掺锂渣再生混凝土劈裂抗拉强度试验研究∗

严文龙，于江，秦拥军，罗玲

(新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

0 引言

目前，国内外学者多是从抗压强度这一力学性能对再生混凝土进行研究[1−4],少有对其抗拉性能的探索[5,6].而在混凝土结构构件设计过程中，抗拉强度是重要的力学参数并且也是基本的力学指标，通常采用测定混凝土劈裂抗拉强度的方法来间接测定.

锂渣作为新疆规模化排放的固体工业废弃物，是利用锂辉石生产碳酸锂过程中排放出来的，其通过硫酸浸渍以提高锂元素的采取量而使得排放出来的锂渣水分大、酸度大、烘干难度也较大，且烘干后易起灰扬尘，对环境的污染较大[7].若把锂渣掺入到混凝土中，既能够有效减少其排放堆存数量，又对混凝土的力学性能有一定的提高作用[8−10].然而目前国内外尚且没有对掺锂渣再生混凝土这种新型结构材料进行系统的探索.

基于再生混凝土的研究现状及新疆地区特点，本文通过测定混凝土劈拉强度来分析影响掺锂渣再生混凝土抗拉性能的因素.

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥：雁池牌P·042.5普通硅酸盐水泥，来自新疆乌鲁木齐市红雁池电厂有限公司，其化学成分见表1.

锂渣：新疆乌鲁木齐市锂盐厂堆存的固体工业废弃物，其化学成分如表1所示.

表1 水泥及锂渣的化学成分（单位：%）

天然粗骨料：新疆地区的卵石，粒径范围是4.75∼31.5 mm的连续级配，其性能见表2.

表2 粗骨料性能

再生粗骨料：收集不同来源的废弃混凝土后，再进行破碎加工成粗骨料，其粒径范围是4.75∼31.5 mm的连续级配.依照国家现行规范标准，对其进行类别划分，本实验采用II类粗骨料，其性能见表2.

细骨料：新疆地区的天然砂，中砂且细度模数2.9，表观密度为2 640 kg/m3.

水：选用乌鲁木齐地区自来水.

1.2 试验配合比

试验中混凝土的强度设计值是C30，水灰比是0.45.而锂渣掺量选取0%、10%、15%、20%、25%；再生粗骨料掺量选取0%、30%、50%、70%；龄期为3 d、7 d、28 d.以此来探索不同掺量的再生粗骨料和锂渣以及不同龄期对劈拉强度的影响.按照国家现行规范[11]要求，试件的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm.

试验主要从再生粗骨料掺量、锂渣掺量、龄期三个方面对劈拉强度进行探索.为减少因再生粗骨料吸水率而影响混凝土劈拉强度，故结合考虑再生粗骨料的吸水率及含水率来对混凝土配合比进行调整.依据国家现行规范标准[12]中的设计方法[13]，将实际用水量分为净用水量与附加用水量，故试验前需确定拌合物附加用水量，附加用水量计算公式如（1）

式中Mg为每立方米混凝土中含有的再生粗骨料，Wwg为再生粗骨料吸水率，Wwh为再生粗骨料含水率.

II类再生粗骨料吸水率是3.46%，含水率是1.32%，本次试验配合比见表3.

1.3 试件的制作与养护

混凝土拌合物采用HJW60型强制式单卧轴混凝土搅拌机搅拌，先将水泥、锂渣及细骨料搅拌均匀，再将粗骨料放入，继续搅拌以使其均匀混合，最后加入水，搅拌3到5 min，将混合均匀的混凝土拌合物装入已刷好脱模剂的试模中，然后放在振动台上振捣至浇筑面不出现大的气泡为止，待振捣密实后将试模表面用刮刀抹平，静置24 h后拆除试模，并将试件放入养护室使其在标准条件下进行养护（如图1所示）.

图1 标准条件下试块养护

表3 锂渣再生混凝土配合比设计

1.4 试验设备及试验方法

劈裂抗拉强度实验设备选择TYE—3000B型压力试验机，最大量程是3 000 KN，加载速率是0.06 Mpa/s，试验装置如图2所示.试验测试根据国家现行规范标准[11]分别测3 d、7 d和28 d的劈裂抗拉强度值.

图2 试验装置

2 试验现象与结果

2.1 劈裂抗拉试验现象

在加载初始阶段，试件的表面没有出现裂缝，但荷载逐渐增大后，试件表面中央部位开始出现裂缝，并且当荷载持续增大时，裂缝逐渐向垫条附近延伸开展且其宽度也逐渐增大，最后在试件表面形成一条自上而下的贯通裂缝（见图3），继而试件被劈裂，其破坏的截面如图4所示.由图4可以看出，混凝土劈裂破坏形式包括粗骨料与新水泥砂浆之间的界面粘结破坏和粗骨料自身的断裂破坏.

对比混凝土劈裂破坏截面，可发现再生混凝土破坏截面上存在部分再生粗骨料断裂的现象，而在普通混凝土破坏截面上则出现了较多粗骨料和新水泥砂浆之间的界面粘结破坏，很少发生粗骨料自身被劈裂.这主要由于再生粗骨料在废弃混凝土破碎过程中受到损伤，已产生轻微裂缝，降低了再生粗骨料自身强度，因此在拉应力作用下，再生粗骨料更容易发生断裂，从而造成试件内部形成贯穿裂缝而导致混凝土被劈裂.

图3 贯通裂缝

图4 破坏截面

2.2 劈裂抗拉试验结果

混凝土的劈裂抗拉强度见表4.

表4 混凝土抗拉强度试验结果

3 试验结果分析

3.1 龄期的影响

龄期对混凝土抗拉性能的影响见图5、图6.

从图5可以发现对于普通混凝土而言，混凝土劈拉强度与龄期正相关，3 d和7 d的劈拉峰值出现在锂渣掺量为10%处，其强度较同龄期下未掺锂渣的混凝土强度增长了61.8%和44.3%，28 d的劈拉峰值出现在20%处，其强度较同龄期下未掺锂渣的混凝土强度增长了37.7%，从试验数据可以看出，锂渣掺量对混凝土各龄期下劈裂抗拉性能都有提高作用；早期时，掺锂渣混凝土与未掺锂渣混凝土的强度增长量相比，增幅不明显，这说明锂渣的掺入对于混凝土早期抗拉性能的增长影响不明显.当锂渣掺入量是0%时，28 d的混凝土抗拉强度较3 d的抗拉强度增长1.88 MPa.而当锂渣掺入量是10%和20%时，其28 d的劈拉强度较3 d的劈拉强度分别增长1.97 MPa和2.71 MPa.这说明在水化反应后期时，锂渣充分参与水化反应，对混凝土的后期劈拉强度有显著提高作用.

通过图6可以看出对于再生混凝土而言，当再生粗骨料掺入量为50%时，早期部分掺入锂渣再生混凝土的强度增长量低于未掺入锂渣再生混凝土的强度增长量.这是因为在早期时，锂渣活性低于水泥活性，掺入锂渣后，水化速度降低，不利于混凝土早期劈拉强度的增长，但锂渣对混凝土后期劈拉强度的增长速率有促进作用.当再生粗骨料掺入量是30%和70%，可以得到与之相类似的结论.

图5 再生粗骨料掺量为0%时龄期对混凝土劈裂抗拉强度的影响

图6 再生粗骨料掺量为50%时龄期对混凝土劈裂抗拉强度的影响

综上所述，对于3 d劈拉强度而言，当再生粗骨料掺入量是70%，锂渣掺入量是10%时，掺锂渣再生混凝土劈拉强度最高，其强度比未掺入锂渣的普通混凝土强度增长了119.66%.对于7 d抗拉强度而言，当再生粗骨料掺入量为70%，锂渣掺入量为10%时，掺锂渣再生混凝土的劈拉强度达到最大，其强度较未掺入锂渣的普通混凝土强度增长61.99%.对于28 d抗拉强度而言，当再生粗骨料掺量为70%，锂渣掺量为15%时，掺锂渣再生混凝土抗拉强度最大，其强度较未掺入锂渣的普通混凝土增长了57.40%.

3.2 锂渣掺量的影响

锂渣掺量对混凝土劈拉性能的影响如图7、图8所示.

通过图7可以看出无论再生粗骨料掺入量是多少，再生混凝土3 d劈拉强度均高于普通混凝土.这是因为再生粗骨料掺入后，由于其吸水率大造成混凝土相对水灰比减小，从而提高了抗拉强度.再者因为其表面有凹凸不平的特点，较为粗糙，能更好的与水泥砂浆相结合，提高界面粘结力.锂渣掺量为10%时，混凝土劈裂抗拉强度达到最大值，这是因为锂渣的特殊形态效应在水泥石中既可以相当于未水化的水泥颗粒起到填充密实作用，又可以参与水化过程，能提升混凝土的抗拉性能.但是，由于锂渣活性低于水泥活性，当掺量过多后，势必延缓了整个体系的水化速度，从而降低混凝土的早期抗拉强度.对于龄期为7 d的混凝土而言，与3 d的混凝土类似，其劈拉峰值均出现在锂渣掺量为10%处.

图7 锂渣掺量对混凝土抗拉强度的影响(3 d)

图8 锂渣掺量对混凝土抗拉强度的影响(28 d)

从图8可以发现对于龄期为28 d的混凝土而言，其劈拉峰值均出现在锂渣掺量为20%处（再生粗骨料掺量为70%的除外）.这说明在反应后期，水泥及锂渣充分水化且锂渣可以有效提高混凝土的后期强度，因而锂渣掺入量从0%增加至20%过程中，混凝土劈拉强度也随之增大，但在20%到25%时，强度逐渐降低，说明过多的锂渣会造成水泥含量下降，影响混凝土抗拉强度.

3.3 再生粗骨料掺量的影响

再生粗骨料掺量对混凝土劈拉性能的影响如图9所示.

根据图9可知对于未掺锂渣的混凝土而言，当再生粗骨料的掺入量逐渐增多时，混凝土28 d的劈拉强度呈先增高后降低的发展趋势，其劈拉峰值出现在再生粗骨料掺入量为30%处.因为过多再生粗骨料的掺入，会造成卵石在整个浆体中的比例下降，且由于再生粗骨料自身存在裂缝缺陷，势必降低整个骨料体系的强度，从而降低混凝土的抗拉强度.

图9 再生粗骨料掺量对混凝土抗拉强度的影响

对于掺锂渣混凝土而言，再生粗骨料对抗拉强度的影响趋势为随再生粗骨料掺量增加而增高，其劈拉峰值都出现在再生粗骨料掺入量为70%处.这是由于再生粗骨料外表面不光滑，有棱角存在，而在不同掺量锂渣的特殊形态作用下，造成不同掺量再生骨料填补了混凝土中天然粗骨料骨架中的空隙，从而形成最优级配，由此提升了抗拉强度.再生粗骨料掺入量为70%，锂渣掺入量为15%时，混凝土的劈拉强度达到最大值，较同锂渣掺入量下的普通混凝土增长17.2%.这验证了再生粗骨料确实对混凝土的抗拉强度有提高作用.通过研究3 d和7 d的混凝土劈拉强度，可以得出与28 d的混凝土相似的结论.

综上所述，锂渣掺入量对混凝土劈拉强度的影响趋势均呈先增高后降低.再生粗骨料掺入量对未掺锂渣混凝土的劈拉强度影响趋势均为先增高后降低，再生粗骨料掺量对掺锂渣混凝土劈拉强度的影响趋势均为随再生粗骨料掺量的增高而升高.

4 结论

（1）当龄期逐渐增长时，混凝土的劈拉强度也逐渐增大.虽然锂渣的掺入对混凝土早期的抗拉性能增长没有太大影响，但是适量锂渣可以显著提高混凝土后期抗拉强度的增长速率；

（2）锂渣掺量对混凝土抗拉强度的影响均呈先增高后降低的趋势.3 d和7 d的劈拉峰值出现在锂渣掺量在10%处，28 d的劈拉峰值出现在锂渣掺量在20%处（再生粗骨料掺入量为70%除外）；

（3）再生粗骨料掺量对未掺锂渣混凝土的劈拉强度影响均呈先增高后降低的趋势，劈拉峰值出现在再生粗骨料掺入量在30%处.而再生粗骨料掺量对掺锂渣混凝土的劈拉强度影响趋势均为随再生粗骨料掺量的增加而升高，劈拉峰值出现在再生粗骨料掺入量在70%处；

（4）由于试验主要针对掺锂渣再生混凝土抗拉性能的研究，对于掺锂渣再生混凝土的其他基本力学性能，有待于进一步探索.