鋰渣摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響

呂志栓，何 斌，韓國旗，米紅林，王 晨，陳 欣

(喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，喀什 844008)

隨著對(duì)材料性能要求不斷提高，普通混凝土因自重大、抗拉強(qiáng)度低以及明顯的脆性破壞等缺點(diǎn)，越來越難適應(yīng)重大工程或一些特殊工程的需要。高韌性水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，ECC)具有抗拉強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)材料輕、塑性和韌性高等優(yōu)點(diǎn)，受到中外學(xué)者廣泛關(guān)注[1-2]。礦物摻合料是制備水泥基復(fù)合材料不可或缺的部分，能顯著增強(qiáng)其力學(xué)性能、塑性和韌性，改善水泥基體和纖維界面黏結(jié)性能，展現(xiàn)出良好的裂縫控制能力[3-6]。目前礦物摻合料使用較多的是粉煤灰，將鋰渣應(yīng)用到高韌性水泥基復(fù)合材料中還鮮有報(bào)道。

鋰渣是鋰鹽生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，新疆和四川是生產(chǎn)鋰鹽最主要的產(chǎn)地，每年中國的鋰鹽排放量超過80 t，不僅污染環(huán)境，而且浪費(fèi)資源[7]。隨著相關(guān)學(xué)者[7-8]對(duì)鋰渣深入的研究，其化學(xué)成分和性質(zhì)是相對(duì)均勻和穩(wěn)定的，價(jià)格相較粉煤灰更加低廉。目前，主要用于配制普通混凝土、砂漿以及再生粗骨料混凝土等[8-12]。為此，現(xiàn)用鋰渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粉煤灰摻合料制備水泥基復(fù)合材料，對(duì)比分析鋰渣和粉煤灰摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)原材料包括：水泥、鋰渣、粉煤灰、砂子、PVA纖維(聚乙烯醇纖維)、減水劑、水。

(1)水泥：采用喀什某水泥廠P·O 42.5級(jí)水泥，粒徑不超過80 μm，化學(xué)成分如表1所示，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)。

(2)鋰渣：鋰渣采用烏魯木齊鋰鹽廠鋰渣，如圖1 所示，比表面積420 m2/kg，呈土黃色，使用之前先進(jìn)行烘干、研磨，化學(xué)成分如表1所示，SiO2和Al2O3的含量要遠(yuǎn)高于水泥，CaO含量遠(yuǎn)低于水泥。

圖1 試驗(yàn)用鋰渣

(3)粉煤灰：采用喀什當(dāng)?shù)啬郴痣姀S生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，1 250目，平均粒徑10 μm，化學(xué)成分如表1 所示，SiO2和Al2O3的含量要遠(yuǎn)高于水泥，CaO含量遠(yuǎn)低于水泥。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分

(4)砂子：采用喀什本地區(qū)的粗砂，過篩處理后，最大粒徑不超過0.6 mm的精細(xì)砂，然后用清水將砂子中的泥洗干凈。

(5)纖維：采用日本可樂麗公司生產(chǎn)的K-Ⅱ-12型的PVA纖維，基本物理力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示，PVA的親水性特別強(qiáng)，因此對(duì)纖維的表面進(jìn)行油性處理，以減弱纖維與水泥基體表面的黏結(jié)作用。

表2 PVA纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

(6)減水劑：采用粉狀固態(tài)聚羧酸高效減水劑。

(7)水：采用生活飲用水，pH為7～8。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6組，水膠比、砂膠比和纖維摻量保持不變，分別為0.35、0.3和2%(體積摻率)，鋰渣摻量分別為0.2、0.3、0.4，粉煤灰摻量同鋰渣，其中水膠比為水和膠凝材料的比值，砂膠比為砂子與膠凝材料的比值，鋰渣摻量為鋰渣與膠凝材料的比值，減水劑為膠凝材料的0.6%。每組配合比分別制作3個(gè)單軸拉伸試件和3個(gè)抗壓試件，6組配合比，共18個(gè)受拉試件和18個(gè)受壓試件，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，如表3和表4所示。

表3 水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表4 水泥基復(fù)合材料配合比

1.3 試件制備及試驗(yàn)方法

水泥基復(fù)合材料的制備成功與否和材料的摻加順序及攪拌時(shí)間密切相關(guān)。按照表4的配合比稱量水泥、鋰渣、粉煤灰和砂子的質(zhì)量，依次倒入5 L大小的凈漿攪拌機(jī)中，慢速攪拌3 min，充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后將混合均勻的減水劑和水倒入攪拌機(jī)中，快速攪拌4 min，此時(shí)，水泥基材呈現(xiàn)面團(tuán)狀，然后將分散好的PVA纖維在6～8 min內(nèi)緩慢加入，直到纖維分散均勻，用手揉搓沒有明顯的結(jié)團(tuán)，這是制備水泥基復(fù)合材料成敗的關(guān)鍵。然后將制備好的材料放入受拉和受壓模具中，24 h后拆模，放置于溫度(20±1)℃、相對(duì)濕度為95%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)28 d，取出干燥后進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)，測(cè)其抗拉和抗壓性能。

在材料制備過程中發(fā)現(xiàn)，同等摻量的鋰渣和粉煤灰，前者的黏稠度更大一些，和易性差一些。鋰渣摻量在0.3以下時(shí)，和易性良好，摻量達(dá)到0.4時(shí)，其黏稠度變大，和易性變差，不宜拌和。而粉煤灰摻量在0.4以下時(shí)，一直保持良好的和易性，黏稠度適中。這是由于鋰渣比表面積大且呈多孔結(jié)構(gòu)，在水化過程中需水量比同等量的粉煤灰要大。

單軸拉伸試件采用狗骨試件，水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試驗(yàn)多采用這種試驗(yàn)方法，其測(cè)試段尺寸為100 mm×30 mm×15 mm，兩端為夾持段，中間為測(cè)試段，其長度為100 mm，試件尺寸如圖2所示。采用濟(jì)南川百儀器公司生產(chǎn)的量程為5 kN的電子拉力試驗(yàn)機(jī)，采用位移進(jìn)行加載，加載速率為 0.3 mm/min。受壓試件的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊，采用位移控制加載，加載速率為1 mm/min。加載裝置如圖3所示。

圖2 單軸拉伸試件示意圖

圖3 加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單軸拉伸結(jié)果分析

測(cè)試復(fù)合材料抗拉性能最直接、最有效的方法是單軸拉伸試驗(yàn)。圖4是單軸拉伸試件的破壞形態(tài)，從圖4可以看出，最終破壞的位置主要出現(xiàn)在試件的中間位置附近，一少部分出現(xiàn)在變截面位置附近，這符合單軸拉伸試件的破壞特征。起初，單軸受拉試件處于彈性階段，如圖5所示，此階段主要由水泥基體承擔(dān)拉力，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到水泥基體的開裂強(qiáng)度時(shí)，試件斷裂，摻加PVA纖維的水泥基復(fù)合材料試件不會(huì)出現(xiàn)一拉就壞的脆性破壞現(xiàn)象，這是由于試件斷裂后，纖維起到橋聯(lián)作用，阻止裂縫的進(jìn)一步開展，裂縫位置處的力傳導(dǎo)到纖維上，纖維上的力傳導(dǎo)到裂縫周邊的水泥基體上，出現(xiàn)新的細(xì)小裂縫，直到最終裂縫出齊，最后在試件中部附近出現(xiàn)主裂縫，試件破壞。試件破壞的過程中，出現(xiàn)與鋼筋受拉破壞類似的屈服和應(yīng)變硬化特征，曲線出現(xiàn)反復(fù)的波動(dòng)，類似鋸齒的形狀，并且在試件破壞的過程中，不斷有纖維被拔出或拉斷的響聲。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表5所示。

圖4 單軸受拉試件破壞形態(tài)

圖5 水泥基復(fù)合材料單軸拉伸伸長率-抗拉強(qiáng)度曲線

從表5和圖5可以看出，對(duì)A、B和C組，變化量是鋰渣，隨著鋰渣摻量的增加，水泥基復(fù)合材料的伸長率和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，摻量為0.3時(shí)同時(shí)達(dá)到最大，B組伸長量和抗拉強(qiáng)度最大，A組其次，C組最小，這說明鋰渣摻量有最優(yōu)值，最優(yōu)摻量為0.3。從裂縫數(shù)量分布來看，B組數(shù)量最多，A組其次，C組較少，裂縫數(shù)量多少和延性高低有一定關(guān)系，這也說明水泥基復(fù)合材料的延性隨著鋰渣摻量的增大先增加后減小。摻量較低時(shí)，鋰渣能起填充作用，增加水泥基體的密實(shí)度，并且鋰渣能與水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行二次水化，對(duì)復(fù)合材料的伸長率和抗拉強(qiáng)度起到增強(qiáng)的作用；而摻量過高時(shí)，由于鋰渣的活性低于水泥，使得水泥基體的密實(shí)度降低，伸長率和抗拉強(qiáng)度逐漸降低。

表5 水泥基復(fù)合材料單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)D、E和F組，變化量是粉煤灰，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥基復(fù)合材料的伸長率和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，摻量為0.3時(shí)同時(shí)達(dá)到最大，E組最大，F(xiàn)組其次，D組最小。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粉煤灰摻量在0.3時(shí)最優(yōu)。

對(duì)比兩種礦物摻合料來看，隨著摻量的增加，伸長率和抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。粉煤灰和鋰渣摻量在0.3時(shí)，伸長率和抗拉強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到最大值，并且表現(xiàn)出良好的裂縫控制能力。配制水泥基復(fù)合材料使用較多的是粉煤灰，將鋰渣摻量控制在適當(dāng)范圍內(nèi)時(shí)，也可達(dá)到其效果。

2.2 抗壓結(jié)果分析

圖6為水泥基復(fù)合材料立方體抗壓試件破壞形態(tài)。起初，試件的剛度比較穩(wěn)定，隨著荷載的增加，開始出現(xiàn)豎向裂縫，并伴隨有纖維斷裂的聲響，當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)，并沒有出現(xiàn)水泥基復(fù)合材料大面積剝落的情況，這是由于當(dāng)試件發(fā)生豎向壓縮的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橫向變形，此時(shí)纖維對(duì)水泥基體的橫向變形有約束作用，不會(huì)出現(xiàn)像砂漿和混凝土立方體試件一樣的錐形破壞，破壞裂縫呈豎向。位移持續(xù)增加，最終也未出現(xiàn)試件整體性壓碎的現(xiàn)象，并非典型的脆性破壞。

圖6 立方體抗壓試件破壞形態(tài)

表6為水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度結(jié)果，對(duì)A、B和C組，變量是鋰渣摻量，隨著鋰渣摻量的增加，平均抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，摻量為0.3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，B組最大為28.3 MPa，A組為26.3 MPa，C組為23.8 MPa。這是由于鋰渣顆粒較細(xì)，填充到水泥基體的孔隙中，可增強(qiáng)水泥基體的密實(shí)度，并能產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，提高復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度；而鋰渣摻量過高時(shí)，由于鋰渣自身活性較低，水泥基體密實(shí)度降低，從而降低復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。

表6 水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度

對(duì)D、E和F組，變量是粉煤灰摻量，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，摻量為0.3時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，E組最大為33.9 MPa，D組為30.3 MPa，F(xiàn)組為28.8 MPa。

對(duì)比鋰渣和粉煤灰兩種礦物摻合料，具有相似的特性，隨著摻量的增加，立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，原因相同，都是因?yàn)閮煞N礦物摻合料本身顆粒較細(xì)，可以發(fā)生二次水化反應(yīng)，填充到水泥基體空隙中，增強(qiáng)其密實(shí)度，從而提高其抗壓強(qiáng)度。而摻量過高時(shí)，水化反應(yīng)降低，抗壓強(qiáng)度隨之下降。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

ξ(i)=(Δmin+ρΔmax)/(Δk+ρΔmax)

(1)

rk=∑ζk(i)/N

(2)

式中：ρ取0.5；Δk為子序列中第i個(gè)數(shù)值；N為子序列中元素個(gè)數(shù)。

關(guān)聯(lián)度值越大說明相關(guān)性越大，因素對(duì)目標(biāo)值的影響程度越高[13]。

2.3.1 鋰渣摻量與復(fù)合材料性能關(guān)聯(lián)度分析

對(duì)A、B和C組，以鋰渣摻量為母序列，伸長率、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為子序列，進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果如表7所示，從表7可以看出，伸長率、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與水泥基復(fù)合材料的關(guān)聯(lián)度系數(shù)都超過了0.5，伸長率的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.70，抗拉強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.65，抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.59，鋰渣摻量對(duì)目標(biāo)值的影響大小為伸長率>抗拉強(qiáng)度>抗壓強(qiáng)度，伸長率和抗拉強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)系數(shù)都較大，這也表明鋰渣摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料的延性有較大的影響，同時(shí)，對(duì)抗壓強(qiáng)度也有一定的影響。

表7 鋰渣摻量與水泥基復(fù)合材料性能的灰色關(guān)聯(lián)度

2.3.2 粉煤灰摻量與復(fù)合材料性能關(guān)聯(lián)度分析

對(duì)D、E和F組，以粉煤灰摻量為母序列，伸長率、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為子序列，進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果如表8所示，關(guān)聯(lián)度值都超過了0.5，這說明粉煤灰摻量對(duì)目標(biāo)值都有一定影響，伸長率關(guān)聯(lián)度值為0.79，抗拉強(qiáng)度為0.76，抗壓強(qiáng)度為0.59，粉煤灰摻量對(duì)目標(biāo)值的影響大小為伸長率>抗拉強(qiáng)度>抗壓強(qiáng)度，伸長率和抗拉強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)系數(shù)較大，抗壓強(qiáng)度的系數(shù)相對(duì)較小?？芍?，粉煤灰摻量對(duì)伸長率和抗拉強(qiáng)度的影響程度要高于抗壓強(qiáng)度，對(duì)復(fù)合材料的延性影響更明顯一些。

表8 粉煤灰摻量與水泥基復(fù)合材料性能的灰色關(guān)聯(lián)度

2.3.3 鋰渣代替粉煤灰可行性分析

對(duì)比鋰渣和粉煤灰摻量對(duì)目標(biāo)值的影響，可以發(fā)現(xiàn)，二者對(duì)目標(biāo)值影響類似，摻量對(duì)伸長率和抗拉強(qiáng)度的影響程度要高于抗壓強(qiáng)度，對(duì)復(fù)合材料延性影響比較明顯。同時(shí)，對(duì)抗壓強(qiáng)度也有一定影響。

灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果與單軸拉伸試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)結(jié)果比較一致。鋰渣摻量為0.3時(shí)，伸長率、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到最大值。伸長率和抗拉強(qiáng)度是水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)，是材料延性優(yōu)劣的直接體現(xiàn)。鋰渣摻量在0.3時(shí)，復(fù)合材料具有良好的和易性、力學(xué)性能和延性?？芍?，鋰渣能夠替代粉煤灰進(jìn)行水泥基復(fù)合材料的配制。

3 結(jié)論

以鋰渣摻量為變化因素，粉煤灰摻量作為對(duì)比組，進(jìn)行單軸拉伸和抗壓試驗(yàn)，以伸長率、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為目標(biāo)值，采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)變化因素進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論。

(1)鋰渣摻量在0.3以下時(shí)，和易性良好，達(dá)到0.4時(shí)，黏稠度增強(qiáng)，和易性變差，粉煤灰摻量在0.4以下時(shí)一直保持良好的和易性。

(2)隨著鋰渣摻量的增加，復(fù)合材料的伸長率、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，摻量在0.3時(shí)為最優(yōu)摻量，表現(xiàn)出良好的裂縫控制能力和力學(xué)性能。

(3)灰色關(guān)聯(lián)分析表明，鋰渣和粉煤灰摻量對(duì)伸長率和抗拉強(qiáng)度有明顯的的影響，對(duì)抗壓強(qiáng)度也有一定影響。將鋰渣摻量控制在合適的范圍內(nèi)時(shí)，可得到良好的和易性、力學(xué)性能和延性，因此，用鋰渣代替粉煤灰是可行的。