摻鋰渣再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究?

嚴(yán)文龍，于江，秦?fù)碥?，羅玲

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多是從抗壓強(qiáng)度這一力學(xué)性能對(duì)再生混凝土進(jìn)行研究[1?4],少有對(duì)其抗拉性能的探索[5,6].而在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)過程中，抗拉強(qiáng)度是重要的力學(xué)參數(shù)并且也是基本的力學(xué)指標(biāo)，通常采用測(cè)定混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的方法來間接測(cè)定.

鋰渣作為新疆規(guī)?；欧诺墓腆w工業(yè)廢棄物，是利用鋰輝石生產(chǎn)碳酸鋰過程中排放出來的，其通過硫酸浸漬以提高鋰元素的采取量而使得排放出來的鋰渣水分大、酸度大、烘干難度也較大，且烘干后易起灰揚(yáng)塵，對(duì)環(huán)境的污染較大[7].若把鋰渣摻入到混凝土中，既能夠有效減少其排放堆存數(shù)量，又對(duì)混凝土的力學(xué)性能有一定的提高作用[8?10].然而目前國(guó)內(nèi)外尚且沒有對(duì)摻鋰渣再生混凝土這種新型結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行系統(tǒng)的探索.

基于再生混凝土的研究現(xiàn)狀及新疆地區(qū)特點(diǎn)，本文通過測(cè)定混凝土劈拉強(qiáng)度來分析影響摻鋰渣再生混凝土抗拉性能的因素.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：雁池牌P·042.5普通硅酸鹽水泥，來自新疆烏魯木齊市紅雁池電廠有限公司，其化學(xué)成分見表1.

鋰渣：新疆烏魯木齊市鋰鹽廠堆存的固體工業(yè)廢棄物，其化學(xué)成分如表1所示.

表1 水泥及鋰渣的化學(xué)成分（單位：%）

天然粗骨料：新疆地區(qū)的卵石，粒徑范圍是4.75～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配，其性能見表2.

表2 粗骨料性能

再生粗骨料：收集不同來源的廢棄混凝土后，再進(jìn)行破碎加工成粗骨料，其粒徑范圍是4.75～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配.依照國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行類別劃分，本實(shí)驗(yàn)采用II類粗骨料，其性能見表2.

細(xì)骨料：新疆地區(qū)的天然砂，中砂且細(xì)度模數(shù)2.9，表觀密度為2 640 kg/m3.

水：選用烏魯木齊地區(qū)自來水.

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)中混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是C30，水灰比是0.45.而鋰渣摻量選取0%、10%、15%、20%、25%；再生粗骨料摻量選取0%、30%、50%、70%；齡期為3 d、7 d、28 d.以此來探索不同摻量的再生粗骨料和鋰渣以及不同齡期對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響.按照國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范[11]要求，試件的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.

試驗(yàn)主要從再生粗骨料摻量、鋰渣摻量、齡期三個(gè)方面對(duì)劈拉強(qiáng)度進(jìn)行探索.為減少因再生粗骨料吸水率而影響混凝土劈拉強(qiáng)度，故結(jié)合考慮再生粗骨料的吸水率及含水率來對(duì)混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整.依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[12]中的設(shè)計(jì)方法[13]，將實(shí)際用水量分為凈用水量與附加用水量，故試驗(yàn)前需確定拌合物附加用水量，附加用水量計(jì)算公式如（1）

式中Mg為每立方米混凝土中含有的再生粗骨料，Wwg為再生粗骨料吸水率，Wwh為再生粗骨料含水率.

II類再生粗骨料吸水率是3.46%，含水率是1.32%，本次試驗(yàn)配合比見表3.

1.3 試件的制作與養(yǎng)護(hù)

混凝土拌合物采用HJW60型強(qiáng)制式單臥軸混凝土攪拌機(jī)攪拌，先將水泥、鋰渣及細(xì)骨料攪拌均勻，再將粗骨料放入，繼續(xù)攪拌以使其均勻混合，最后加入水，攪拌3到5 min，將混合均勻的混凝土拌合物裝入已刷好脫模劑的試模中，然后放在振動(dòng)臺(tái)上振搗至澆筑面不出現(xiàn)大的氣泡為止，待振搗密實(shí)后將試模表面用刮刀抹平，靜置24 h后拆除試模，并將試件放入養(yǎng)護(hù)室使其在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（如圖1所示）.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)條件下試塊養(yǎng)護(hù)

表3 鋰渣再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.4 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇TYE—3000B型壓力試驗(yàn)機(jī)，最大量程是3 000 KN，加載速率是0.06 Mpa/s，試驗(yàn)裝置如圖2所示.試驗(yàn)測(cè)試根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[11]分別測(cè)3 d、7 d和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度值.

圖2 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 劈裂抗拉試驗(yàn)現(xiàn)象

在加載初始階段，試件的表面沒有出現(xiàn)裂縫，但荷載逐漸增大后，試件表面中央部位開始出現(xiàn)裂縫，并且當(dāng)荷載持續(xù)增大時(shí)，裂縫逐漸向墊條附近延伸開展且其寬度也逐漸增大，最后在試件表面形成一條自上而下的貫通裂縫（見圖3），繼而試件被劈裂，其破壞的截面如圖4所示.由圖4可以看出，混凝土劈裂破壞形式包括粗骨料與新水泥砂漿之間的界面粘結(jié)破壞和粗骨料自身的斷裂破壞.

對(duì)比混凝土劈裂破壞截面，可發(fā)現(xiàn)再生混凝土破壞截面上存在部分再生粗骨料斷裂的現(xiàn)象，而在普通混凝土破壞截面上則出現(xiàn)了較多粗骨料和新水泥砂漿之間的界面粘結(jié)破壞，很少發(fā)生粗骨料自身被劈裂.這主要由于再生粗骨料在廢棄混凝土破碎過程中受到損傷，已產(chǎn)生輕微裂縫，降低了再生粗骨料自身強(qiáng)度，因此在拉應(yīng)力作用下，再生粗骨料更容易發(fā)生斷裂，從而造成試件內(nèi)部形成貫穿裂縫而導(dǎo)致混凝土被劈裂.

圖3 貫通裂縫

圖4 破壞截面

2.2 劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果

混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度見表4.

表4 混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 齡期的影響

齡期對(duì)混凝土抗拉性能的影響見圖5、圖6.

從圖5可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于普通混凝土而言，混凝土劈拉強(qiáng)度與齡期正相關(guān)，3 d和7 d的劈拉峰值出現(xiàn)在鋰渣摻量為10%處，其強(qiáng)度較同齡期下未摻鋰渣的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)了61.8%和44.3%，28 d的劈拉峰值出現(xiàn)在20%處，其強(qiáng)度較同齡期下未摻鋰渣的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)了37.7%，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，鋰渣摻量對(duì)混凝土各齡期下劈裂抗拉性能都有提高作用；早期時(shí)，摻鋰渣混凝土與未摻鋰渣混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)量相比，增幅不明顯，這說明鋰渣的摻入對(duì)于混凝土早期抗拉性能的增長(zhǎng)影響不明顯.當(dāng)鋰渣摻入量是0%時(shí)，28 d的混凝土抗拉強(qiáng)度較3 d的抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)1.88 MPa.而當(dāng)鋰渣摻入量是10%和20%時(shí)，其28 d的劈拉強(qiáng)度較3 d的劈拉強(qiáng)度分別增長(zhǎng)1.97 MPa和2.71 MPa.這說明在水化反應(yīng)后期時(shí)，鋰渣充分參與水化反應(yīng)，對(duì)混凝土的后期劈拉強(qiáng)度有顯著提高作用.

通過圖6可以看出對(duì)于再生混凝土而言，當(dāng)再生粗骨料摻入量為50%時(shí)，早期部分摻入鋰渣再生混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)量低于未摻入鋰渣再生混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)量.這是因?yàn)樵谠缙跁r(shí)，鋰渣活性低于水泥活性，摻入鋰渣后，水化速度降低，不利于混凝土早期劈拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)，但鋰渣對(duì)混凝土后期劈拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率有促進(jìn)作用.當(dāng)再生粗骨料摻入量是30%和70%，可以得到與之相類似的結(jié)論.

圖5 再生粗骨料摻量為0%時(shí)齡期對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖6 再生粗骨料摻量為50%時(shí)齡期對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

綜上所述，對(duì)于3 d劈拉強(qiáng)度而言，當(dāng)再生粗骨料摻入量是70%，鋰渣摻入量是10%時(shí)，摻鋰渣再生混凝土劈拉強(qiáng)度最高，其強(qiáng)度比未摻入鋰渣的普通混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)了119.66%.對(duì)于7 d抗拉強(qiáng)度而言，當(dāng)再生粗骨料摻入量為70%，鋰渣摻入量為10%時(shí)，摻鋰渣再生混凝土的劈拉強(qiáng)度達(dá)到最大，其強(qiáng)度較未摻入鋰渣的普通混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)61.99%.對(duì)于28 d抗拉強(qiáng)度而言，當(dāng)再生粗骨料摻量為70%，鋰渣摻量為15%時(shí)，摻鋰渣再生混凝土抗拉強(qiáng)度最大，其強(qiáng)度較未摻入鋰渣的普通混凝土增長(zhǎng)了57.40%.

3.2 鋰渣摻量的影響

鋰渣摻量對(duì)混凝土劈拉性能的影響如圖7、圖8所示.

通過圖7可以看出無論再生粗骨料摻入量是多少，再生混凝土3 d劈拉強(qiáng)度均高于普通混凝土.這是因?yàn)樵偕止橇蠐饺牒?，由于其吸水率大造成混凝土相?duì)水灰比減小，從而提高了抗拉強(qiáng)度.再者因?yàn)槠浔砻嬗邪纪共黄降奶攸c(diǎn)，較為粗糙，能更好的與水泥砂漿相結(jié)合，提高界面粘結(jié)力.鋰渣摻量為10%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，這是因?yàn)殇囋奶厥庑螒B(tài)效應(yīng)在水泥石中既可以相當(dāng)于未水化的水泥顆粒起到填充密實(shí)作用，又可以參與水化過程，能提升混凝土的抗拉性能.但是，由于鋰渣活性低于水泥活性，當(dāng)摻量過多后，勢(shì)必延緩了整個(gè)體系的水化速度，從而降低混凝土的早期抗拉強(qiáng)度.對(duì)于齡期為7 d的混凝土而言，與3 d的混凝土類似，其劈拉峰值均出現(xiàn)在鋰渣摻量為10%處.

圖7 鋰渣摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響(3 d)

圖8 鋰渣摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響(28 d)

從圖8可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于齡期為28 d的混凝土而言，其劈拉峰值均出現(xiàn)在鋰渣摻量為20%處（再生粗骨料摻量為70%的除外）.這說明在反應(yīng)后期，水泥及鋰渣充分水化且鋰渣可以有效提高混凝土的后期強(qiáng)度，因而鋰渣摻入量從0%增加至20%過程中，混凝土劈拉強(qiáng)度也隨之增大，但在20%到25%時(shí)，強(qiáng)度逐漸降低，說明過多的鋰渣會(huì)造成水泥含量下降，影響混凝土抗拉強(qiáng)度.

3.3 再生粗骨料摻量的影響

再生粗骨料摻量對(duì)混凝土劈拉性能的影響如圖9所示.

根據(jù)圖9可知對(duì)于未摻鋰渣的混凝土而言，當(dāng)再生粗骨料的摻入量逐漸增多時(shí)，混凝土28 d的劈拉強(qiáng)度呈先增高后降低的發(fā)展趨勢(shì)，其劈拉峰值出現(xiàn)在再生粗骨料摻入量為30%處.因?yàn)檫^多再生粗骨料的摻入，會(huì)造成卵石在整個(gè)漿體中的比例下降，且由于再生粗骨料自身存在裂縫缺陷，勢(shì)必降低整個(gè)骨料體系的強(qiáng)度，從而降低混凝土的抗拉強(qiáng)度.

圖9 再生粗骨料摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響

對(duì)于摻鋰渣混凝土而言，再生粗骨料對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響趨勢(shì)為隨再生粗骨料摻量增加而增高，其劈拉峰值都出現(xiàn)在再生粗骨料摻入量為70%處.這是由于再生粗骨料外表面不光滑，有棱角存在，而在不同摻量鋰渣的特殊形態(tài)作用下，造成不同摻量再生骨料填補(bǔ)了混凝土中天然粗骨料骨架中的空隙，從而形成最優(yōu)級(jí)配，由此提升了抗拉強(qiáng)度.再生粗骨料摻入量為70%，鋰渣摻入量為15%時(shí)，混凝土的劈拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，較同鋰渣摻入量下的普通混凝土增長(zhǎng)17.2%.這驗(yàn)證了再生粗骨料確實(shí)對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度有提高作用.通過研究3 d和7 d的混凝土劈拉強(qiáng)度，可以得出與28 d的混凝土相似的結(jié)論.

綜上所述，鋰渣摻入量對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的影響趨勢(shì)均呈先增高后降低.再生粗骨料摻入量對(duì)未摻鋰渣混凝土的劈拉強(qiáng)度影響趨勢(shì)均為先增高后降低，再生粗骨料摻量對(duì)摻鋰渣混凝土劈拉強(qiáng)度的影響趨勢(shì)均為隨再生粗骨料摻量的增高而升高.

4 結(jié)論

（1）當(dāng)齡期逐漸增長(zhǎng)時(shí)，混凝土的劈拉強(qiáng)度也逐漸增大.雖然鋰渣的摻入對(duì)混凝土早期的抗拉性能增長(zhǎng)沒有太大影響，但是適量鋰渣可以顯著提高混凝土后期抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率；

（2）鋰渣摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響均呈先增高后降低的趨勢(shì).3 d和7 d的劈拉峰值出現(xiàn)在鋰渣摻量在10%處，28 d的劈拉峰值出現(xiàn)在鋰渣摻量在20%處（再生粗骨料摻入量為70%除外）；

（3）再生粗骨料摻量對(duì)未摻鋰渣混凝土的劈拉強(qiáng)度影響均呈先增高后降低的趨勢(shì)，劈拉峰值出現(xiàn)在再生粗骨料摻入量在30%處.而再生粗骨料摻量對(duì)摻鋰渣混凝土的劈拉強(qiáng)度影響趨勢(shì)均為隨再生粗骨料摻量的增加而升高，劈拉峰值出現(xiàn)在再生粗骨料摻入量在70%處；

（4）由于試驗(yàn)主要針對(duì)摻鋰渣再生混凝土抗拉性能的研究，對(duì)于摻鋰渣再生混凝土的其他基本力學(xué)性能，有待于進(jìn)一步探索.