鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂機(jī)理研究*

楊恒陽

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊，83000)

混凝土材料自問世以來便得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是隨著高性能混凝土的面世使得一些大跨、高聳結(jié)構(gòu)得以建成。與此同時，混凝土建筑物在建設(shè)和使用過程中也存在著諸如混凝土結(jié)構(gòu)開裂、有害環(huán)境侵蝕、鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)劣化等一些問題和不足，在一定程度上制約了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)文明的建設(shè)。其中，裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)工程中存在較為普遍的問題，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力超過自身的極限抗拉強(qiáng)度時，混凝土結(jié)構(gòu)會發(fā)生開裂，產(chǎn)生相應(yīng)的裂縫。裂縫作為一種劣化現(xiàn)象，它的存在會加速有害介質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕，直接影響到建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，縮短建筑物的使用壽命。一直以來，國內(nèi)外很多專家和學(xué)者圍繞著混凝土的裂縫問題做了大量的研究工作，同時在混凝土開裂機(jī)理、混凝土抗裂試驗研究的方法以及抗裂措施等方面取得了諸多成果，然而其中關(guān)于復(fù)摻高性能混凝土摻合料對高性能混凝土早期抗裂機(jī)理的研究則相對較少，特別是對于復(fù)摻鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂機(jī)理的研究。本文在利用刀口法對于不同摻量和配比的鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能進(jìn)行系統(tǒng)試驗研究的基礎(chǔ)上，通過對比分析各項試驗因素對結(jié)果的影響，從而對鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂機(jī)理進(jìn)行探究。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥:新疆天山水泥廠42.5R級水泥，主要化學(xué)成分及物理技術(shù)指標(biāo)見表1、表2;鋰渣:新疆鋰鹽廠鋰渣，主要化學(xué)成分及物理技術(shù)指標(biāo)見表3、表4;粉煤灰:新疆瑪納斯電廠Ⅱ級粉煤灰，主要化學(xué)成分及物理技術(shù)指標(biāo)見表5、表6;細(xì)骨料:烏魯木齊河河砂，級配良好的中砂，細(xì)細(xì)度模數(shù)為2.92;粗骨料:烏魯木齊河河卵石，連續(xù)級配，粒徑范圍5mm～25mm;外加劑:新疆格輝科技有限公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑。

表1 42.5R普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分 /%

表2 42.5R普通硅酸鹽水泥物理技術(shù)指標(biāo)

表3 鋰渣的化學(xué)成分 /%

表4 鋰渣的物理性質(zhì)指標(biāo)

表5 粉煤灰的化學(xué)成分 /%

表6 粉煤灰的物理性質(zhì)指標(biāo) /%

1.2 試驗方案設(shè)計

為了研究復(fù)摻鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂機(jī)理，本文選取 0.30、0.35 和 0.40 3 個水膠比，參照以往試驗結(jié)果中鋰渣、粉煤灰最優(yōu)摻量，將綜合摻量設(shè)計為25%。分別選用同樣配合比的純水泥混凝土、單摻鋰渣混凝土、單摻粉煤灰混凝土以及復(fù)摻鋰渣、粉煤灰高性能混凝土進(jìn)行早期抗裂試驗，具體方案見表7。

表7 鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能試驗方案

1.3 試驗方法

本文采用刀口法進(jìn)行鋰渣、粉煤灰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，選取3者平均值作為該組試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與分析

依據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程，依照表7中試驗配合比方案隨機(jī)安排試驗，各組混凝土早期抗裂試驗結(jié)果見表8。

由表8中鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂試驗結(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。為了更為直觀地表述復(fù)摻鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能，根據(jù)表8中試驗數(shù)據(jù)分別繪制出各組混凝土的水膠比與最大裂縫寬度和單位面積上總開裂面積關(guān)系曲線圖，如圖1和圖2所示。

表8 鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能試驗結(jié)果

圖1 混凝土水膠比與最大裂縫寬度關(guān)系曲線圖

圖2 混凝土水膠比與單位面積上總開裂面積關(guān)系曲線圖

由圖1、2可以看出:在相同水膠比條件下，摻加鋰渣或者粉煤灰的混凝土早期抗裂性能均優(yōu)于普通水泥混凝土;同時，在礦物摻合料總摻量相同的前提下，復(fù)摻鋰渣、粉煤灰高性能混凝土的早期抗裂性能要優(yōu)于單摻鋰渣和單摻粉煤灰混凝土，其早期抗裂性能在4種試驗混凝土中表現(xiàn)為最優(yōu)。

3 鋰渣、粉煤灰混凝土早期抗裂機(jī)理

作為一種人造石材，混凝土自澆注成型后體積會發(fā)生不同程度的變化，包括混凝土早期的體積變化、膠凝材料水化過程中的體積變化以及凝結(jié)硬化之后的體積變化。導(dǎo)致混凝土發(fā)生體積變化的主要因素分為收縮、溫度變化和濕度變化，其中收縮對混凝土的體積變化影響最為顯著?；炷恋氖湛s主要有干縮和冷縮兩種類型，包括沉降收縮、塑性收縮、干燥收縮、水化收縮、自收縮以及碳化收縮，其中塑性收縮和自生干燥收縮是影響高性能混凝土早期體積變化的最主要因素。復(fù)摻鋰渣、粉煤灰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)高性能混凝土一般具有低水膠比的特點，由于水泥發(fā)生水化作用消耗大量的水導(dǎo)致混凝土發(fā)生水化收縮和干燥收縮，而作為礦物摻合料的粉煤灰由于具有塑化作用，不參與早期的水化反應(yīng)，因而能夠減小鋰渣、粉煤灰高性能混凝土早期的自生干燥收縮，在一定程度上提高鋰渣、粉煤灰高性能混凝土的早期抗裂性能。

(2)鋰渣中含量較高的三氧化硫(SO3)能夠與水泥水化生成的氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生反應(yīng)生成具有膨脹性的二水石膏(CaSO4·2H2O)，同時石膏能夠與水化鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·6H2O)反應(yīng)生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)。由于石膏和鈣礬石均具有膨脹性，能夠補(bǔ)償高性能混凝土的早期塑性收縮，因而能夠提高鋰渣、粉煤灰高性能混凝土的早期抗裂性能。

4 結(jié)論

(1)在相同配比的條件下，單摻鋰渣和單摻粉煤灰混凝土的早期抗裂性能均較常規(guī)水泥混凝土有一定程度的提高，復(fù)摻鋰渣、粉煤灰混凝土的早期抗裂性能優(yōu)于單摻鋰渣或者單摻粉煤灰混凝土，在各組試驗混凝土早期抗裂性能中表現(xiàn)最佳。

(2)水膠比是影響高性能混凝土早期抗裂性能的主要因素，在試驗選取參數(shù)范圍內(nèi)，各組混凝土的早期抗裂性能均隨著水膠比的增大而呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢。

(3)復(fù)摻鋰渣、粉煤灰作為高性能混凝土的礦物摻合料提高混凝土早期抗裂性能的作用機(jī)理一方面在于粉煤灰具有塑化作用，能夠在一定程度上提高高性能混凝土中的水灰比，降低高性能混凝土的自生干燥收縮;另一方面在于鋰渣發(fā)生水化反應(yīng)的產(chǎn)物石膏和鈣礬石均具有膨脹性，能夠在一定程度上補(bǔ)償高性能混凝土的早期塑性收縮。由于鋰渣和粉煤灰2種摻合料的優(yōu)勢互補(bǔ)，減少了高性能混凝土早期因收縮產(chǎn)生的裂縫，從而能夠提高高性能混凝土的早期抗裂性能。