锂渣再生混凝土强度及耐久性试验研究

李建沛

（河南质量工程职业学院，河南 平顶山 467000）

0 前言

锂渣是由锂辉矿石生产碳酸锂过程中产生的废弃材料，其主要成分包含氧化硅、氧化铝、氧化钙等，锂渣成分与粉煤灰相近，但其活性却高于粉煤灰，有着较好的火山灰及填充效果[1-2]。我国锂辉矿石存储丰富，碳酸锂的产量逐年递增，与此同时也产生大量的锂渣废弃物，对自然环境造成污染。将锂渣取代部分水泥掺入混凝土中，不仅有利于减少水泥生产过程中对环境造成的污染，同时解决了锂渣废弃物的处理问题[3-4]。目前，已有相关研究表明，将锂渣掺入混凝土，可以降低混凝土成本，改善混凝土内部结构，提高混凝土强度[5]。

另一方面，将既有建筑混凝土结构拆除产生的废弃混凝土加以处理，形成再生骨料并掺入混凝土中，成为建筑废弃物处理的方式之一，并在部分工程中得以应用[6-7]。当前，对于再生混凝土已有大量研究，包括再生混凝土材料强度、耐久性、构件承载力及抗震性能等诸多方面，研究日趋全面、成熟[8-10]。

将锂渣及再生骨料同时掺入混凝土中，制成锂渣再生混凝土，可以同时解决前述2个问题。本文对锂渣再生混凝土进行试验研究，分析锂渣取代率对再生混凝土强度及耐久性的影响，为锂渣再生混凝土相关应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，28 d抗压强度52.3 MPa；废弃锂渣：某厂提供，主要物理性能和化学成分如表1所示；再生粗骨料：某拆迁建筑回收产生，粒径5～20 mm，表观密度2470 kg/m3，吸水率3.3%；砂：中河砂，细度模数2.6，表观密度2640 kg/m3；减水剂：萘系高效减水剂，减水率15%～25%；水：自来水。

表1 锂渣的主要物理性能和化学成分

1.2 试验配比

本研究采用锂渣等质量取代水泥，全部使用再生粗骨料，试验配合比见表2。

表2 试验混凝土的配合比

1.3 性能测试方法

（1）轴心抗压强度、弹性模量：按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用WAW-2000 kN万能试验机进行测试，试件尺寸均为150 mm×150 mm×300 mm，轴心抗压强度测试时加载速度为0.5 MPa/s，弹性模量测试时加载和卸载速度均为0.5 MPa/s。

（2）抗冻性能：将混凝土试件在标准养护室养护24 d后取出，在（20±2）℃水中浸泡4 d，随后开始冻融循环试验。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用KDR-16B快速冻融试验机进行冻融循环，试验中冻融循环1次耗时4 h，试件中心最低温度（-18±2）℃，试件中心最高温度（5±2）℃。动弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，测试采用DT-16100动弹仪；冻融循环后混凝土立方体抗压强度测试试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

（3）碳化性能：将混凝土试件在标准养护室内养护26 d后取出，在60℃烘箱中烘干2 d，再移入TH-B型碳化箱，按照 GB/T 50082—2009，分别测试混凝土 7、14、21、28 d 的碳化深度。碳化箱内CO2浓度保持在（20±3）%，相对湿度保持在（70±5）%，温度保持在（20±2）℃，碳化试件尺寸为 100 mm×100 mm×300 mm。

2 试验结果及分析

2.1 锂渣取代率对再生混凝土力学性能的影响

锂渣取代率对再生混凝土轴心抗压强度和弹性模量的影响见表3。

表3 锂渣取代率对再生混凝土轴心抗压强度和弹性模量的影响

由表3可见：

（1）随着锂渣取代率的增加，再生混凝土的轴心抗压强度先提高后降低。当锂渣取代率为20%时，再生混凝土的7 d、28 d轴心抗压强度最高，较未掺加锂渣的再生混凝土分别提高39.1%、41.3%；当锂渣取代率由20%增加至30%时，再生混凝土轴心抗压强度开始下降，7 d、28 d轴心抗压强度较最高值分别降低14.7%、11.7%。当锂渣取代率不超过20%时，锂渣中无定形的SiO2会与水泥水化反应产生的Ca（OH）2反应形成C-S-H（水化硅酸钙）凝胶，促使水泥产生二次水化反应，填充混凝土内部孔隙，使得混凝土结构更为密实，有利于提高混凝土的强度。而当锂渣取代率较大时，锂渣与水泥水化产生反应后仍存在富余，多余的锂渣仅起到集料填充的效果，甚至会在混凝土内部留存缺陷，导致混凝土抗压强度下降。

（2）随着锂渣取代率的增加，再生混凝土的弹性模量先升高再下降，这与锂渣取代率对混凝土轴心抗压强度影响规律一致。当锂渣取代率增加至20%时，混凝土内部结构更为密实，再生混凝土的弹性模量最大，达到32.6 GPa，较未掺加锂渣的再生混凝土提高11.3%。当锂渣取代率由20%增加至30%时，配合比中水泥含量下降，存在部分未参与二次反应的锂渣，降低了混凝土强度，弹性模量也随之出现下降。

2.2 锂渣取代率对再生混凝土抗冻性的影响

2.2.1 相对动弹性模量变化

锂渣取代率对再生混凝土相对动弹性模量的影响如图1所示。

图1 锂渣取代率对再生混凝土相对动弹性模量的影响

由图1可见，随着冻融循环次数的增加，各锂渣取代率的再生混凝土相对动弹性模量均逐渐下降，且下降速度持续加快。这是由于混凝土浇筑完成后，混凝土内部存在部分原生裂缝，在冻融循环作用下，裂缝不断发展、连通，试件表观混凝土出现剥落，混凝土相对动弹性模量下降。

对比不同锂渣取代率的再生混凝土相对动弹性模量可知，当锂渣取代率为20%时，相同冻融循环次数后的再生混凝土相对动弹性模量最大，混凝土的抗冻性最佳。这主要是由于锂渣有着较好的火山灰效应，可与水泥水化产物二次反应，一定程度弥补混凝土内部损伤，混凝土的抗冻性得到提高。而当锂渣取代率进一步增大到30%时，锂渣主要起着微集料效应，混凝土内未水化的锂渣颗粒也较多，颗粒间的粘结力较弱，混凝土内部孔隙结构变差，抗冻性能下降。

2.2.2 抗压强度变化

冻融循环作用下再生混凝土的立方体抗压强度及残余抗压强度变化分别如图2、图3所示。残余抗压强度为混凝土冻融循环后的立方体抗压强度与未经受冻融循环时立方体抗压强度的比值。

图2 冻融循环作用下再生混凝土的立方体抗压强度

从图2、图3可知，随着冻融循环次数的增加，各锂渣取代率下再生混凝土的立方体抗压强度均持续降低。当锂渣取代率为20%时，相同冻融循环作用次数后混凝土的残余抗压强度最高，混凝土的抗冻性最强。当锂渣取代率增大至30%时，相同冻融作用次数下混凝土的残余抗压强度明显下降，混凝土的抗冻性逐渐变差。

图3 冻融循环作用后再生混凝土的残余抗压强度

2.3 锂渣取代率对再生混凝土碳化性能的影响

图4为不同碳化龄期时再生混凝土的碳化深度。

图4 不同碳化龄期时再生混凝土的碳化深度

由图4可知，随着碳化龄期的延长，各锂渣取代率的再生混凝土碳化深度均逐渐增大。在碳化初期阶段，混凝土碳化深度增长较快，当碳化龄期超过7 d后，混凝土碳化深度随着碳化龄期的增长速度逐渐变缓，并趋于稳定。这是由于随着反应持续进行，碳化作用产生的碳酸盐等产物逐渐堵塞混凝土内部孔隙，使得CO2传输速度下降，碳化深度逐渐趋于稳定。

对比不同锂渣取代率的再生混凝土碳化深度可知，当锂渣取代率为20%时，混凝土碳化深度最小，混凝土抗碳化性能最佳；而当锂渣取代率为30%时，混凝土碳化深度最大，混凝土抗碳化性能最差。当碳化龄期为28 d时，锂渣取代率为0、10%、20%、30%的再生混凝土碳化深度分别为 4.8、4.6、3.8、5.2 mm。掺入适量的锂渣可以优化混凝土内部孔隙结构，同时进一步强化再生骨料与水泥基体间的粘结界面，混凝土内部整体结构更为致密，抗碳化性能得到增强。而当锂渣过量时，混凝土中存在未水化的锂渣颗粒，混凝土内部缺陷增多，抗碳化性能减弱。

3 结论

（1）随着锂渣取代率的增加，再生混凝土的轴心抗压强度先提高后降低。当锂渣取代率为20%时，再生混凝土的轴心抗压强度最高，7 d、28 d轴心抗压强度较未掺锂渣的再生混凝土分别提高39.1%、41.3%。

（2）随着锂渣取代率的增加，再生混凝土的弹性模量先增大后减小，当锂渣取代率为20%时，再生混凝土的弹性模量最大。

（3）当锂渣取代率为20%时，经受相同冻融循环次数后再生混凝土的相对动弹性模量、残余抗压强度取得最大值，抗冻性能最佳。当锂渣取代率超过20%后，再生混凝土内部结构缺陷增多，抗冻性能变差。

（4）随着锂渣取代率的增加，各碳化龄期的再生混凝土碳化深度先增大后减小，当锂渣取代率为20%时，再生混凝土的抗碳化性能最强。

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