锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂机理研究*

杨恒阳

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐，83000)

混凝土材料自问世以来便得到了广泛的应用，尤其是随着高性能混凝土的面世使得一些大跨、高耸结构得以建成。与此同时，混凝土建筑物在建设和使用过程中也存在着诸如混凝土结构开裂、有害环境侵蚀、钢筋锈蚀、结构劣化等一些问题和不足，在一定程度上制约了国民经济的发展和生态文明的建设。其中，裂缝是混凝土结构工程中存在较为普遍的问题，当混凝土结构所承受的应力超过自身的极限抗拉强度时，混凝土结构会发生开裂，产生相应的裂缝。裂缝作为一种劣化现象，它的存在会加速有害介质对混凝土结构的侵蚀，直接影响到建筑结构的安全稳定，缩短建筑物的使用寿命。一直以来，国内外很多专家和学者围绕着混凝土的裂缝问题做了大量的研究工作，同时在混凝土开裂机理、混凝土抗裂试验研究的方法以及抗裂措施等方面取得了诸多成果，然而其中关于复掺高性能混凝土掺合料对高性能混凝土早期抗裂机理的研究则相对较少，特别是对于复掺锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂机理的研究。本文在利用刀口法对于不同掺量和配比的锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能进行系统试验研究的基础上，通过对比分析各项试验因素对结果的影响，从而对锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂机理进行探究。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥:新疆天山水泥厂42.5R级水泥，主要化学成分及物理技术指标见表1、表2;锂渣:新疆锂盐厂锂渣，主要化学成分及物理技术指标见表3、表4;粉煤灰:新疆玛纳斯电厂Ⅱ级粉煤灰，主要化学成分及物理技术指标见表5、表6;细骨料:乌鲁木齐河河砂，级配良好的中砂，细细度模数为2.92;粗骨料:乌鲁木齐河河卵石，连续级配，粒径范围5mm～25mm;外加剂:新疆格辉科技有限公司生产的萘系高效减水剂。

表1 42.5R普通硅酸盐水泥化学成分 /%

表2 42.5R普通硅酸盐水泥物理技术指标

表3 锂渣的化学成分 /%

表4 锂渣的物理性质指标

表5 粉煤灰的化学成分 /%

表6 粉煤灰的物理性质指标 /%

1.2 试验方案设计

为了研究复掺锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂机理，本文选取 0.30、0.35 和 0.40 3 个水胶比，参照以往试验结果中锂渣、粉煤灰最优掺量，将综合掺量设计为25%。分别选用同样配合比的纯水泥混凝土、单掺锂渣混凝土、单掺粉煤灰混凝土以及复掺锂渣、粉煤灰高性能混凝土进行早期抗裂试验，具体方案见表7。

表7 锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能试验方案

1.3 试验方法

本文采用刀口法进行锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能试验，试验方法参见《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T50082－2009)，选取最大裂缝宽度和单位面积上总开裂面积作为衡量混凝土早期抗裂性能的指标，每组3个试件，选取3者平均值作为该组试验结果。

2 试验结果与分析

依据相关试验规程，依照表7中试验配合比方案随机安排试验，各组混凝土早期抗裂试验结果见表8。

由表8中锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂试验结果可以看出:在相同配合比的条件下，各种混凝土的早期抗裂性能均随着水胶比的增加而提高。为了更为直观地表述复掺锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能，根据表8中试验数据分别绘制出各组混凝土的水胶比与最大裂缝宽度和单位面积上总开裂面积关系曲线图，如图1和图2所示。

表8 锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能试验结果

图1 混凝土水胶比与最大裂缝宽度关系曲线图

图2 混凝土水胶比与单位面积上总开裂面积关系曲线图

由图1、2可以看出:在相同水胶比条件下，掺加锂渣或者粉煤灰的混凝土早期抗裂性能均优于普通水泥混凝土;同时，在矿物掺合料总掺量相同的前提下，复掺锂渣、粉煤灰高性能混凝土的早期抗裂性能要优于单掺锂渣和单掺粉煤灰混凝土，其早期抗裂性能在4种试验混凝土中表现为最优。

3 锂渣、粉煤灰混凝土早期抗裂机理

作为一种人造石材，混凝土自浇注成型后体积会发生不同程度的变化，包括混凝土早期的体积变化、胶凝材料水化过程中的体积变化以及凝结硬化之后的体积变化。导致混凝土发生体积变化的主要因素分为收缩、温度变化和湿度变化，其中收缩对混凝土的体积变化影响最为显著。混凝土的收缩主要有干缩和冷缩两种类型，包括沉降收缩、塑性收缩、干燥收缩、水化收缩、自收缩以及碳化收缩，其中塑性收缩和自生干燥收缩是影响高性能混凝土早期体积变化的最主要因素。复掺锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能优于其他混凝土的主要原因体现在如下几个方面:

(1)高性能混凝土一般具有低水胶比的特点，由于水泥发生水化作用消耗大量的水导致混凝土发生水化收缩和干燥收缩，而作为矿物掺合料的粉煤灰由于具有塑化作用，不参与早期的水化反应，因而能够减小锂渣、粉煤灰高性能混凝土早期的自生干燥收缩，在一定程度上提高锂渣、粉煤灰高性能混凝土的早期抗裂性能。

(2)锂渣中含量较高的三氧化硫(SO3)能够与水泥水化生成的氢氧化钙(Ca(OH)2)发生反应生成具有膨胀性的二水石膏(CaSO4·2H2O)，同时石膏能够与水化铝酸钙(3CaO·Al2O3·6H2O)反应生成钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)。由于石膏和钙矾石均具有膨胀性，能够补偿高性能混凝土的早期塑性收缩，因而能够提高锂渣、粉煤灰高性能混凝土的早期抗裂性能。

4 结论

(1)在相同配比的条件下，单掺锂渣和单掺粉煤灰混凝土的早期抗裂性能均较常规水泥混凝土有一定程度的提高，复掺锂渣、粉煤灰混凝土的早期抗裂性能优于单掺锂渣或者单掺粉煤灰混凝土，在各组试验混凝土早期抗裂性能中表现最佳。

(2)水胶比是影响高性能混凝土早期抗裂性能的主要因素，在试验选取参数范围内，各组混凝土的早期抗裂性能均随着水胶比的增大而呈现增强趋势。

(3)复掺锂渣、粉煤灰作为高性能混凝土的矿物掺合料提高混凝土早期抗裂性能的作用机理一方面在于粉煤灰具有塑化作用，能够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缩;另一方面在于锂渣发生水化反应的产物石膏和钙矾石均具有膨胀性，能够在一定程度上补偿高性能混凝土的早期塑性收缩。由于锂渣和粉煤灰2种掺合料的优势互补，减少了高性能混凝土早期因收缩产生的裂缝，从而能够提高高性能混凝土的早期抗裂性能。