持续荷载和锂渣取代量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

2023-03-14李宇航韩国旗郝恩泽马丽莎

硅酸盐通报 2023年2期

李宇航，温勇，韩国旗，郝恩泽，刘佳，马丽莎

(1.新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐 830047；2.喀什大学土木工程学院，喀什 844006； 3.同济大学材料科学与工程学院，上海 201800)

0 引言

在盐渍环境中，特别是盐湖地区，大规模混凝土基础设施长期处于氯离子侵蚀环境，氯离子侵蚀导致大量建筑物混凝土中钢筋的锈蚀、保护层脱落、承载力降低，甚至结构垮塌失效[1-4]。提高混凝土抗氯离子渗透能力，优化建筑的耐久性，不仅能减少造价，还有助于实现国家的“碳达峰、碳中和”目标[5-6]。锂渣是锂盐工业排放的固体工业废料[7]，取材方便，磨细后可以用作矿物掺合料，若能合理使用，不仅能节约建设成本，还能减少工业废料。近年来研究者为了更加贴合混凝土的实际工作环境，开展了混凝土耐久性的大量研究。如杜修力等[8]综述了荷载与氯离子耦合作用下对混凝土渗透性的影响，提出试验研究应更加贴合混凝土的实际工作环境，并通过有限元分析实际环境中混凝土的工作情况。Zhang等[9]研究发现粉煤灰、硅灰等矿物掺合料能减小混凝土孔隙率与氯离子渗透性能。马丽莎等[10]研究了荷载与锂渣取代量对混凝土气体渗透性能的影响，结果表明荷载会促进混凝土气体渗透，而10%(质量分数)的锂渣取代量可以提高混凝土的抗渗透能力。Fan等[11]研究发现在混凝土中掺入粉煤灰和矿渣可以提高其抗氯离子渗透性能。张灵灵等[12]采用快速氯离子迁移系数法研究了混凝土构件中氯离子的传输特性，发现荷载裂缝加剧了混凝土中氯离子的传输。潘诗婷等[13]研究了粗骨料形状对混凝土氯离子渗透性能的影响，发现增大粗骨料体积分数和不规则程度能降低混凝土的氯离子传输性能。然而，目前已有研究大多为单一因素对氯离子传输性能的影响，由于混凝土结构所处环境的复杂性，检测实际工作环境中混凝土的氯离子扩散系数难度较大。为了准确检测实际工作环境中混凝土的抗氯离子渗透性能，亟需开展多因素耦合作用下的抗氯离子渗透性能研究。

鉴于此，本文设计了不同锂渣取代量与不同压应力比的持续压荷载对混凝土抗氯离子渗透性能的影响试验,并建立了考虑锂渣取代量与压应力比的耦合数值模型，为长期处于盐渍环境下的混凝土耐久性设计提供参考。

1 实验

1.1 原材料

水泥选用天山水泥厂的P·O 42.5级水泥，主要化学组成见表1。锂渣粉为新疆乌鲁木齐锂业有限公司的工业废料，主要化学组成见表1，物理性能见表2。拌合水为乌鲁木齐市自来水；减水剂为聚羧酸高效减水剂，形态为液体；细骨料为水洗砂，细度模数为2.85；粗骨料为卵石，粒径为5～12 mm，压碎指数为3.2%，表观密度为2 685 kg/m3。

表1 水泥和锂渣粉的主要化学组成Table 1 Main chemical composition of cement and lithium slag powder

表2 锂渣粉的物理性能Table 2 Physical properties of lithium slag powder

1.2 配合比

本试验设计了C20、C30和C40三种强度等级的锂渣混凝土，锂渣取代水泥质量的0%、10%、20%、30%，混凝土坍落度在150～180 mm。混凝土试验配合比见表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

1.3 试验方法

1.3.1 力学试验和电通量试验

试验依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)制备试件，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行力学试验。试件养护结束后，使用切割机将试件均分为两个试件，测试其中一个试件的极限压应力f，取极限压应力f的10%、30%和50%作为另一个试件电通量试验的应力加载值，使用DTL-A测定仪测试混凝土电通量。先将试件侧面涂抹环氧树脂胶进行密封，而后进行真空饱水。利用微机控制电液伺服压力机测定极限压应力，测压面为非成型面,饱水结束后依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行电通量试验。

本文在余韬等[14]研究基础上，设计了可以同时进行压应力加载和电通量试验的装置，压应力加载装置示意图和照片如图1所示。

图1 压应力加载装置示意图和照片Fig.1 Schematic diagram and photograph of compressive stress loading device

1.3.2 SEM测试

将养护至龄期的试件破碎，取直径小于10 mm、厚度为3～4 mm的平整薄片，放入容器中加无水乙醇终止水化，随后放入40 ℃的烘箱中烘24 h，把烘干后的薄片放入载物台，送入真空喷金台进行喷金处理，之后放入SEM中观察及取照。

2 结果与讨论

2.1 锂渣取代量对混凝土抗压强度的影响

图2为不同锂渣取代量对混凝土抗压强度的影响。由图2可知：对于C20混凝土，在养护3 d时随着锂渣取代量的增加，抗压强度缓慢减小，当锂渣取代量从10%增加至20%时，抗压强度下降幅度变大，当锂渣取代量达到30%时，抗压强度仅为未加入锂渣的0.54；养护到7 d时，随着锂渣取代量的增加，抗压强度下降的趋势变大，当锂渣取代量达到30%时，抗压强度为未加入锂渣的0.52；养护28 d后，抗压强度下降的幅度增加，锂渣取代量为30%的抗压强度仅为未加入锂渣的0.51。这是由于锂渣粉水化速率小于水泥的水化速率，故在相同的养护龄期内，随着锂渣取代量的增加，抗压强度相应减小。

图2 不同锂渣取代量对混凝土抗压强度的影响Fig.2 Effect of different lithium slag content on concrete compressive strength

对于C30混凝土，抗压强度总体呈先增大后减小的趋势。不同龄期的C30混凝土抗压强度均在锂渣取代量为10%时达到了峰值，3、7、28 d抗压强度分别是未加入锂渣的1.15倍、1.07倍和1.06倍。这说明10%的锂渣取代量能提高C30混凝土抗压强度，这是因为锂渣粉作为矿物掺合料，具有一定的火山灰效应，对混凝土的强度、耐久性能及孔隙结构具有一定积极影响[15]。当锂渣取代量达到20%时，抗压强度大幅度下降，此时的锂渣取代量已经超过了最优取代量，使混凝土抗压强度大幅度降低；当锂渣取代量达到30%时，3、7、28 d抗压强度均达到了最低值，分别为12.13、21.88、30.08 MPa，说明30%的锂渣取代量过高，影响混凝土强度。

C40混凝土抗压强度的变化趋势与C20混凝土相似，随着锂渣取代量的增加，呈平稳减小的趋势。当锂渣取代量为30%时，抗压强度达到最低值，3、7、28 d抗压强度分别为未加入锂渣的0.60、0.58和0.68。

在不同配合比混凝土中，仅有C30混凝土在锂渣取代量为10%时抗压强度增大，其余均减小。这是由于锂渣取代部分水泥后，混凝土中水泥的使用量减少，从而降低了水化产物氢氧化钙和水化硅酸钙的产量，而只有当溶液中氢氧化钙达到一定浓度后，锂渣中具有潜在活性的三氧化二铝与二氧化硅才能参与二次水化反应，当取代量继续增大时，锂渣仅起到填充的作用，微观孔隙得到填充，孔隙结构得到优化，孔隙率减小，但混凝土强度会继续降低。

2.2 强度与压应力比对混凝土电通量的影响

图3 混凝土电通量随压应力比的变化Fig.3 Variation of concrete electric flux with compressive stress ratio

图3为养护28 d，锂渣取代量为0%的混凝土电通量随压应力比的变化。由图3可看出，在不施加压应力的情况下，混凝土的电通量随水灰比的增大而增大。随着压应力比的增加，三组混凝土电通量均有明显的上升，而C20混凝土在压应力比超过0.3时，电通量上升最为明显；C30混凝土电通量上升幅度大于C40混凝土。因此水灰比越大，混凝土的抗氯离子渗透性能越弱，压应力比越大，抗氯离子渗透性能越弱。

2.3 锂渣取代量对混凝土电通量的影响

图4为不同锂渣取代量与不同压应力比对28 d混凝土电通量的影响。CX-0、1、3、5中0、1、3、5分别代表压应力比为0、0.1、0.3、0.5。从图4可以看出,C20、C30和C40混凝土试件在不同的压应力比条件下，随着锂渣取代量的增加，电通量总体呈降低趋势。这是由于锂渣粉是一种活性矿物掺合料，它会与水泥的水化产物氢氧化钙发生二次反应，随即产生更多的水化产物，使钙离子和氢氧根离子的浓度降低，然后生成水化硅酸钙与水化铝酸钙，这使混凝土结构内部更为密实，降低了混凝土的内部孔隙率，提高了抗氯离子渗透性能。该反应同时消耗水泥浆体中的水，使水泥浆体的孔隙率降低，并且锂渣粉的比表面积大于水泥，自身对氯离子有较强的吸附性且结合氯离子的能力也较强，因此随着锂渣取代量的增加，混凝土的电通量降低。

由图4(a)～(c)可以看出，当锂渣取代量小于20%时，混凝土的电通量随着锂渣取代量的增加而降低，而当锂渣取代量大于20%时，混凝土的电通量值随着锂渣取代量的增加而趋于平缓，甚至当锂渣取代量为30%时，C30混凝土的电通量值相较于锂渣取代量为20%的电通量值更大，因此锂渣的最佳取代量应不大于20%。当锂渣取代量过大时，锂渣的二次水化反应速度变慢，大量的锂渣不能参与水化反应，这些填充于混凝土孔隙中的锂渣最终未能参与水化，使混凝土的密实性降低，从而导致混凝土的电通量增大。

从图4(a)～(c)中也可发现，对于C20和C30混凝土，施加的压应力值为0.5f时，电通量的值相较于0.3f的值增加幅度较大，对于C40混凝土，当施加的压应力值在0.3f时相较于0.1f的值增加幅度大，因此再次印证了影响混凝土抗氯离子渗透性的荷载存在确定的应力阈值，C20和C30混凝土的应力阈值在0.3f～0.5f，C40混凝土的应力阈值在0.1f～0.3f。

图4 不同锂渣取代量与不同压应力比对28 d混凝土电通量的影响Fig.4 Effects of different lithium slag content and different compressive stress ratios on electric flux of 28 d concrete

2.4 SEM分析

为了解锂渣对混凝土内部微观结构的影响，利用扫描电镜对锂渣取代量为0%与30%的混凝土内部微观结构进行了观测。图5为不同锂渣取代量的C30混凝土SEM照片，从图5中可以看出，锂渣取代量不同，微观结构也有较大差异。随着锂渣取代量的增多，未水化的锂渣粉颗粒也越来越多，锂渣起到填充作用，故混凝土内部孔隙减少。

图5 不同锂渣取代量的C30混凝土SEM照片Fig.5 SEM images of C30 concrete with different lithium slag content

3 仿真模拟

对氯离子在锂渣混凝土中的扩散进行数值模拟，模型中设置不同压应力，比较不同压应力对锂渣混凝土电通量的影响；数值模型中设置锂渣取代量分别为0%、10%、20%和30%，比较不同锂渣取代量对混凝土电通量的影响；数值模型中设置C20、C30和C40三种强度等级混凝土，用以研究不同强度等级对混凝土电通量的影响。

3.1 氯离子扩散模型理论基础

溶液中的氯离子进入混凝土内部会发生自由扩散、物理吸附和化学反应，向混凝土内部自由扩散的氯离子称为自由状态的氯离子，含量记为Cf；与胶凝材料发生化学反应生成Friedel’s盐的氯离子和在混凝土中形成物理吸附的氯离子，称为结合氯离子，含量记为Cb。总氯离子含量Ct为结合氯离子含量和自由氯离子含量之和。依据Fick第二定律与质量守恒定律建立氯离子在混凝土内的扩散方程[16]：

(1)

k=kekykm

(2)

式中：DCl为氯离子扩散系数；grad(Cf)为自由氯离子的梯度；x为深度；t为时间；k为综合劣化效应系数；ke为环境劣化系数；ky为荷载劣化系数；km为材料劣化系数；α、β为混凝土对氯离子的Langmuir吸附参数，并结合本团队的研究成果[17]对α进行修正。

本研究在Langmuir模型[18]的基础上，添加了压应力对电通量的影响。

(3)

对于普通硅酸盐水泥，α=11.8；对于锂渣混凝土，α=λ(-15.5b2+1.8b+11.8)(0≤b≤0.3，0.5≤λ≤2)，其中b为锂渣取代量；λ为修正系数。

氯离子扩散系数和电通量都可反映混凝土中氯离子扩散能力[19]，冯乃谦等[20]研究发现，氯离子扩散系数与电通量存在一定关系。氯离子扩散系数可以通过电通量进行转换。

DCl=10-9×(2.577 65+0.004 92Q)

(4)

式中：Q为6 h内的电通量。

3.2 数值模拟结果及分析

试件尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，氯离子从混凝土的受侵蚀面一维扩散，边界浓度为C(0,t)(NaCl)=3%(质量分数)，压应力F1=0.1f，F2=0.3f，F3=0.5f，配合比系数RC20=0.62，RC30=0.45,RC40=0.40；温度T=298.15 K，水泥的密度ρc=3 100 kg/m3；混凝土的密度ρa=2 600 kg/m3。

图6为数值模拟图，图6(a)为压应力比为0.3时离子通量图，图6(b)为压应力比为0.5时离子通量图，由离子通量图可知当压应力比达到0.5时，离子通量大幅度增加，出现压应力阈值。图6(c)为网格划分图，图6(d)为压应力施加图，图6(e)、(f)、(g)为不同压应力比的离子浓度图。

图7为数值模拟与试验数据对比图，从图7中可以看出，C20、C30和C40混凝土试验结果与模拟结果大体趋势一致。对于C20混凝土，仅在300 min时模拟结果与试验结果误差较大，试验值为模拟值的1.05倍，其余误差均小于3%。对于C30混凝土，试验结果与模拟结果基本吻合，所有值误差均小于3%。对于C40混凝土，仅在300 min时模拟值为试验值的1.03倍，其余误差均小于3%。分析原因：混凝土为多孔介质，内部孔隙较多，施加压应力会改变内部孔隙结构，微裂缝增多，导致试验结果与模拟结果存在一定的误差，但误差在可控范围之内，本试验结果与模拟结果的误差在3%左右。