鋰渣混凝土中氯離子吸附的影響因素研究

王 晨

(新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

混凝土結(jié)構(gòu)是目前應用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)[1]。隨著耐久性問題的日益嚴重，混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到諸多有害因素的制約，如何解決該問題成為各專家學者的研究重點[2]。鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性的最不利因素，其中以氯離子的影響最為突出[3]?；炷林械穆入x子分兩種[4]：一是混凝土中的自由氯離子，會使鋼筋表面pH值下降、鋼筋脫鈍，逐步引起鋼筋銹脹、混凝土開裂最終導致混凝土結(jié)構(gòu)失效[5]；二是混凝土中被固定的氯離子，物理吸附是以C-S-H凝膠和微孔結(jié)構(gòu)吸附為主[6]，化學結(jié)合則以與混凝土中C3A反應生成F鹽為主要結(jié)合方式[7]，兩種方式統(tǒng)稱為混凝土吸附作用。

研究表明[8-11]：在混凝土中加入活性礦物摻合料，能改善混凝土氯離子吸附性能，是目前混凝土耐久性研究中較常見的方向之一。鋰渣是一種含堿量極低的活性材料，具有易磨性好、比表面積高等特點。鋰渣作為混凝土礦物摻合料的相關(guān)性能已有一定的研究，但是主要集中在混凝土的新拌性能、力學性能以及耐久性能的某些方面，采用電通量法和化學法測定自由氯離子含量等也有諸多研究[12-14]，但以上文獻沒有探討鋰渣對氯離子的吸附性作用，為此，本文采用自然擴散法研究鋰渣混凝土吸附氯離子影響因素。

1 試驗

1.1 原材料

水為烏魯木齊市自來水；水泥為新疆天山水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5級產(chǎn)品；鋰渣為新疆昊鑫鋰鹽開發(fā)有限公司生產(chǎn)，80 μm方孔篩篩余4.0%，比表面積 417 m2/kg，密度2.48 g/cm3；水泥和鋰渣的主要成分對照見表1；細集料為烏拉泊水庫河砂，細度模數(shù)2.60；粗集料為卵石，粒徑5 mm～12.5 mm連續(xù)級配；表觀密度2 650 kg/m3；減水劑為聚羧酸高效減水劑。

表1 水泥、鋰渣主要化學成分對照表 %

1.2 試件配合比

混凝土試件配合比按 C20,C30,C40,C60 四個強度等級設計，數(shù)字0,10,20,30分別代表試件所用鋰渣質(zhì)量占膠凝材料質(zhì)量的比重為0%,10%,20%,30%，混凝土試件配合比見表2。

表2 混凝土試件配合比

1.3 試件制備

將原材料拌和，澆筑、振搗成型φ100 mm高50 mm的圓柱形試件。帶模養(yǎng)護24 h，拆模后放入飽和Ca(OH)2溶液中標準養(yǎng)護28 d，隨后將試件取出置于清水中浸泡48 h。

1.4 試驗方法

將試件分別置于質(zhì)量分數(shù)5%,10%和20%的NaCl溶液中，達到預定侵蝕齡期后取出，放入烘箱中60 ℃烘干48 h。分層鉆芯取樣，測定試件不同深度的氯離子含量。參照JTJ 270—98水運工程混凝土試驗規(guī)程中的方法測定試樣粉末中自由氯離子含量和粉末中氯離子總含量，計算被吸附的氯離子含量為：

Ca=Ct-Cf

(1)

其中，Ca為被吸附的氯離子含量，%；Ct為氯離子總量，%；Cf為自由氯離子含量，%。根據(jù)Nilsson等[15]定義的混凝土氯離子結(jié)合能力R的計算公式為：

(2)

由試驗所測得的氯離子含量，進行線性回歸分析，得到二者之間符合線性關(guān)系式為：

Ct=KCf

(3)

其中，K為試驗常數(shù)。

將式(1)，式(3)代入式(2)中得到氯離子吸附能力表達式為：

(4)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鋰渣摻量對混凝土的氯離子吸附能力的影響

圖1，圖2為浸泡鹽溶液10%濃度的試件的氯離子吸附能力。結(jié)果表明：試件的氯離子吸附能力隨鋰渣摻量的增加呈先增加后降低的趨勢。氯離子吸附能力提高的原因可能是：試件中除了C3A等成分對氯離子起到一定的吸附作用外，鋰渣與水泥水化物Ca(OH)2之間產(chǎn)生火山灰效應，促使更多C-S-H凝膠的生成，試件的孔結(jié)構(gòu)更加細化、膠凝材料孔隙溶液中pH值降低，使混凝土對氯離子的吸附能力提高。當混凝土中的鋰渣摻量過高時，會導致混凝土的初級水化產(chǎn)物數(shù)量不足，混凝土中F鹽的生成幾率就會下降，即降低混凝土對氯離子的化學吸附，導致混凝土的氯離子吸附能力下降。

2.2 水灰比對鋰渣混凝土氯離子吸附能力的影響

圖3，圖4為浸泡鹽溶液5%濃度的試件的氯離子吸附能力影響的規(guī)律。由圖3，圖4可知：隨著試件的水灰比逐漸增大，氯離子吸附能力呈越來越強的趨勢，對氯離子的吸附量也逐漸增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為：水灰比越大，水泥的水化程度越高，生成的水化產(chǎn)物越多，更有利于F鹽的生成，即化學吸附量提高；水灰比增大混凝土孔結(jié)構(gòu)變疏松，毛細孔增加，更有利于氯離子的進入，使膠凝材料接觸到氯離子的幾率增大，從而使物理吸附增加。

2.3 氯鹽濃度對鋰渣混凝土氯離子吸附能力的影響

表3是不同氯鹽濃度下的鋰渣混凝土氯離子吸附能力，表4是氯離子吸附量。由表3，表4可知氯離子吸附能力及氯離子吸附量均隨著NaCl溶液濃度的增加而逐漸增大。氯鹽濃度越高，氯離子越多，在試件內(nèi)外部溶液逐漸趨于平衡的過程中，由于吸附作用、濃度梯度等因素的相互影響，外部氯鹽濃度越高膠凝材料吸附氯離子的化學勢越高，表現(xiàn)為氯離子吸附能力增強、氯離子吸附量增加。

表3 不同NaCl濃度下混凝土的氯離子吸附能力R

表4 不同NaCl濃度下混凝土的氯離子吸附量Ca

2.4 擴散深度對鋰渣混凝土氯離子吸附能力的影響

圖5，圖6為浸泡鹽溶液20%濃度擴散深度對氯離子吸附能力及氯離子濃度的影響規(guī)律。由圖5，圖6可知：擴散深度增加，氯離子吸附能力不斷增加。本文中的氯離子一直以擴散的方式向試件內(nèi)傳輸，擴散的過程需要時間，故氯離子濃度由表及里逐漸降低。試件表層接觸的氯離子濃度高，吸附材料接觸氯離子的機會大，發(fā)生化學反應及物理吸附的氯離子的量也會增加，但孔隙中的每個氯離子被吸附的幾率就降低了，表現(xiàn)為氯離子吸附能力較差。隨著擴散深度的增加氯離子濃度降低，此時每個氯離子被結(jié)合的幾率升高，表現(xiàn)為氯離子吸附能力較好。

3 結(jié)語

1)鋰渣混凝土的氯離子吸附能力會隨鋰渣摻量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

2)鋰渣混凝土的水灰比越大，其氯離子吸附能力及氯離子吸附量均有提高。

3)鋰渣混凝土的氯離子吸附能力、氯離子吸附量均隨溶液中氯離子的增加而增大。

4)對鋰渣混凝土而言，隨著擴散深度的增加，氯離子吸附能力呈不斷增加的趨勢。