鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂機理研究

【摘要】采用刀口法對鋰渣、鋼渣高性能混凝土的早期抗裂性能進行試驗研究，試驗結(jié)果表明水膠比是影響鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂性能的主要因素。在相同配比的條件下，復(fù)摻鋰渣、鋼渣高性能混凝土在各組試驗混凝土的早期抗裂性能中表現(xiàn)最優(yōu)。鋰渣、鋼渣取代部分水泥從而降低了由于水泥水化形成的化學(xué)縮減，同時鋰渣、鋼渣在水泥水化過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以緩解因水泥水化形成的自干燥現(xiàn)象，降低混凝土早期的干縮和自收縮，其水化產(chǎn)物的膨脹性能夠補償高性能混凝土的早期收縮，從而提高鋰渣、鋼渣高性能混凝土的早期抗裂性能。

【關(guān)鍵詞】高性能混凝土； 鋰渣； 鋼渣； 水膠比； 早期抗裂性能

A Study on the Cracking Resistance Theory at Early Ages of High Performance Concrete added with Lithium Slag and steel Slag

LI Zhijun

（Xinjiang Poplar River Basin Authority，Xinjiang Urumqi 830000，China）

Abstract： Using the knife edge method for early cracking performance lithium slag， slag high performance concrete pilot study， test results show that the water-cement ratio is a major factor lithium slag， steel slag high performance concrete Early Cracking Performance. Under the same conditions proportions， mixed with lithium complex slag， slag optimum performance of high performance concrete in the early crack resistance of concrete in each set of tests. Lithium slag， slag cement replace part thereby reducing the formation of hydration of cement due to chemical reduction， while lithium slag， slag cement hydration process occurs in a chemical reaction， can relieve from dryness due to the formation of cement hydration， reduce early concrete shrinkage and autogenous shrinkage， expansion of its hydration products can compensate for early shrinkage of high performance concrete， thereby improving early crack resistance lithium slag， slag high performance concrete.

Key words： high performance concrete； lithium slag；Steel slag； water to binder ratio； cracking resistance at early ages

1、引言

近年來，我國高性能混凝土的研究、應(yīng)用有了較快的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。而大量的研究證實，導(dǎo)致混凝土劣化而使其耐久性降低的最主要原因是混凝土結(jié)構(gòu)物在各種條件下的開裂及微裂縫的擴展，因此，如何防止混凝土結(jié)構(gòu)物的開裂，提高混凝土材料自身的抗裂性，是現(xiàn)代水泥混凝土工程技術(shù)中的一項重大課題。一直以來，國內(nèi)外許多專家和學(xué)者對混凝土的裂縫問題做了大量的研究工作，然而其中關(guān)于摻合料對高性能混凝土早期抗裂機理的研究則相對較少，特別是對于復(fù)摻鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂機理的研究仍是一片空白。本文采用刀口法對不同摻量和配比的鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂性能進行系統(tǒng)試驗研究，通過對比分析各項試驗因素對結(jié)果的影響，以此來研究鋰渣、鋼渣高性能混凝土的早期抗裂機理。

2、試驗

2.1 試驗原材料

水泥： 試驗選用新疆天山水泥廠生產(chǎn)的的42.5R普通硅酸鹽水泥；鋰渣：試驗選用新疆鋰鹽廠烘干鋰渣；鋼渣：試驗所選用的鋼渣為新疆八一鋼鐵廠鋼渣；細(xì)骨料：試驗選用的細(xì)骨料為烏魯木齊河水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.91，級配良好，屬于I區(qū)中砂的中砂； 粗骨料： 試驗選用的粗骨料為烏魯木齊河卵石，連續(xù)級配，粒徑范圍5mm～25mm；外加劑： 試驗選用新疆格輝科技有限公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑。

2.2 試驗方案設(shè)計

為了研究復(fù)摻鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂機理，本文選取0.30、0.35 和0.40三種水膠比，綜合摻量設(shè)計為40%。對比試驗分別選用同樣配合比的普通水泥混凝土、單摻鋰渣混凝土、單摻鋼渣混凝土以及復(fù)摻鋰渣、鋼渣高性能混凝土進行早期抗裂試驗，具體方案見表1。

2.3 試驗方法

本文采用刀口法進行鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂性能試驗，試驗方法參見《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（ GB /T50082-2009） ，選取最大裂縫寬度和單位面積上總開裂面積作為衡量混凝土早期抗裂性能的指標(biāo)，每組3個試件，三個試件的平均值作為該組試驗結(jié)果。

3、試驗結(jié)果與分析

依照表1中試驗方案進行鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂性能對比試驗，具體試驗結(jié)果見表2。由表2中鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂對比試驗結(jié)果可以看出：在相同配合比的條件下，各種混凝土的早期抗裂性能均隨著水膠比的增加而提高。

由表2可以看出：在相同水膠比的條件下，摻加鋰渣和鋰渣、鋼渣復(fù)摻的混凝土早期抗裂性能均優(yōu)于普通水泥混凝土；同時，在總摻量相同的情況下，復(fù)摻鋰渣、鋼渣高性能混凝土的早期抗裂性能要優(yōu)于單摻鋰渣和單摻鋼渣混凝土?？梢钥闯觯瑥?fù)摻鋰渣、鋼渣高性能混凝土的早期抗裂性能要優(yōu)于普通混凝土、鋰渣混凝土和鋼渣混凝土。

4、結(jié)論

（1）在試驗選取參數(shù)范圍內(nèi)，水膠比是影響高性能混凝土早期抗裂性能的主要因素，混凝土早期抗裂性能在一定程度上隨著水膠比的增大而提高。

（2） 在相同配比的條件下，復(fù)摻鋰渣、鋼渣高性能混凝土在各組試驗混凝土的早期抗裂性能中表現(xiàn)最優(yōu)。

（3） 鋰渣、鋼渣粉可以取代部分水泥，當(dāng)配比選擇適宜，完全可以替代常規(guī)混凝土，用于水利與建筑工程， 不僅環(huán)保，節(jié)能減排，而且可提高其抗裂性能，降低工程造價。

5、鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂機理

根據(jù)發(fā)生時段的不同，混凝土有三種不同的收縮類型：塑性收縮、干縮、自收縮。收縮是混凝土發(fā)生開裂的根本原因，其中高性能混凝土的自收縮在總的收縮中占有較大的比例。自收縮隨著混凝土中可供水量的減少和孔隙細(xì)化而增大，而且高性能混凝土由于結(jié)構(gòu)致密、低水膠比因素，水泥的水化速率隨著齡期呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，在早期就產(chǎn)生很大的自收縮，這時混凝土強度還不高，往往導(dǎo)致早期裂縫的形成，因此早期的自收縮可能比之后的收縮更加重要。

混凝土的自收縮隨水化反應(yīng)的進行，水分的消耗會致使彎液面的出現(xiàn)，當(dāng)我們不考慮吸附層的時候，氣相中的水平衡分壓如Kelvin方程所示。

此式中，是水蒸汽的平衡分壓，是水的表面張力，是水蒸汽飽和蒸汽壓，是氣體常數(shù)，是水的摩爾質(zhì)量，是絕對溫度，是水的密度，是彎液面的曲率半徑，是孔中水的相對濕度。

混凝土的水灰比較小，水泥石中平均的孔徑比較小，隨著水化，毛孔都充滿了水的水平下降，從而使彎液面的曲率半徑減小，根據(jù)Laplace公式，曲率半徑會減小，彎液面下的附加壓力的絕對值會增大，同時，較小曲率半徑相對應(yīng)的是較小的相對濕度，相對濕度的變化又反過來決定孔中液相表面張力的大小，所以，氣相的壓力越小，表面張力也就越大 。

通常我們認(rèn)為，水的表面張力是常數(shù)，但是孔中相對濕度低，相對應(yīng)的彎液面曲率半徑小，水的表面張力發(fā)生變化，氣相相對濕度為75%時，相對應(yīng)的彎液面的曲率半徑大約為3nm，其表面張力也發(fā)生了變化，在表面張力增大與液面曲率半徑減小兩者共同作用下，毛細(xì)管張力增大，經(jīng)研究，當(dāng)毛細(xì)孔中蒸汽壓相當(dāng)于飽和蒸汽壓的50%，毛細(xì)管的張力可以達到110MPa。這個應(yīng)力作用在孔的內(nèi)壁，混凝土有收縮的趨勢，混凝土所承受的表面張力及所承受的壓應(yīng)力和表面張力作用的面積有關(guān)系，如（1-2）式所示：

此式中，是表面張力的作用面積，用單位體積混凝土中水的體積含量表征，是表面張力作用使混凝土所承受的壓應(yīng)力。

由以上我們可知，水化作用致使混凝土自干燥，在這個過程中，毛細(xì)孔中彎液面的曲率半徑減小，因為氣相相對濕度的減小致使液相拆開壓力減小和液相表面張力提高。在這些因素共同作用下，混凝土受到了壓縮，致使混凝土在外部的體積縮小。

復(fù)摻鋰渣、鋼渣高性能混凝土早期抗裂性能優(yōu)于其他混凝土的主要原因體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）鋰渣中SO3 的含量較高，在水化反應(yīng)的過程中極易溶解出來，與活性Al2O3反應(yīng)生成鈣礬石，其微膨脹性對減少混凝土的自收縮起一定作用，這些晶體在早期水泥硬化過程中與膠結(jié)料間以輻射狀成長使硬化混凝土的體積產(chǎn)生微膨脹，抑制了混凝土的收縮。磨細(xì)的鋰渣具有較高的活性，比表面積越大，活性越高，填充效應(yīng)增強，非活性顆粒分散在硬化水泥漿體中，使得32nm～100nm孔徑范圍的孔隙含量減少，混凝土早期的自收縮和干燥收縮降低，提高混凝土的抗裂性。

（2）摻加適量的鋼渣可以降低混凝土的早期收縮，鋼渣的活性低于硅酸鹽水泥，適量的鋼渣替代水泥，降低了由于水泥水化形成的化學(xué)收縮。鋼渣中含有一定量的CaO、MgO，這些物質(zhì)在水泥水化過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生微量的膨脹，對混凝土收縮有少許補償作用。

（3）鋰渣具有一定的水化活性，激發(fā)劑的加入促進了鋰渣的水化，鋰渣的水化又可以激發(fā)并促進鋼渣的水化反應(yīng)，鋰渣微粉與鋼渣微粉的相互活化作用，更有利于鋰渣、鋼渣微粉活性的發(fā)揮。

參考文獻：

[1]周世華，董蕓，楊華全.混凝土收縮開裂測試技術(shù)的研究現(xiàn)狀與評述[J].水力發(fā)電，2008（3）：40-43.

[2]唐建華，蔡基偉，周明凱. 高性能混凝土的研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 國外建材科技，2006（3）：11-15.

[3][意]Mario.Collepardi.混凝土新技術(shù)[M].劉數(shù)華，冷發(fā)光，李麗華譯.北京：中國建材工業(yè)出版社，2008，9：184-195.

[4]張善德. 鋰渣高性能混凝土強度預(yù)測及圓環(huán)法早期抗裂性試驗研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011，43-44.

[5]王建偉 ，姚文杰. 混凝土的早期收縮機理與開裂條件研究[J]. 低溫建筑技術(shù)，2006（3）：5-7.

[6]尹利，倪哲，李長秀. 高性能混凝土早期自收縮機理及診治原理. 交通科技與經(jīng)濟，2005（5） ：7-8.

[7] K Kovler. Why sealed concrete swells[J].ACI Materials Journal，1996，93（4）：334- 340.

[8] J F Young. The microstructure of hardened of Hardened portland cement paste [C].Z P Bazant.Creep and Shrinkage in Concrete Structure. John Wil ey Sons， Chichester， 1988： 3-22.

[9] Y Yuan， Z L Wan. Prediction of cracking within Early- age concrete due to Thermal Drying and Creep Behavior[J]. Cement and Concrete Research， 2002，32：1053-1059.