鋰渣摻量對水泥基復合材料性能的影響

呂志栓，何 斌，韓國旗，米紅林，王 晨，陳 欣

(喀什大學土木工程學院，喀什 844008)

隨著對材料性能要求不斷提高，普通混凝土因自重大、抗拉強度低以及明顯的脆性破壞等缺點，越來越難適應重大工程或一些特殊工程的需要。高韌性水泥基復合材料(engineered cementitious composites，ECC)具有抗拉強度高、結構材料輕、塑性和韌性高等優點，受到中外學者廣泛關注[1-2]。礦物摻合料是制備水泥基復合材料不可或缺的部分，能顯著增強其力學性能、塑性和韌性，改善水泥基體和纖維界面黏結性能，展現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，將鋰渣應用到高韌性水泥基復合材料中還鮮有報道。

鋰渣是鋰鹽生產時產生的工業廢渣，新疆和四川是生產鋰鹽最主要的產地，每年中國的鋰鹽排放量超過80 t，不僅污染環境，而且浪費資源[7]。隨著相關學者[7-8]對鋰渣深入的研究，其化學成分和性質是相對均勻和穩定的，價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，現用鋰渣代替傳統的粉煤灰摻合料制備水泥基復合材料，對比分析鋰渣和粉煤灰摻量對水泥基復合材料性能的影響。

1 試驗設計

1.1 原材料

試驗原材料包括：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級水泥，粒徑不超過80 μm，化學成分如表1所示，其各項技術指標符合《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，使用之前先進行烘干、研磨，化學成分如表1所示，SiO2和Al2O3的含量要遠高于水泥，CaO含量遠低于水泥。

圖1 試驗用鋰渣

(3)粉煤灰：采用喀什當地某火電廠生產的一級粉煤灰，1 250目，平均粒徑10 μm，化學成分如表1 所示，SiO2和Al2O3的含量要遠高于水泥，CaO含量遠低于水泥。

表1 試驗材料的化學成分

(4)砂子：采用喀什本地區的粗砂，過篩處理后，最大粒徑不超過0.6 mm的精細砂，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的K-Ⅱ-12型的PVA纖維，基本物理力學性能指標如表2所示，PVA的親水性特別強，因此對纖維的表面進行油性處理，以減弱纖維與水泥基體表面的黏結作用。

表2 PVA纖維物理力學性能指標

(6)減水劑：采用粉狀固態聚羧酸高效減水劑。

(7)水：采用生活飲用水，pH為7～8。

1.2 試驗方案設計

試驗共設計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個單軸拉伸試件和3個抗壓試件，6組配合比，共18個受拉試件和18個受壓試件，養護齡期為28 d，如表3和表4所示。

表3 水泥基復合材料試驗設計

表4 水泥基復合材料配合比

1.3 試件制備及試驗方法

水泥基復合材料的制備成功與否和材料的摻加順序及攪拌時間密切相關。按照表4的配合比稱量水泥、鋰渣、粉煤灰和砂子的質量，依次倒入5 L大小的凈漿攪拌機中，慢速攪拌3 min，充分攪拌均勻，然后將混合均勻的減水劑和水倒入攪拌機中，快速攪拌4 min，此時，水泥基材呈現面團狀，然后將分散好的PVA纖維在6～8 min內緩慢加入，直到纖維分散均勻，用手揉搓沒有明顯的結團，這是制備水泥基復合材料成敗的關鍵。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)℃、相對濕度為95%的恒溫恒濕養護箱中，養護28 d，取出干燥后進行單軸拉伸試驗和抗壓試驗，測其抗拉和抗壓性能。

在材料制備過程中發現，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，和易性良好，摻量達到0.4時，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，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構，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，水泥基復合材料單軸拉伸試驗多采用這種試驗方法，其測試段尺寸為100 mm×30 mm×15 mm，兩端為夾持段，中間為測試段，其長度為100 mm，試件尺寸如圖2所示。采用濟南川百儀器公司生產的量程為5 kN的電子拉力試驗機，采用位移進行加載，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 試驗結果及分析

2.1 單軸拉伸結果分析

測試復合材料抗拉性能最直接、最有效的方法是單軸拉伸試驗。圖4是單軸拉伸試件的破壞形態，從圖4可以看出，最終破壞的位置主要出現在試件的中間位置附近，一少部分出現在變截面位置附近，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拉力，當強度達到水泥基體的開裂強度時，試件斷裂，摻加PVA纖維的水泥基復合材料試件不會出現一拉就壞的脆性破壞現象，這是由于試件斷裂后，纖維起到橋聯作用，阻止裂縫的進一步開展，裂縫位置處的力傳導到纖維上，纖維上的力傳導到裂縫周邊的水泥基體上，出現新的細小裂縫，直到最終裂縫出齊，最后在試件中部附近出現主裂縫，試件破壞。試件破壞的過程中，出現與鋼筋受拉破壞類似的屈服和應變硬化特征，曲線出現反復的波動，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。試驗結果數據如表5所示。

圖4 單軸受拉試件破壞形態

圖5 水泥基復合材料單軸拉伸伸長率-抗拉強度曲線

從表5和圖5可以看出，對A、B和C組，變化量是鋰渣，隨著鋰渣摻量的增加，水泥基復合材料的伸長率和抗拉強度呈現先增加后減小的趨勢，摻量為0.3時同時達到最大，B組伸長量和抗拉強度最大，A組其次，C組最小，這說明鋰渣摻量有最優值，最優摻量為0.3。從裂縫數量分布來看，B組數量最多，A組其次，C組較少，裂縫數量多少和延性高低有一定關系，這也說明水泥基復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，鋰渣能起填充作用，增加水泥基體的密實度，并且鋰渣能與水泥水化產物進行二次水化，對復合材料的伸長率和抗拉強度起到增強的作用；而摻量過高時，由于鋰渣的活性低于水泥，使得水泥基體的密實度降低，伸長率和抗拉強度逐漸降低。

表5 水泥基復合材料單軸拉伸試驗結果

對D、E和F組，變化量是粉煤灰，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥基復合材料的伸長率和抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢，摻量為0.3時同時達到最大，E組最大，F組其次，D組最小。從試驗結果可以看出，粉煤灰摻量在0.3時最優。

對比兩種礦物摻合料來看，隨著摻量的增加，伸長率和抗拉強度表現出相同的變化趨勢。粉煤灰和鋰渣摻量在0.3時，伸長率和抗拉強度同時達到最大值，并且表現出良好的裂縫控制能力。配制水泥基復合材料使用較多的是粉煤灰，將鋰渣摻量控制在適當范圍內時，也可達到其效果。

2.2 抗壓結果分析

圖6為水泥基復合材料立方體抗壓試件破壞形態。起初，試件的剛度比較穩定，隨著荷載的增加，開始出現豎向裂縫，并伴隨有纖維斷裂的聲響，當荷載達到峰值時，并沒有出現水泥基復合材料大面積剝落的情況，這是由于當試件發生豎向壓縮的同時，會產生橫向變形，此時纖維對水泥基體的橫向變形有約束作用，不會出現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。位移持續增加，最終也未出現試件整體性壓碎的現象，并非典型的脆性破壞。

圖6 立方體抗壓試件破壞形態

表6為水泥基復合材料抗壓強度結果，對A、B和C組，變量是鋰渣摻量，隨著鋰渣摻量的增加，平均抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，摻量為0.3時，抗壓強度達到最大，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，填充到水泥基體的孔隙中，可增強水泥基體的密實度，并能產生二次水化反應，提高復合材料的抗壓強度；而鋰渣摻量過高時，由于鋰渣自身活性較低，水泥基體密實度降低，從而降低復合材料的抗壓強度。

表6 水泥基復合材料抗壓強度

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

對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，立方體抗壓強度呈現先增加后減小的趨勢，原因相同，都是因為兩種礦物摻合料本身顆粒較細，可以發生二次水化反應，填充到水泥基體空隙中，增強其密實度，從而提高其抗壓強度。而摻量過高時，水化反應降低，抗壓強度隨之下降。

2.3 灰色關聯度分析

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個數值；N為子序列中元素個數。

關聯度值越大說明相關性越大，因素對目標值的影響程度越高[13]。

2.3.1 鋰渣摻量與復合材料性能關聯度分析

對A、B和C組，以鋰渣摻量為母序列，伸長率、抗拉強度和抗壓強度為子序列，進行關聯度分析，結果如表7所示，從表7可以看出，伸長率、抗拉強度和抗壓強度與水泥基復合材料的關聯度系數都超過了0.5，伸長率的關聯度系數為0.70，抗拉強度的關聯度系數為0.65，抗壓強度的關聯度系數為0.59，鋰渣摻量對目標值的影響大小為伸長率>抗拉強度>抗壓強度，伸長率和抗拉強度的關聯系數都較大，這也表明鋰渣摻量對水泥基復合材料的延性有較大的影響，同時，對抗壓強度也有一定的影響。

表7 鋰渣摻量與水泥基復合材料性能的灰色關聯度

2.3.2 粉煤灰摻量與復合材料性能關聯度分析

對D、E和F組，以粉煤灰摻量為母序列，伸長率、抗拉強度和抗壓強度為子序列，進行關聯度分析，結果如表8所示，關聯度值都超過了0.5，這說明粉煤灰摻量對目標值都有一定影響，伸長率關聯度值為0.79，抗拉強度為0.76，抗壓強度為0.59，粉煤灰摻量對目標值的影響大小為伸長率>抗拉強度>抗壓強度，伸長率和抗拉強度的關聯系數較大，抗壓強度的系數相對較小。可知，粉煤灰摻量對伸長率和抗拉強度的影響程度要高于抗壓強度，對復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合材料性能的灰色關聯度

2.3.3 鋰渣代替粉煤灰可行性分析

對比鋰渣和粉煤灰摻量對目標值的影響，可以發現，二者對目標值影響類似，摻量對伸長率和抗拉強度的影響程度要高于抗壓強度，對復合材料延性影響比較明顯。同時，對抗壓強度也有一定影響。

灰色關聯度分析結果與單軸拉伸試驗和抗壓試驗結果比較一致。鋰渣摻量為0.3時，伸長率、抗拉強度和抗壓強度同時達到最大值。伸長率和抗拉強度是水泥基復合材料力學性能的主要指標，是材料延性優劣的直接體現。鋰渣摻量在0.3時，復合材料具有良好的和易性、力學性能和延性。可知，鋰渣能夠替代粉煤灰進行水泥基復合材料的配制。

3 結論

以鋰渣摻量為變化因素，粉煤灰摻量作為對比組，進行單軸拉伸和抗壓試驗，以伸長率、抗拉強度和抗壓強度為目標值，采用灰色關聯法對變化因素進行分析，可以得到以下結論。

(1)鋰渣摻量在0.3以下時，和易性良好，達到0.4時，黏稠度增強，和易性變差，粉煤灰摻量在0.4以下時一直保持良好的和易性。

(2)隨著鋰渣摻量的增加，復合材料的伸長率、抗拉強度和抗壓強度呈現先增加后減小的趨勢，摻量在0.3時為最優摻量，表現出良好的裂縫控制能力和力學性能。

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