不同温度下锂渣混凝土的早期抗裂性能*

郭江华，侍克斌，吴福飞

(新疆农业大学水利与土木工程学院新疆乌鲁木齐830052)

混凝土材料因其可塑性好、强度高、粘聚性好等特点，自问世以来便在建筑行业中大范围地使用。近些年随着高性能混凝土的出现，由于其力学性能稳定，早期强度高，具有较好的韧性和体积稳定性等性能，使得一些有难度的大跨高耸结构得以建成［1］。与其他建筑材料一样，混凝土结构建筑物在建设和使用的过程中也存在着一些问题和不足，如混凝土结构的开裂，会锈蚀钢筋，影响建筑物的稳定性，随着时间的推移，很多建筑物都会出现表皮脱落、裂缝、坍塌等现象，这些都严重影响着建筑物的寿命。其中，裂缝是出现这些现象的源头，其存在也是较为普遍的，当混凝土中拉应力超过其抗拉强度时，混凝土结构就会开裂，产生裂缝［2］。新疆是温带大陆性气候，夏季炎热干旱，冬季寒冷干燥。由于新疆的这种特殊地域，通过以往的工程实践不难发现，在不同温度下浇筑的混凝土裂缝有着不同的差距，由于温度的急剧变化，普通混凝土在如此的环境下服役，寿命降低是必然的。

长久以来，国内外的很多专家和学者为研究混凝土的裂缝问题做了大量的试验研究，并在混凝土开裂机理、混凝土早期抗裂试验研究的方法以及抗裂措施等方面取得了显著地成效。如王国强［3］用平板法，张善德［4］用圆环法对单掺锂渣混凝土在常温(20±3)℃下的早期抗裂进行了研究。针对新疆而言温度也影响着混凝土的裂缝，因此，本文针对新疆的特殊地理区域气候干燥，利用刀口法选取两个特殊温度20℃和30℃，对单掺锂渣高性能混凝土早期抗裂进行了较为系统的研究。

1 试验

1.1 试验原料

水泥:P.O 42.5R级水泥，其化学成分见表1;锂渣:烘干锂渣，呈粉状、浅黄白色主要化学成分见表1，物理技术指标见表2;细骨料:选择级配良好细度模数为2.76的中砂，含泥量0.4%;粗骨料:采用级配连续，粒径为5mm～25mm的小石;外加剂:高效减水剂。

表1 P.O 42.5R水泥与锂渣化学成分 /%

表2 锂渣的物理技术指标

1.2 试验方案设计

为了研究不同温度对锂渣高性能混凝土的早期抗裂影响，本试验选取了4个水胶比，分别是0.27、0.30、0.35和0.40。考虑锂渣的自然状态，试验采用烘干原渣替代同质量的水泥直接掺入混凝土中，锂渣掺量定为0、10%、30%、50%和70%这5个。将试件分别至于(20±2)℃和(30±2)℃的温度下，其余外界环境相同。

1.3 试验方法

试验方法依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)，在保证砂率和减水剂的用量在规定范围内使坍落度在160mm～180mm之间，并以试件上出现的最大裂缝宽度和单位面积上总开裂面积来衡量混凝土的早期抗裂性能，根据规范GB/T50082-2009每组试件3个，选取3者平均值作为该组试验结果。

2 试验结果与分析

表3 锂渣高性能混凝土早期抗裂试验结果

依据规范GB/T50082-2009，依照表3中的数据来安排试验，得到不同温度下混凝土早期抗裂试验结果数据参见表3。由表3中的试验结果数据可以看出:在30℃时锂渣高性能混凝土的单位面积裂缝数目总体比20℃时要少;30℃时混凝土裂缝的平均面积比20℃时略大些。

比较表3中的数据，不难发现在每一组水胶比下，单掺锂渣混凝土的单位面积总开裂面积在掺量为30%时最小。

单掺锂渣高性能混凝土在不同温度时表现不同的原因如下:(1)锂渣中含有较高的CaO，其活性也较高，且含有较高的SO3，CaO、SO3都参与水泥的水化反应，并与水泥水化产物氢氧化钙(Ca(OH)2)反应生成具有微膨胀性的二水石膏(CaSO4·2H2O)，同时石膏能够与水化铝酸钙(3CaO·Al2O3·6H2O)反应生成高硫型水化硫铝酸钙(钙矾石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)。由于石膏和高硫型水化硫铝酸钙具有膨胀性，其微膨胀性对减少混凝土的自收缩起一定作用，因而可以提高锂渣混凝土的早期抗裂性能。(2)锂渣属于多孔结构且吸水率较高的材料，高温时混凝土表面的水分遗失得较快，随着表面水分的遗失混凝土表面的部分水分由其内部的自由水和毛细孔水来补充，更加快了混凝土的自收缩。高温时的开裂时间也就因此提前，水泥在水化过程中产生的水化热可以从裂缝中得到释放，这就降低了因水化反应产生的温度应力，减少了裂缝的数目，却加大了裂缝的宽度，使得在高温下的混凝土单位面积总开裂面积大于低温时。

3 讨论

王国强［3］将比表面积为 400m2/kg、550m2/kg、770m2/kg、950m2/kg、1080m2/kg、1280m2/kg 的锂渣等质量代替水泥掺入混凝土中，发现随着锂渣比表面积的增加混凝土的早期抗裂效果也越来越差。将王国强的试验与此次试验对比可以发现，除锂渣掺量和外界温度不同对混凝土的早期抗裂性有影响外，当锂渣细度不同时对混凝土的早期抗裂性也有影响。随着锂渣细度的增大，锂渣中的SO3在搅拌过程中更易溶解出来，参加水泥水化反应，增加裂缝的开裂数目、开裂总面积、最大裂缝宽度、总开裂长度，影响混凝土的早期开裂较为明显，对混凝土的耐久性影响较大。在原锂渣细度对早期锂渣混凝土的开裂在一定掺量范围内可以有效控制混凝土的开裂，而增加锂渣细度可以更快的增强锂渣混凝土的早期强度。

4 结论

(1)锂渣掺量在30%时，可以延缓混凝土的早期收缩，降低混凝土早期开裂的总面积、开裂数目、开裂长度、最大裂宽等。锂渣参与水泥早期水化反应，并生成具有膨胀性的石膏和钙矾石，可以延缓高性能混凝土的早期塑性收缩。

(2)锂渣对混凝土的早期抗裂性能的影响不仅表现在锂渣的掺量和外界温度上，锂渣的细度也会影响混凝土的早期抗裂性能。

(3)在不同温度，同一水胶比掺量为30%时的混凝土开裂面积达到最小，且随着锂渣的掺量的增加裂缝的面积越大呈增长趋势，说明单掺锂渣最优为30%。

(4)在高温状态下素混凝土最大裂宽比低温时最大裂宽大17.0%，锂渣混凝土的最大裂宽比低温时最大裂宽大3.8%，由此不难看出在高温季节锂渣混凝土在30℃以内可以施工，温度对锂渣混凝土的耐久性影响不是很明显。

［1］ 张兰芳.高性能锂渣混凝土的试验研究［J］.辽宁工程技术大学学报，2007，(6):876-880

［2］ 杨恒阳.锂渣-粉煤灰高性能混凝土早期抗裂机理研究［J］粉煤灰综合利用，2013，(4):3-5.

［3］ 王国强，努尔开力·依孜特罗甫，侍克斌，等.锂渣细度对锂渣混凝土早期抗裂性能影响及分形评价［J］粉煤灰综合利用，2010，(05):23-25.

［4］ 张善德.锂渣高性能混凝土强度预测及圆环法早期抗裂性试验研究［D］新疆:新疆农业大学水利与土木工程学院，2011

［5］ WU Fu-fei，SHI Ke-bin，DONG Shuang-kuai.Properties and Microstructure of HPC with Lithium-slag and Fly ash［J］.Key Engineering Materials.2014(599):70-73.

［6］ Guo-qiang WANG，Ke-bin SHI，Yi-xiong GE.Study On Crack Resistance of High Performance Concrete with Lithium-slag［C］.Lushan，ICETCE，2011，vol6:6746-6749.