鋰渣超高性能混凝土的流動性能、微觀和宏觀力學性能研究

范信銘

(湖北科技學院 醫學部 藥學院,湖北 咸寧 437100)

近幾十年來,結構工程師和建筑師專注于使用高性能混凝土,以確保結構能夠抵抗地震運動等外部影響,并最大限度地減少由于耐久性問題導致的維護成本。超高性能混凝土(UHPC)是一種水泥基復合材料,因其低水膠比和富含細粒的設計,具有高強度和先進的耐久性[1-3]。由于其水泥含量高,UHPC的水化熱也相對較大。因此,大體積混凝土生產中遇到的問題也可以在橫截面積減小的UHPC結構構件中看到[4]。盡管期望完美的鋼筋腐蝕保護在UHPC中,熱裂紋或收縮引起的裂紋會破壞致密膠凝基體抵抗有害離子進入的優勢,從而降低耐腐蝕性[5-7]。因此,研究人員重視使用火山灰材料來減少波特蘭水泥用量,從而限制水化熱,并符合生態和工程方面的考慮[5,8-9]。

鋰電池無處不在,在智能設備和車輛提供清潔能源方面應用十分廣泛[10]。雖然市場上有不同類型的電池,但工業上對鋰化合物的不滿足需求仍然是不可改變的[11]。目前,原始的鋰化合物主要是從閃石礦中提取的,在一定程度上是從鱗片巖中提取的。在智利、澳大利亞、中國、阿根廷、巴西、美國、津巴布韋和葡萄牙等國,當地都有非常有限的礦藏。繼智利之后,澳大利亞擁有第二大的鋰儲量,在全球電池市場上所占份額最大。鋰渣和各種金屬氧化物是在對閃石進行化學處理以生產碳酸鋰后產生的副產品[12]。目前,在生產1 t碳酸鋰的過程中,會產生大約9～10 t的鋰渣[13]。澳大利亞在2019年生產了4.2萬t鋰,產生的LRR覆蓋了大面積的回填區。這種危險廢物不僅是一種環境威脅,最重要的是,其適當的處置成本非常高。通過在混凝土中使用LRR作為補充膠凝材料(SCM),以工程化的方式生產新型低碳混凝土,可以降低鋰離子電池的高成本[14]。

UHPC是一種很有前途的鋼筋混凝土結構材料,由于其卓越的耐久性能,它具有創造新的建筑視角和結構系統的巨大潛力,具有更長的使用壽命和更低的維護成本。由于其水力作用、高強度活性和細度值,鋰渣可能是用于UHPC的最佳替代膠凝材料之一,它可以減少波特蘭水泥的用量,同時保持令人滿意的性能[15-16]。預計UHPC在現場澆筑應用中的使用在不久的將來會增加。本文研究了鋰渣對UHPC流動性能、微觀和宏觀力學性能的影響,并通過正交試驗設計得到了性能良好的鋰渣UHPC。研究表明,鋰渣可作為一種優質的輔助膠凝材料應用于UHPC的生產。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料與配合比

水泥采用江西銀杉白水泥有限公司的圣德翰P.W52.5;硅灰為埃肯國際(上海)提供的硅灰,SiO2≥95%;鋰渣來自江西贛鋒鋰業有限公司;石英粉為市售0.045 mm(325目)石英粉。減水劑采用蘇博特UHPC專用聚羧酸減水劑,減水率≥30%。鋰渣對UHPC性能的影響配合比見表1。選取水膠比、硅灰摻量、鋰渣摻量、膠砂比和減水劑摻量為影響因素,分別選取了4個水平,正交因素水平表見表2,設計的鋰渣UHPC正交試驗見表3。

表1 鋰渣對UHPC性能的影響

表2 正交實驗因素水平

表3 超高性能混凝土正試驗表L16(45)

1.2 主要儀器設備與試驗方法

主要儀器設備見表4。

表4 主要儀器設備

1.2.1 攪拌方式

UHPC的制備參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》的攪拌程序。

1.2.2 流動度

UHPC的流動度測試參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定。

1.2.3 微觀力學性能

在納米壓痕測試期間實施了連續剛度模式(CSM)。CSM 是通過施加諧波力來實現的,該諧波力被添加到壓頭上名義上增加的負載上。壓頭在激勵頻率下的位移響應并且兩者之間的相角作為深度的函數連續測量[17]。

1.2.4 宏觀力學性能

參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法》(ISO法)測定RPC的3 d和28 d抗折、抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 鋰渣對UHPC流動性能的影響

圖1顯示了鋰渣摻量對超高性能混凝土(UHPC)流動性的影響實驗測試結果。根據實驗數據,觀察到鋰渣摻量的增加與UHPC的流動性呈現負相關。這可以解釋為鋰渣具有細小顆粒和多孔內部結構,因此具有較大的比表面積。當鋰渣取代相同質量的水泥時,由于鋰渣的低密度,摻入的鋰渣體積增加,導致比表面積增大。因此,在保持水膠比和高效減水劑摻量不變的情況下,隨著鋰渣摻量的增加,UHPC的流動性減弱。

圖1 鋰渣對UHPC流動性的影響

2.2 宏觀力學性能

圖2和圖3展示了鋰渣摻量對超高性能混凝土(UHPC)的抗折強度和抗壓強度的影響。從圖中可以觀察到,與抗折強度相比,鋰渣對UHPC的抗壓強度改善作用更為顯著。

圖2 鋰渣摻量對UHPC抗折強度的影響

圖3 鋰渣摻量對UHPC抗壓強度的影響

隨著鋰渣摻量的增加,UHPC的抗壓強度明顯增強。當鋰渣摻量達到25%時,相比于無鋰渣的試樣,28 d抗壓強度可提高近30 MPa。然而,在3 d抗折強度方面,鋰渣摻量的增加使得強度先增加后減小,在25%摻量時達到峰值。至于28 d抗折強度,盡管增強效果呈現波動,但鋰渣適當的摻量仍能產生一定的增強效果。

這種現象的原因在于鋰渣是一種富含無定形二氧化硅和氧化鋁的工業廢渣,鋰渣能夠與水泥中的Ca(OH)2發生反應,生成穩定的水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)和水化鋁酸鈣。此外,水化鋁酸鈣與鋰渣中富含的硫酸根離子共同形成鈣礬石(AFt),這是一種細小的晶體,能夠改善UHPC的顆粒級配和提高密實結構,從而增強混凝土的強度。

2.3 微觀力學性能

在養護齡期為28 d的超高性能混凝土(UHPC)中,當鋰渣摻量達到25%時,其強度達到最高點。然而,當鋰渣摻量進一步增加到35%時,UHPC的強度開始下降。為了進一步研究這一現象,進行了納米壓痕試驗,測試了養護齡期為28 d的空白組、鋰渣摻量為25%和鋰渣摻量為35%的UHPC試件的彈性模量(見圖4)。在測試之前,使用納米壓痕儀的光學顯微鏡手動選擇了25個位于水合相中的點。通過考慮表面應力和粗糙度等因素,獲得了壓痕曲線,并在初始壓痕深度為1 500 nm時穩定了楊氏模量的值[18]。因此,通過計算1 500 nm和2 000 nm之間的平均值來得到彈性模量。結果顯示,空白組、鋰渣摻量為25%和鋰渣摻量為35%的UHPC試件的彈性模量分別為32.2,38.4和27.7 GPa。值得注意的是,35%鋰渣的替代顯著降低了彈性模量。這些發現提示我們,在UHPC的配比設計和摻量選擇中需要綜合考慮強度和彈性模量之間的關系。進一步的研究可以探索不同摻量下UHPC的微觀結構和材料性能之間的相互關系,以更好地理解鋰渣對UHPC的影響。

圖4 UHPC在28 d齡期的彈性模量

2.4 正交試驗

2.4.1 UHPC流動性與因素水平的關系

根據圖5所示,超高性能混凝土(UHPC)的流動性受到多個因素的影響。首先,隨著水膠比的減小,UHPC的流動性降低;其次,隨著鋰渣摻量的增加,流動性也降低;而在硅灰摻量增大時,流動性先增后降,在10%時達到最高點。此外,UHPC的流動性隨著減水劑摻量的增加而增加,在2.2%時達到最大值。這些現象的原因是多方面的。減水劑的加入能夠包覆水泥等原料表面,產生靜電斥力,釋放混凝土孔隙中的自由水。同時,減水劑膜與水分子形成溶劑化水膜,提高顆粒之間的潤滑作用,減少孔隙率,提高密實度,從而增加流動性和混凝土強度。然而,當減水劑摻量超過2.2%時,過量的減水劑會導致UHPC漿體發生泌水和離析,形成內部缺陷,從而降低強度。另外,圖中還顯示砂膠比對UHPC的流動性有影響,并且兩者呈負相關關系。石英砂表面粗糙且帶有棱角,具有較大的表面積。因此,隨著砂膠比的增加,石英砂吸附的水分也增多,并且在漿體流動時會增加摩擦力,降低流動性。另外,根據表5中的方差分析結果,水膠比對流動性的影響最為顯著。這些研究結果表明,在UHPC的配比設計和摻量選擇中,需要綜合考慮水膠比、鋰渣摻量、硅灰摻量、減水劑摻量和砂膠比等因素,以實現所需的流動性和強度。

圖5 UHPC流動性與因素水平的關系

表5 正交試驗方差分析(流動性)

2.4.2 UHPC抗折強度與因素水平的關系

根據圖6和圖7,超高性能混凝土(UHPC)的3 d和28 d抗折強度與各因素水平之間的關系可得出以下結論。首先,隨著水膠比的減小,UHPC的早期抗折強度呈線性增長,后期出現極大值。減水劑的改變對于較晚期抗折強度的影響更為顯著,而對于早期抗折強度的影響較小。當減水劑摻量達到一定數值時,其對強度的增強效果將不再明顯。其次,鋰渣的摻量對于提高抗折強度存在最佳摻量。此外,砂膠比的增加會對抗折強度產生影響。當砂膠比大于1.0時,強度先增后減,且1.0的砂膠比是最佳比值。石英砂作為UHPC中的骨料,在強度方面發揮了重要的作用。然而,當砂膠比過大時,石英砂的表面積增大、棱角增多,導致混凝土中的含水量減少和孔隙率增加,從而無法對UHPC的強度做出貢獻,反而削弱了強度。最后,根據表6和表7的結果可得知,水膠比對抗折強度的影響最為顯著。綜上所述,為了獲得期望的抗折強度,需要綜合考慮水膠比、減水劑摻量、鋰渣摻量、硅灰摻量和砂膠比等因素的調整。

圖6 UHPC的3 d抗折強度與因素水平的關系

圖7 UHPC的28 d抗折強度與因素水平的關系

表6 正交實驗方差分析(3 d抗折強度)

表7 正交實驗方差分析(28 d抗折強度)

2.4.3 UHPC抗壓強度與因素水平的關系

圖8和圖9展示了超高性能混凝土(UHPC)的3 d和28 d抗壓強度與各因素水平之間的關系。觀察圖像可知,無論是3 d抗壓強度還是28 d抗壓強度,都呈現出隨著水膠比、砂膠比、減水劑、鋰渣和硅灰摻量的增大而先上升后下降的趨勢。這意味著影響抗壓強度的各因素都存在最佳摻量。同時,在砂膠比為0.9和1.0時,混凝土分別達到了最大的3 d強度和28 d強度。此外,根據表8和表9的正交實驗結果分析,水膠比是對UHPC抗壓強度影響最為重要的因素。可以確定在養護齡期為3 d和28 d時的最佳組合分別為a3b1c2d2e2和a3b3c2d3e2。

圖8 3 d抗壓強度與因素水平的關系

圖9 28 d抗壓強度與因素水平的關系

表8 正交實驗方差分析(3 d抗壓強度)

表9 正交實驗方差分析(28 d抗壓強度)

綜上所述,為了獲得期望的抗壓強度,需要綜合考慮水膠比、砂膠比、減水劑、鋰渣和硅灰摻量等因素,并選擇最佳的組合方案。

3 結論

1)UHPC的流動性受到多個因素的影響,包括水膠比、鋰渣摻量和硅灰摻量。隨著水膠比的減小和鋰渣摻量的增加,UHPC的流動性會降低,而在一定范圍內增加硅灰摻量可以提高流動性。

2)減水劑在UHPC中起著重要的作用,能夠顯著提高流動性。適量的減水劑摻量可以包覆顆粒、降低孔隙率,并與水分子形成溶劑化水膜,從而增加潤滑作用,提高UHPC的密實度和流動性。

3)鋰渣是一種有益的摻合料,對UHPC的抗壓強度和抗折強度有正向影響。適當的鋰渣摻量可以顯著提高UHPC的抗壓強度,而對于抗折強度而言,存在一個最佳的鋰渣摻量。

4)硅灰作為一種摻合料,對UHPC的抗折強度具有顯著的增強作用,特別是在齡期為28 d時效果更為明顯。適量的硅灰摻量可以改善UHPC的顆粒級配和密實結構,提高強度。

5)水膠比、砂膠比和減水劑摻量是對UHPC抗壓強度影響最為顯著的因素。通過調節這些參數,可以獲得最佳的抗壓強度。同時,砂膠比的增加對抗折強度有一定影響,但需注意摻量過大會導致混凝土中的含水量減少和孔隙率增加,從而降低強度。