中的自由氯离子，会使钢筋表面pH值下降、钢筋脱钝，逐步引起钢筋锈胀、混凝土开裂最终导致混凝土结构失效[5]；二是混凝土中被固定的氯离子，物理吸附是以C-S-H凝胶和微孔结构吸附为主[6]，化学结合则以与混凝土中C3A反应生成F盐为主要结合方式[7]，两种方式统称为混凝土吸附作用。

研究表明[8-11]：在混凝土中加入活性矿物掺合料，能改善混凝土氯离子吸附性能，是目前混凝土耐久性研究中较常见的方向之一。锂渣是一种含碱量极低的活性材料，具有易磨性好、比表面积高等特点。锂渣作为混凝土矿物掺合料的相关性能已有一定的研究，但是主要集中在混凝土的新拌性能、力学性能以及耐久性能的某些方面，采用电通量法和化学法测定自由氯离子含量等也有诸多研究[12-14]，但以上文献没有探讨锂渣对氯离子的吸附性作用，为此，本文采用自然扩散法研究锂渣混凝土吸附氯离子影响因素。

1 试验

1.1 原材料

水为乌鲁木齐市自来水；水泥为新疆天山水泥厂生产的P.O42.5级产品；锂渣为新疆昊鑫锂盐开发有限公司生产，80 μm方孔筛筛余4.0%，比表面积 417 m2/kg，密度2.48 g/cm3；水泥和锂渣的主要成分对照见表1；细集料为乌拉泊水库河砂，细度模数2.60；粗集料为卵石，粒径5 mm～12.5 mm连续级配；表观密度2 650 kg/m3；减水剂为聚羧酸高效减水剂。

表1 水泥、锂渣主要化学成分对照表 %

1.2 试件配合比

混凝土试件配合比按 C20,C30,C40,C60 四个强度等级设计，数字0,10,20,30分别代表试件所用锂渣质量占胶凝材料质量的比重为0%,10%,20%,30%，混凝土试件配合比见表2。

表2 混凝土试件配合比

1.3 试件制备

将原材料拌和，浇筑、振捣成型φ100 mm高50 mm的圆柱形试件。带模养护24 h，拆模后放入饱和Ca(OH)2溶液中标准养护28 d，随后将试件取出置于清水中浸泡48 h。

1.4 试验方法

将试件分别置于质量分数5%,10%和20%的NaCl溶液中，达到预定侵蚀龄期后取出，放入烘箱中60 ℃烘干48 h。分层钻芯取样，测定试件不同深度的氯离子含量。参照JTJ 270—98水运工程混凝土试验规程中的方法测定试样粉末中自由氯离子含量和粉末中氯离子总含量，计算被吸附的氯离子含量为：

Ca=Ct-Cf

(1)

其中，Ca为被吸附的氯离子含量，%；Ct为氯离子总量，%；Cf为自由氯离子含量，%。根据Nilsson等[15]定义的混凝土氯离子结合能力R的计算公式为：

(2)

由试验所测得的氯离子含量，进行线性回归分析，得到二者之间符合线性关系式为：

Ct=KCf

(3)

其中，K为试验常数。

将式(1)，式(3)代入式(2)中得到氯离子吸附能力表达式为：

(4)

2 试验结果及分析

2.1 锂渣掺量对混凝土的氯离子吸附能力的影响

图1，图2为浸泡盐溶液10%浓度的试件的氯离子吸附能力。结果表明：试件的氯离子吸附能力随锂渣掺量的增加呈先增加后降低的趋势。氯离子吸附能力提高的原因可能是：试件中除了C3A等成分对氯离子起到一定的吸附作用外，锂渣与水泥水化物Ca(OH)2之间产生火山灰效应，促使更多C-S-H凝胶的生成，试件的孔结构更加细化、胶凝材料孔隙溶液中pH值降低，使混凝土对氯离子的吸附能力提高。当混凝土中的锂渣掺量过高时，会导致混凝土的初级水化产物数量不足，混凝土中F盐的生成几率就会下降，即降低混凝土对氯离子的化学吸附，导致混凝土的氯离子吸附能力下降。

2.2 水灰比对锂渣混凝土氯离子吸附能力的影响

图3，图4为浸泡盐溶液5%浓度的试件的氯离子吸附能力影响的规律。由图3，图4可知：随着试件的水灰比逐渐增大，氯离子吸附能力呈越来越强的趋势，对氯离子的吸附量也逐渐增加。产生这种现象的主要原因为：水灰比越大，水泥的水化程度越高，生成的水化产物越多，更有利于F盐的生成，即化学吸附量提高；水灰比增大混凝土孔结构变疏松，毛细孔增加，更有利于氯离子的进入，使胶凝材料接触到氯离子的几率增大，从而使物理吸附增加。

2.3 氯盐浓度对锂渣混凝土氯离子吸附能力的影响

表3是不同氯盐浓度下的锂渣混凝土氯离子吸附能力，表4是氯离子吸附量。由表3，表4可知氯离子吸附能力及氯离子吸附量均随着NaCl溶液浓度的增加而逐渐增大。氯盐浓度越高，氯离子越多，在试件内外部溶液逐渐趋于平衡的过程中，由于吸附作用、浓度梯度等因素的相互影响，外部氯盐浓度越高胶凝材料吸附氯离子的化学势越高，表现为氯离子吸附能力增强、氯离子吸附量增加。

表3 不同NaCl浓度下混凝土的氯离子吸附能力R

表4 不同NaCl浓度下混凝土的氯离子吸附量Ca

2.4 扩散深度对锂渣混凝土氯离子吸附能力的影响

图5，图6为浸泡盐溶液20%浓度扩散深度对氯离子吸附能力及氯离子浓度的影响规律。由图5，图6可知：扩散深度增加，氯离子吸附能力不断增加。本文中的氯离子一直以扩散的方式向试件内传输，扩散的过程需要时间，故氯离子浓度由表及里逐渐降低。试件表层接触的氯离子浓度高，吸附材料接触氯离子的机会大，发生化学反应及物理吸附的氯离子的量也会增加，但孔隙中的每个氯离子被吸附的几率就降低了，表现为氯离子吸附能力较差。随着扩散深度的增加氯离子浓度降低，此时每个氯离子被结合的几率升高，表现为氯离子吸附能力较好。

3 结语

1)锂渣混凝土的氯离子吸附能力会随锂渣掺量的增加呈现先增加后降低的趋势。

2)锂渣混凝土的水灰比越大，其氯离子吸附能力及氯离子吸附量均有提高。

3)锂渣混凝土的氯离子吸附能力、氯离子吸附量均随溶液中氯离子的增加而增大。

4)对锂渣混凝土而言，随着扩散深度的增加，氯离子吸附能力呈不断增加的趋势。