持續(xù)荷載和鋰渣取代量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

李宇航，溫 勇，韓國(guó)旗，郝恩澤，劉 佳，馬麗莎

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；2.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，喀什 844006； 3.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201800)

0 引 言

在鹽漬環(huán)境中，特別是鹽湖地區(qū)，大規(guī)模混凝土基礎(chǔ)設(shè)施長(zhǎng)期處于氯離子侵蝕環(huán)境，氯離子侵蝕導(dǎo)致大量建筑物混凝土中鋼筋的銹蝕、保護(hù)層脫落、承載力降低，甚至結(jié)構(gòu)垮塌失效[1-4]。提高混凝土抗氯離子滲透能力，優(yōu)化建筑的耐久性，不僅能減少造價(jià)，還有助于實(shí)現(xiàn)國(guó)家的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)[5-6]。鋰渣是鋰鹽工業(yè)排放的固體工業(yè)廢料[7]，取材方便，磨細(xì)后可以用作礦物摻合料，若能合理使用，不僅能節(jié)約建設(shè)成本，還能減少工業(yè)廢料。近年來研究者為了更加貼合混凝土的實(shí)際工作環(huán)境，開展了混凝土耐久性的大量研究。如杜修力等[8]綜述了荷載與氯離子耦合作用下對(duì)混凝土滲透性的影響，提出試驗(yàn)研究應(yīng)更加貼合混凝土的實(shí)際工作環(huán)境，并通過有限元分析實(shí)際環(huán)境中混凝土的工作情況。Zhang等[9]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰、硅灰等礦物摻合料能減小混凝土孔隙率與氯離子滲透性能。馬麗莎等[10]研究了荷載與鋰渣取代量對(duì)混凝土氣體滲透性能的影響，結(jié)果表明荷載會(huì)促進(jìn)混凝土氣體滲透，而10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋰渣取代量可以提高混凝土的抗?jié)B透能力。Fan等[11]研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入粉煤灰和礦渣可以提高其抗氯離子滲透性能。張靈靈等[12]采用快速氯離子遷移系數(shù)法研究了混凝土構(gòu)件中氯離子的傳輸特性，發(fā)現(xiàn)荷載裂縫加劇了混凝土中氯離子的傳輸。潘詩(shī)婷等[13]研究了粗骨料形狀對(duì)混凝土氯離子滲透性能的影響，發(fā)現(xiàn)增大粗骨料體積分?jǐn)?shù)和不規(guī)則程度能降低混凝土的氯離子傳輸性能。然而，目前已有研究大多為單一因素對(duì)氯離子傳輸性能的影響，由于混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的復(fù)雜性，檢測(cè)實(shí)際工作環(huán)境中混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)難度較大。為了準(zhǔn)確檢測(cè)實(shí)際工作環(huán)境中混凝土的抗氯離子滲透性能，亟需開展多因素耦合作用下的抗氯離子滲透性能研究。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了不同鋰渣取代量與不同壓應(yīng)力比的持續(xù)壓荷載對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響試驗(yàn),并建立了考慮鋰渣取代量與壓應(yīng)力比的耦合數(shù)值模型，為長(zhǎng)期處于鹽漬環(huán)境下的混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥選用天山水泥廠的P·O 42.5級(jí)水泥，主要化學(xué)組成見表1。鋰渣粉為新疆烏魯木齊鋰業(yè)有限公司的工業(yè)廢料，主要化學(xué)組成見表1，物理性能見表2。拌合水為烏魯木齊市自來水；減水劑為聚羧酸高效減水劑，形態(tài)為液體；細(xì)骨料為水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.85；粗骨料為卵石，粒徑為5～12 mm，壓碎指數(shù)為3.2%，表觀密度為2 685 kg/m3。

表1 水泥和鋰渣粉的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of cement and lithium slag powder

表2 鋰渣粉的物理性能Table 2 Physical properties of lithium slag powder

1.2 配合比

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了C20、C30和C40三種強(qiáng)度等級(jí)的鋰渣混凝土，鋰渣取代水泥質(zhì)量的0%、10%、20%、30%，混凝土坍落度在150～180 mm?；炷猎囼?yàn)配合比見表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 力學(xué)試驗(yàn)和電通量試驗(yàn)

試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)制備試件，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，使用切割機(jī)將試件均分為兩個(gè)試件，測(cè)試其中一個(gè)試件的極限壓應(yīng)力f，取極限壓應(yīng)力f的10%、30%和50%作為另一個(gè)試件電通量試驗(yàn)的應(yīng)力加載值，使用DTL-A測(cè)定儀測(cè)試混凝土電通量。先將試件側(cè)面涂抹環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行密封，而后進(jìn)行真空飽水。利用微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)測(cè)定極限壓應(yīng)力，測(cè)壓面為非成型面,飽水結(jié)束后依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行電通量試驗(yàn)。

本文在余韜等[14]研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可以同時(shí)進(jìn)行壓應(yīng)力加載和電通量試驗(yàn)的裝置，壓應(yīng)力加載裝置示意圖和照片如圖1所示。

圖1 壓應(yīng)力加載裝置示意圖和照片F(xiàn)ig.1 Schematic diagram and photograph of compressive stress loading device

1.3.2 SEM測(cè)試

將養(yǎng)護(hù)至齡期的試件破碎，取直徑小于10 mm、厚度為3～4 mm的平整薄片，放入容器中加無水乙醇終止水化，隨后放入40 ℃的烘箱中烘24 h，把烘干后的薄片放入載物臺(tái)，送入真空噴金臺(tái)進(jìn)行噴金處理，之后放入SEM中觀察及取照。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋰渣取代量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為不同鋰渣取代量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。由圖2可知：對(duì)于C20混凝土，在養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)隨著鋰渣取代量的增加，抗壓強(qiáng)度緩慢減小，當(dāng)鋰渣取代量從10%增加至20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降幅度變大，當(dāng)鋰渣取代量達(dá)到30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅為未加入鋰渣的0.54；養(yǎng)護(hù)到7 d時(shí)，隨著鋰渣取代量的增加，抗壓強(qiáng)度下降的趨勢(shì)變大，當(dāng)鋰渣取代量達(dá)到30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為未加入鋰渣的0.52；養(yǎng)護(hù)28 d后，抗壓強(qiáng)度下降的幅度增加，鋰渣取代量為30%的抗壓強(qiáng)度僅為未加入鋰渣的0.51。這是由于鋰渣粉水化速率小于水泥的水化速率，故在相同的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，隨著鋰渣取代量的增加，抗壓強(qiáng)度相應(yīng)減小。

圖2 不同鋰渣取代量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of different lithium slag content on concrete compressive strength

對(duì)于C30混凝土，抗壓強(qiáng)度總體呈先增大后減小的趨勢(shì)。不同齡期的C30混凝土抗壓強(qiáng)度均在鋰渣取代量為10%時(shí)達(dá)到了峰值，3、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別是未加入鋰渣的1.15倍、1.07倍和1.06倍。這說明10%的鋰渣取代量能提高C30混凝土抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)殇囋圩鳛榈V物摻合料，具有一定的火山灰效應(yīng)，對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性能及孔隙結(jié)構(gòu)具有一定積極影響[15]。當(dāng)鋰渣取代量達(dá)到20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度大幅度下降，此時(shí)的鋰渣取代量已經(jīng)超過了最優(yōu)取代量，使混凝土抗壓強(qiáng)度大幅度降低；當(dāng)鋰渣取代量達(dá)到30%時(shí)，3、7、28 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了最低值，分別為12.13、21.88、30.08 MPa，說明30%的鋰渣取代量過高，影響混凝土強(qiáng)度。

C40混凝土抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與C20混凝土相似，隨著鋰渣取代量的增加，呈平穩(wěn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)鋰渣取代量為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最低值，3、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為未加入鋰渣的0.60、0.58和0.68。

在不同配合比混凝土中，僅有C30混凝土在鋰渣取代量為10%時(shí)抗壓強(qiáng)度增大，其余均減小。這是由于鋰渣取代部分水泥后，混凝土中水泥的使用量減少，從而降低了水化產(chǎn)物氫氧化鈣和水化硅酸鈣的產(chǎn)量，而只有當(dāng)溶液中氫氧化鈣達(dá)到一定濃度后，鋰渣中具有潛在活性的三氧化二鋁與二氧化硅才能參與二次水化反應(yīng)，當(dāng)取代量繼續(xù)增大時(shí)，鋰渣僅起到填充的作用，微觀孔隙得到填充，孔隙結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，孔隙率減小，但混凝土強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)降低。

2.2 強(qiáng)度與壓應(yīng)力比對(duì)混凝土電通量的影響

圖3 混凝土電通量隨壓應(yīng)力比的變化Fig.3 Variation of concrete electric flux with compressive stress ratio

圖3為養(yǎng)護(hù)28 d，鋰渣取代量為0%的混凝土電通量隨壓應(yīng)力比的變化。由圖3可看出，在不施加壓應(yīng)力的情況下，混凝土的電通量隨水灰比的增大而增大。隨著壓應(yīng)力比的增加，三組混凝土電通量均有明顯的上升，而C20混凝土在壓應(yīng)力比超過0.3時(shí)，電通量上升最為明顯；C30混凝土電通量上升幅度大于C40混凝土。因此水灰比越大，混凝土的抗氯離子滲透性能越弱，壓應(yīng)力比越大，抗氯離子滲透性能越弱。

2.3 鋰渣取代量對(duì)混凝土電通量的影響

圖4為不同鋰渣取代量與不同壓應(yīng)力比對(duì)28 d混凝土電通量的影響。CX-0、1、3、5中0、1、3、5分別代表壓應(yīng)力比為0、0.1、0.3、0.5。從圖4可以看出,C20、C30和C40混凝土試件在不同的壓應(yīng)力比條件下，隨著鋰渣取代量的增加，電通量總體呈降低趨勢(shì)。這是由于鋰渣粉是一種活性礦物摻合料，它會(huì)與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次反應(yīng)，隨即產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，使鈣離子和氫氧根離子的濃度降低，然后生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，這使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部更為密實(shí)，降低了混凝土的內(nèi)部孔隙率，提高了抗氯離子滲透性能。該反應(yīng)同時(shí)消耗水泥漿體中的水，使水泥漿體的孔隙率降低，并且鋰渣粉的比表面積大于水泥，自身對(duì)氯離子有較強(qiáng)的吸附性且結(jié)合氯離子的能力也較強(qiáng)，因此隨著鋰渣取代量的增加，混凝土的電通量降低。

由圖4(a)～(c)可以看出，當(dāng)鋰渣取代量小于20%時(shí)，混凝土的電通量隨著鋰渣取代量的增加而降低，而當(dāng)鋰渣取代量大于20%時(shí)，混凝土的電通量值隨著鋰渣取代量的增加而趨于平緩，甚至當(dāng)鋰渣取代量為30%時(shí)，C30混凝土的電通量值相較于鋰渣取代量為20%的電通量值更大，因此鋰渣的最佳取代量應(yīng)不大于20%。當(dāng)鋰渣取代量過大時(shí)，鋰渣的二次水化反應(yīng)速度變慢，大量的鋰渣不能參與水化反應(yīng)，這些填充于混凝土孔隙中的鋰渣最終未能參與水化，使混凝土的密實(shí)性降低，從而導(dǎo)致混凝土的電通量增大。

從圖4(a)～(c)中也可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于C20和C30混凝土，施加的壓應(yīng)力值為0.5f時(shí)，電通量的值相較于0.3f的值增加幅度較大，對(duì)于C40混凝土，當(dāng)施加的壓應(yīng)力值在0.3f時(shí)相較于0.1f的值增加幅度大，因此再次印證了影響混凝土抗氯離子滲透性的荷載存在確定的應(yīng)力閾值，C20和C30混凝土的應(yīng)力閾值在0.3f～0.5f，C40混凝土的應(yīng)力閾值在0.1f～0.3f。

圖4 不同鋰渣取代量與不同壓應(yīng)力比對(duì)28 d混凝土電通量的影響Fig.4 Effects of different lithium slag content and different compressive stress ratios on electric flux of 28 d concrete

2.4 SEM分析

為了解鋰渣對(duì)混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響，利用掃描電鏡對(duì)鋰渣取代量為0%與30%的混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè)。圖5為不同鋰渣取代量的C30混凝土SEM照片，從圖5中可以看出，鋰渣取代量不同，微觀結(jié)構(gòu)也有較大差異。隨著鋰渣取代量的增多，未水化的鋰渣粉顆粒也越來越多，鋰渣起到填充作用，故混凝土內(nèi)部孔隙減少。

圖5 不同鋰渣取代量的C30混凝土SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of C30 concrete with different lithium slag content

3 仿真模擬

對(duì)氯離子在鋰渣混凝土中的擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，模型中設(shè)置不同壓應(yīng)力，比較不同壓應(yīng)力對(duì)鋰渣混凝土電通量的影響；數(shù)值模型中設(shè)置鋰渣取代量分別為0%、10%、20%和30%，比較不同鋰渣取代量對(duì)混凝土電通量的影響；數(shù)值模型中設(shè)置C20、C30和C40三種強(qiáng)度等級(jí)混凝土，用以研究不同強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土電通量的影響。

3.1 氯離子擴(kuò)散模型理論基礎(chǔ)

溶液中的氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部會(huì)發(fā)生自由擴(kuò)散、物理吸附和化學(xué)反應(yīng)，向混凝土內(nèi)部自由擴(kuò)散的氯離子稱為自由狀態(tài)的氯離子，含量記為Cf；與膠凝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Friedel’s鹽的氯離子和在混凝土中形成物理吸附的氯離子，稱為結(jié)合氯離子，含量記為Cb?？偮入x子含量Ct為結(jié)合氯離子含量和自由氯離子含量之和。依據(jù)Fick第二定律與質(zhì)量守恒定律建立氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散方程[16]：

(1)

k=kekykm

(2)

式中：DCl為氯離子擴(kuò)散系數(shù)；grad(Cf)為自由氯離子的梯度；x為深度；t為時(shí)間；k為綜合劣化效應(yīng)系數(shù)；ke為環(huán)境劣化系數(shù)；ky為荷載劣化系數(shù)；km為材料劣化系數(shù)；α、β為混凝土對(duì)氯離子的Langmuir吸附參數(shù)，并結(jié)合本團(tuán)隊(duì)的研究成果[17]對(duì)α進(jìn)行修正。

本研究在Langmuir模型[18]的基礎(chǔ)上，添加了壓應(yīng)力對(duì)電通量的影響。

(3)

對(duì)于普通硅酸鹽水泥，α=11.8；對(duì)于鋰渣混凝土，α=λ(-15.5b2+1.8b+11.8)(0≤b≤0.3，0.5≤λ≤2)，其中b為鋰渣取代量；λ為修正系數(shù)。

氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量都可反映混凝土中氯離子擴(kuò)散能力[19]，馮乃謙等[20]研究發(fā)現(xiàn)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)與電通量存在一定關(guān)系。氯離子擴(kuò)散系數(shù)可以通過電通量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

DCl=10-9×(2.577 65+0.004 92Q)

(4)

式中：Q為6 h內(nèi)的電通量。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，氯離子從混凝土的受侵蝕面一維擴(kuò)散，邊界濃度為C(0,t)(NaCl)=3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，壓應(yīng)力F1=0.1f，F(xiàn)2=0.3f，F(xiàn)3=0.5f，配合比系數(shù)RC20=0.62，RC30=0.45,RC40=0.40；溫度T=298.15 K，水泥的密度ρc=3 100 kg/m3；混凝土的密度ρa(bǔ)=2 600 kg/m3。

圖6為數(shù)值模擬圖，圖6(a)為壓應(yīng)力比為0.3時(shí)離子通量圖，圖6(b)為壓應(yīng)力比為0.5時(shí)離子通量圖，由離子通量圖可知當(dāng)壓應(yīng)力比達(dá)到0.5時(shí)，離子通量大幅度增加，出現(xiàn)壓應(yīng)力閾值。圖6(c)為網(wǎng)格劃分圖，圖6(d)為壓應(yīng)力施加圖，圖6(e)、(f)、(g)為不同壓應(yīng)力比的離子濃度圖。

圖7為數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖，從圖7中可以看出，C20、C30和C40混凝土試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果大體趨勢(shì)一致。對(duì)于C20混凝土，僅在300 min時(shí)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大，試驗(yàn)值為模擬值的1.05倍，其余誤差均小于3%。對(duì)于C30混凝土，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，所有值誤差均小于3%。對(duì)于C40混凝土，僅在300 min時(shí)模擬值為試驗(yàn)值的1.03倍，其余誤差均小于3%。分析原因：混凝土為多孔介質(zhì)，內(nèi)部孔隙較多，施加壓應(yīng)力會(huì)改變內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，微裂縫增多，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果存在一定的誤差，但誤差在可控范圍之內(nèi)，本試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的誤差在3%左右。

圖6 數(shù)值模擬圖Fig.6 Numerical simulation diagrams

圖7 數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagrams of numerical simulation and test data

4 結(jié) 論

以C20、C30、C40混凝土為研究對(duì)象，根據(jù)不同壓應(yīng)力比與不同鋰渣取代量對(duì)抗氯離子滲透性能的影響，可以得到以下結(jié)論：

1)在對(duì)試件施加壓應(yīng)力時(shí)，隨著壓應(yīng)力的增大，電通量也相應(yīng)增大，混凝土抗氯離子滲透性能變?nèi)酢?/p>

2)影響鋰渣混凝土抗氯離子滲透性的荷載存在確定的應(yīng)力閾值，C20和C30混凝土的應(yīng)力閾值在0.3f～0.5f，C40混凝土的應(yīng)力閾值在0.1f～0.3f。

3)隨著鋰渣取代量的增加，C20、C30、C40混凝土試件受壓后孔隙連通性變低，導(dǎo)致電通量降低，綜合考慮壓應(yīng)力、電通量等因素，鋰渣最佳取代量為20%。