持續荷載和鋰渣取代量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

李宇航，溫 勇，韓國旗，郝恩澤，劉 佳，馬麗莎

(1.新疆大學建筑工程學院，烏魯木齊 830047；2.喀什大學土木工程學院，喀什 844006； 3.同濟大學材料科學與工程學院，上海 201800)

0 引 言

在鹽漬環境中，特別是鹽湖地區，大規模混凝土基礎設施長期處于氯離子侵蝕環境，氯離子侵蝕導致大量建筑物混凝土中鋼筋的銹蝕、保護層脫落、承載力降低，甚至結構垮塌失效[1-4]。提高混凝土抗氯離子滲透能力，優化建筑的耐久性，不僅能減少造價，還有助于實現國家的“碳達峰、碳中和”目標[5-6]。鋰渣是鋰鹽工業排放的固體工業廢料[7]，取材方便，磨細后可以用作礦物摻合料，若能合理使用，不僅能節約建設成本，還能減少工業廢料。近年來研究者為了更加貼合混凝土的實際工作環境，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混凝土滲透性的影響，提出試驗研究應更加貼合混凝土的實際工作環境，并通過有限元分析實際環境中混凝土的工作情況。Zhang等[9]研究發現粉煤灰、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混凝土氣體滲透性能的影響，結果表明荷載會促進混凝土氣體滲透，而10%(質量分數)的鋰渣取代量可以提高混凝土的抗滲透能力。Fan等[11]研究發現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法研究了混凝土構件中氯離子的傳輸特性，發現荷載裂縫加劇了混凝土中氯離子的傳輸。潘詩婷等[13]研究了粗骨料形狀對混凝土氯離子滲透性能的影響，發現增大粗骨料體積分數和不規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氯離子傳輸性能的影響，由于混凝土結構所處環境的復雜性，檢測實際工作環境中混凝土的氯離子擴散系數難度較大。為了準確檢測實際工作環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，本文設計了不同鋰渣取代量與不同壓應力比的持續壓荷載對混凝土抗氯離子滲透性能的影響試驗,并建立了考慮鋰渣取代量與壓應力比的耦合數值模型，為長期處于鹽漬環境下的混凝土耐久性設計提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥選用天山水泥廠的P·O 42.5級水泥，主要化學組成見表1。鋰渣粉為新疆烏魯木齊鋰業有限公司的工業廢料，主要化學組成見表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，形態為液體；細骨料為水洗砂，細度模數為2.85；粗骨料為卵石，粒徑為5～12 mm，壓碎指數為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

本試驗設計了C20、C30和C40三種強度等級的鋰渣混凝土，鋰渣取代水泥質量的0%、10%、20%、30%，混凝土坍落度在150～180 mm。混凝土試驗配合比見表3。

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

1.3 試驗方法

1.3.1 力學試驗和電通量試驗

試驗依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)制備試件，參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行力學試驗。試件養護結束后，使用切割機將試件均分為兩個試件，測試其中一個試件的極限壓應力f，取極限壓應力f的10%、30%和50%作為另一個試件電通量試驗的應力加載值，使用DTL-A測定儀測試混凝土電通量。先將試件側面涂抹環氧樹脂膠進行密封，而后進行真空飽水。利用微機控制電液伺服壓力機測定極限壓應力，測壓面為非成型面,飽水結束后依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)進行電通量試驗。

本文在余韜等[14]研究基礎上，設計了可以同時進行壓應力加載和電通量試驗的裝置，壓應力加載裝置示意圖和照片如圖1所示。

圖1 壓應力加載裝置示意圖和照片Fig.1 Schematic diagram and photograph of compressive stress loading device

1.3.2 SEM測試

將養護至齡期的試件破碎，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，送入真空噴金臺進行噴金處理，之后放入SEM中觀察及取照。

2 結果與討論

2.1 鋰渣取代量對混凝土抗壓強度的影響

圖2為不同鋰渣取代量對混凝土抗壓強度的影響。由圖2可知：對于C20混凝土，在養護3 d時隨著鋰渣取代量的增加，抗壓強度緩慢減小，當鋰渣取代量從10%增加至20%時，抗壓強度下降幅度變大，當鋰渣取代量達到30%時，抗壓強度僅為未加入鋰渣的0.54；養護到7 d時，隨著鋰渣取代量的增加，抗壓強度下降的趨勢變大，當鋰渣取代量達到30%時，抗壓強度為未加入鋰渣的0.52；養護28 d后，抗壓強度下降的幅度增加，鋰渣取代量為30%的抗壓強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，故在相同的養護齡期內，隨著鋰渣取代量的增加，抗壓強度相應減小。

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

對于C30混凝土，抗壓強度總體呈先增大后減小的趨勢。不同齡期的C30混凝土抗壓強度均在鋰渣取代量為10%時達到了峰值，3、7、28 d抗壓強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混凝土抗壓強度，這是因為鋰渣粉作為礦物摻合料，具有一定的火山灰效應，對混凝土的強度、耐久性能及孔隙結構具有一定積極影響[15]。當鋰渣取代量達到20%時，抗壓強度大幅度下降，此時的鋰渣取代量已經超過了最優取代量，使混凝土抗壓強度大幅度降低；當鋰渣取代量達到30%時，3、7、28 d抗壓強度均達到了最低值，分別為12.13、21.88、30.08 MPa，說明30%的鋰渣取代量過高，影響混凝土強度。

C40混凝土抗壓強度的變化趨勢與C20混凝土相似，隨著鋰渣取代量的增加，呈平穩減小的趨勢。當鋰渣取代量為30%時，抗壓強度達到最低值，3、7、28 d抗壓強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%時抗壓強度增大，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，從而降低了水化產物氫氧化鈣和水化硅酸鈣的產量，而只有當溶液中氫氧化鈣達到一定濃度后，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，當取代量繼續增大時，鋰渣僅起到填充的作用，微觀孔隙得到填充，孔隙結構得到優化，孔隙率減小，但混凝土強度會繼續降低。

2.2 強度與壓應力比對混凝土電通量的影響

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

圖3為養護28 d，鋰渣取代量為0%的混凝土電通量隨壓應力比的變化。由圖3可看出，在不施加壓應力的情況下，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混凝土在壓應力比超過0.3時，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，壓應力比越大，抗氯離子滲透性能越弱。

2.3 鋰渣取代量對混凝土電通量的影響

圖4為不同鋰渣取代量與不同壓應力比對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。這是由于鋰渣粉是一種活性礦物摻合料，它會與水泥的水化產物氫氧化鈣發生二次反應，隨即產生更多的水化產物，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，這使混凝土結構內部更為密實，降低了混凝土的內部孔隙率，提高了抗氯離子滲透性能。該反應同時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，自身對氯離子有較強的吸附性且結合氯離子的能力也較強，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，當鋰渣取代量小于20%時，混凝土的電通量隨著鋰渣取代量的增加而降低，而當鋰渣取代量大于20%時，混凝土的電通量值隨著鋰渣取代量的增加而趨于平緩，甚至當鋰渣取代量為30%時，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不大于20%。當鋰渣取代量過大時，鋰渣的二次水化反應速度變慢，大量的鋰渣不能參與水化反應，這些填充于混凝土孔隙中的鋰渣最終未能參與水化，使混凝土的密實性降低，從而導致混凝土的電通量增大。

從圖4(a)～(c)中也可發現，對于C20和C30混凝土，施加的壓應力值為0.5f時，電通量的值相較于0.3f的值增加幅度較大，對于C40混凝土，當施加的壓應力值在0.3f時相較于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力閾值，C20和C30混凝土的應力閾值在0.3f～0.5f，C40混凝土的應力閾值在0.1f～0.3f。

圖4 不同鋰渣取代量與不同壓應力比對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

為了解鋰渣對混凝土內部微觀結構的影響，利用掃描電鏡對鋰渣取代量為0%與30%的混凝土內部微觀結構進行了觀測。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，微觀結構也有較大差異。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，故混凝土內部孔隙減少。

圖5 不同鋰渣取代量的C30混凝土SEM照片Fig.5 SEM images of C30 concrete with different lithium slag content

3 仿真模擬

對氯離子在鋰渣混凝土中的擴散進行數值模擬，模型中設置不同壓應力，比較不同壓應力對鋰渣混凝土電通量的影響；數值模型中設置鋰渣取代量分別為0%、10%、20%和30%，比較不同鋰渣取代量對混凝土電通量的影響；數值模型中設置C20、C30和C40三種強度等級混凝土，用以研究不同強度等級對混凝土電通量的影響。

3.1 氯離子擴散模型理論基礎

溶液中的氯離子進入混凝土內部會發生自由擴散、物理吸附和化學反應，向混凝土內部自由擴散的氯離子稱為自由狀態的氯離子，含量記為Cf；與膠凝材料發生化學反應生成Friedel’s鹽的氯離子和在混凝土中形成物理吸附的氯離子，稱為結合氯離子，含量記為Cb。總氯離子含量Ct為結合氯離子含量和自由氯離子含量之和。依據Fick第二定律與質量守恒定律建立氯離子在混凝土內的擴散方程[16]：

(1)

k=kekykm

(2)

式中：DCl為氯離子擴散系數；grad(Cf)為自由氯離子的梯度；x為深度；t為時間；k為綜合劣化效應系數；ke為環境劣化系數；ky為荷載劣化系數；km為材料劣化系數；α、β為混凝土對氯離子的Langmuir吸附參數，并結合本團隊的研究成果[17]對α進行修正。

本研究在Langmuir模型[18]的基礎上，添加了壓應力對電通量的影響。

(3)

對于普通硅酸鹽水泥，α=11.8；對于鋰渣混凝土，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。

氯離子擴散系數和電通量都可反映混凝土中氯離子擴散能力[19]，馮乃謙等[20]研究發現，氯離子擴散系數與電通量存在一定關系。氯離子擴散系數可以通過電通量進行轉換。

DCl=10-9×(2.577 65+0.004 92Q)

(4)

式中：Q為6 h內的電通量。

3.2 數值模擬結果及分析

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散，邊界濃度為C(0,t)(NaCl)=3%(質量分數)，壓應力F1=0.1f，F2=0.3f，F3=0.5f，配合比系數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=2 600 kg/m3。

圖6為數值模擬圖，圖6(a)為壓應力比為0.3時離子通量圖，圖6(b)為壓應力比為0.5時離子通量圖，由離子通量圖可知當壓應力比達到0.5時，離子通量大幅度增加，出現壓應力閾值。圖6(c)為網格劃分圖，圖6(d)為壓應力施加圖，圖6(e)、(f)、(g)為不同壓應力比的離子濃度圖。

圖7為數值模擬與試驗數據對比圖，從圖7中可以看出，C20、C30和C40混凝土試驗結果與模擬結果大體趨勢一致。對于C20混凝土，僅在300 min時模擬結果與試驗結果誤差較大，試驗值為模擬值的1.05倍，其余誤差均小于3%。對于C30混凝土，試驗結果與模擬結果基本吻合，所有值誤差均小于3%。對于C40混凝土，僅在300 min時模擬值為試驗值的1.03倍，其余誤差均小于3%。分析原因：混凝土為多孔介質，內部孔隙較多，施加壓應力會改變內部孔隙結構，微裂縫增多，導致試驗結果與模擬結果存在一定的誤差，但誤差在可控范圍之內，本試驗結果與模擬結果的誤差在3%左右。

圖6 數值模擬圖Fig.6 Numerical simulation diagrams

圖7 數值模擬與試驗數據對比圖Fig.7 Comparison diagrams of numerical simulation and test data

4 結 論

以C20、C30、C40混凝土為研究對象，根據不同壓應力比與不同鋰渣取代量對抗氯離子滲透性能的影響，可以得到以下結論：

1)在對試件施加壓應力時，隨著壓應力的增大，電通量也相應增大，混凝土抗氯離子滲透性能變弱。

2)影響鋰渣混凝土抗氯離子滲透性的荷載存在確定的應力閾值，C20和C30混凝土的應力閾值在0.3f～0.5f，C40混凝土的應力閾值在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，導致電通量降低，綜合考慮壓應力、電通量等因素，鋰渣最佳取代量為20%。