水膠比、鋰渣摻量和細度對混凝土抗壓強度的影響研究

許開成，畢麗蘋，陳夢成

(華東交通大學，土木建筑學院建筑過程模擬與控制省重點實驗室，南昌 330013)

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水膠比、鋰渣摻量和細度對混凝土抗壓強度的影響研究

許開成，畢麗蘋，陳夢成

(華東交通大學，土木建筑學院建筑過程模擬與控制省重點實驗室，南昌 330013)

為了研究不同影響因素對鋰渣混凝土抗壓強度的影響，本文以水膠比、鋰渣摻量和鋰渣細度為考察因素，設計正交試驗；通過極差和方差分析法分析各因素對鋰渣混凝土抗壓強度的影響大小，并進一步分析水膠比和鋰渣摻量對鋰渣混凝土抗壓強度的影響規律。結果表明：水膠比是影響鋰渣混凝土抗壓強度的主要因素，其次是鋰渣摻量，最次是鋰渣細度；隨著齡期的增長，鋰渣摻量的影響逐漸顯著，鋰渣細度的影響逐漸消失。鋰渣混凝土前期的抗壓強度低于普通混凝土或與其相當，其28 d和60 d抗壓強度均大于普通混凝土。鋰渣混凝土抗壓強度隨著鋰渣摻量的增加而先增大后減小，鋰渣的最佳摻量為20%。當水膠比分別為0.466、0.404(0.466)和0.530時，鋰渣摻量為10%、20%和30%的混凝土抗壓強度增長率為最大。

水膠比； 鋰渣摻量和細度； 鋰渣混凝土； 抗壓強度； 影響規律

1 引 言

隨著國家經濟的快速發展，人們生活水平日益提高，環境污染問題也逐漸嚴重。人們對綠色環保和可持續發展的意識也日益增強。混凝土是我們人類生產和生活的重要組成部分，是生產和消耗最大宗的建筑材料，但混凝土的生產也給我們帶來了很多負面影響，如大氣污染、森林砍伐、河床生態破壞等問題[1]。混凝土正面臨對環境的挑戰，所以混凝土向綠色環保型轉變變得尤為關鍵和重要。1997年吳中偉院士提出了“綠色高性能混凝土”的概念。綠色高性能混凝土的主要特征是[2]：(1) 更多地節約熟料水泥, 降低能耗與環境污染；(2) 更多地摻加工業廢料為主的細摻料;(3) 更大地發揮混凝土的高性能優勢，減少水泥與混凝土的用量。于是，研究工業廢料發掘能取代水泥的新型摻合料成為一種發展綠色混凝土的方向。鋰渣是生產碳酸鋰排出的工業廢渣，目前鋰渣的利用率極低，大量的鋰渣堆積造成了嚴重的環境問題。但鋰渣含有大量的無定形二氧化硅，具有很高的活性[3]。若將其作為原材料用于制備混凝土，可以發揮其作為礦物摻合料的優點；礦物摻合料摻入混凝土可以改善混凝土的內部結構，增強水泥石和骨料間的界面粘結，也能提高混凝土的耐久性[4-6]。基于此，鋰渣混凝土引起了大量學者的關注和重視。而本文主要利用極差和方差分析研究水膠比、鋰渣摻量和細度對鋰渣混凝土抗壓強度的影響，進而分析水膠比和鋰渣摻量對鋰渣混凝土抗壓強度的影響規律，為相關研究提供一定的參考。

2 試 驗

2.1 原材料

水泥采用洋房牌P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥，鋰渣是江西宜春銀鋰新能源股份有限公司的白色鋰云母渣，經烘干磨細而成，水泥和鋰渣的化學成分見表1；細骨料是贛江中砂，細度模數是2.8；粗骨料是連續級配5～25 mm碎石，含泥量0.6%、針片狀顆粒12%、壓碎值7.0%；減水劑采用聚羧酸鹽高效減水劑，減水率為20%～30%，固含量19.8%；拌合水采用自來水。

表1 膠凝材料化學成分Tab.1 Chemical composition of cementitious material /%

2.2 試驗設計

本研究采用正交試驗設計方法，以探討不同影響因素對鋰渣混凝土性能的影響。

2.2.1 影響因數選擇

無論在混凝土力學性能和耐久性方面，水膠比都有顯著影響，是影響混凝土性能的重要因素。目前高性能混凝土研究較多，其水膠比一般在0.35以上；但實際施工中強度較低的混凝土也有很大需求，相應的水膠比一般為0.4～0.45，而有時為了改善混凝土的性能，水膠比也會提高到0.5～0.55。綜合考慮，本研究選用的水膠比范圍為0.530～0.342。

目前，已有學者對鋰渣混凝土進行了研究，依據相關研究，本文確定鋰渣摻量為10%、20%和30%(摻量為40%的情況作者也有研究，未在本文提及，結果趨勢會順延30%的情況，相比性能也較好，鋰渣摻量范圍可以適當擴大)。

鋰渣的細度也是混凝土性能的重要影響因素，不同的摻合料細度對混凝土的影響也有很大不同。本研究考慮的摻合料細度一般水平為過45 μm篩篩余量<12%，具體為5.5%、7.5%、9%、11.68%。

2.2.2 試驗方案

正交試驗安排三個考察因素：水膠比、鋰渣摻量、鋰渣細度，每個因素有四個水平，采用正交表L16(45)，正交因素-水平表見表2所示。其中鋰渣摻量以其占膠凝材料質量分數計，等量取代；鋰渣細度是以鋰渣粉過45 μm篩篩余量測定。試驗指標是7 d、28 d、60 d三個齡期的抗壓強度，將試件分了3大組，每組共16小組，共144個試塊，試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。混凝土強度試驗依據GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

表2 正交因素-水平表Tab.2 Orthogonal factor-level table

3 試驗結果

鋰渣混凝土試驗結果見表3，抗壓強度值已按規范要求調整為標準抗壓強度值。

表3 鋰渣混凝土試驗結果Tab.3 Test experimental results of lithium slag concrete

4 直觀分析

根據表3結果，利用正交分析法分別計算出水膠比、鋰渣摻量、鋰渣細度對鋰渣混凝土7 d、28 d、60 d抗壓強度影響的極差值，結果見表4。

由表4可知，水膠比是影響鋰渣混凝土7 d、28 d、60 d抗壓強度的主要因素，其次是鋰渣摻量，最次是鋰渣細度；7 d抗壓強度時，鋰渣摻量和鋰渣細度兩者的影響比較接近，28 d、60 d抗壓強度時，兩者的影響差距拉大，鋰渣摻量的影響逐漸顯著，而鋰渣細度的影響逐漸消失。可見，鋰渣摻量對鋰渣混凝土后期強度的影響比較顯著。

表4 正交試驗極差表Tab.4 Ranges of the orthogonal experiment

5 方差分析

為了彌補極差分析的單一性，證實因素對指標的影響，本文利用方差分析計算分析因素貢獻率，區分因素水平變化和誤差引起的數據波動。因素與誤差的貢獻率見表5～7所示。

表5 7 d鋰渣混凝土抗壓強度下因素與誤差的貢獻率Tab.5 Contribution rate of factors and errors under 7 d compressive strength of lithium slag concrete

由表5可知，水膠比對鋰渣混凝土7 d抗壓強度的影響相對最大，水膠比的水平變化引起的數據波動在總的純離差平方和中占了47.18%，是三個影響因素中最大的，但仍小于誤差引起的數據波動，是誤差引起的數據波動的90.26%。鋰渣摻量的水平變化引起的數據波動遠小于誤差引起的數據波動。鋰渣細度的水平變化引起的數據波動為負數，即其產生的影響已經被誤差所掩蓋。可以認為鋰渣細度水平變化不重要，也就是鋰渣細度在5.5%～11.68%范圍內變化對抗壓強度沒有影響，所以細度范圍可以適當的擴大。綜合來說，各因素的水平變化引起的數據波動均小于誤差引起的數據波動，各因素的水平變化對7 d的抗壓強度基本沒有影響。

由表6可知，水膠比是影響28 d抗壓強度最大的因素，它的水平變化引起的數據波動在總的純離差平方和中占52.36%，略大于誤差引起的數據波動，是誤差的1.01倍。鋰渣摻量的水平變化引起的數據波動遠小于誤差引起的數據波動，鋰渣細度的水平變化引起的數據波動是負數，說明這兩者產生的影響都被誤差所掩蓋。但是鋰渣摻量水平變化引起28 d抗壓強度的數據波動比7 d抗壓強度的數據波動有所增加，說明鋰渣摻量的影響開始顯現，而鋰渣細度的數據波動比7 d的更小，說明鋰渣細度更加不重要了。

表6 28 d鋰渣混凝土抗壓強度下因素與誤差的貢獻率Tab.6 Contribution rate of factors and errors under 28 d compressive strength of lithium slag concrete

由表7可知，水膠比對鋰渣混凝土60 d抗壓強度的影響最大，水膠比水平變化引起的數據波動稍大于誤差引起的數據波動，是誤差的1.01倍，其貢獻率是46.72%。鋰渣摻量貢獻率15.02%小于誤差的46.17%，即鋰渣摻量水平變化引起的數據波動不及誤差引起的數據波動的貢獻大，但是鋰渣摻量水平變化引起60 d抗壓強度的數據波動遠大于28 d抗壓強度的數據波動，所以在60 d齡期時鋰渣摻量對混凝土強度的影響已十分顯著。鋰渣細度貢獻率為-7.9%，遠小于誤差的貢獻率，可以認為其對混凝土強度的影響逐漸消失。

表7 60 d鋰渣混凝土抗壓強度下因素與誤差的貢獻率Tab.7 Contribution rate of factors and errors under 60 d compressive strength of lithium slag concrete

綜合表5～7的分析可知，水膠比對抗壓強度的影響程度最大，對于7 d抗壓強度，其水平變化引起的數據波動小于誤差；對于28 d、60 d抗壓強度，其水平變化引起的數據波動均大于誤差，并且其60 d的強度貢獻率略小于28 d。說明水膠比對早期強度的影響不明顯，28 d時對強度的影響較明顯，而在后期其對強度的影響略微減小。本研究中鋰渣摻量的水平變化引起的數據波動雖然從早期到后期都小于誤差引起的數據波動，但是貢獻率逐漸增大，尤其在60 d時非常顯著；可以說明鋰渣摻量對鋰渣混凝土抗壓強度后期影響顯著，并且可以適當的加大鋰渣摻量水平變化的幅度，使其對鋰渣混凝土的影響更加明顯。鋰渣細度的水平變化引起的數據波動均為負數，遠遠小于誤差引起的數據波動，說明本研究中鋰渣細度水平變化對鋰渣混凝土抗壓強度基本沒有影響，非常不明顯，可以通過適當的增大鋰渣細度范圍增加影響。

總之，水膠比是影響抗壓強度的主要因素，鋰渣摻量次之，其影響在后期逐漸明顯，在本試驗范圍內鋰渣細度幾乎沒有影響。該結果與極差分析相同，也驗證了極差分析的正確性。

6 各因素對鋰渣混凝土抗壓強度的影響規律

6.1 鋰渣摻量對鋰渣混凝土抗壓強度的影響

圖1為不同水膠比時不同鋰渣摻量的混凝土抗壓強度。由圖可知，隨著齡期的增長，混凝土的抗壓強度隨之增大；鋰渣混凝土前期抗壓強度較低，后期抗壓強度總體上都大于普通混凝土。隨著鋰渣摻量的增大，各齡期混凝土抗壓強度基本上表現出先增大后減小的特點。當鋰渣摻量為20%時，不同水膠比的鋰渣混凝土各齡期抗壓強度基本上為最大。

不同水膠比下，鋰渣混凝土前期(7 d)抗壓強度隨著鋰渣摻量的增加，其強度變化趨勢有所不同，但鋰渣混凝土前期抗壓強度基本上都低于普通混凝土或與其相當。因為混凝土強度主要是由水泥水化生產的膠凝性產物提供[7]，并且水泥硬化初期的反應產物數量主要取決于與水反應的水泥顆粒的面積[8]。當鋰渣取代水泥后，水泥的用量減少，相應的水泥顆粒的面積也減少，所以鋰渣混凝土硬化初期水泥水化的反應產物較少。同時鋰渣的水化反應非常緩慢，在水泥硬化初期只起微集料填充作用，因此鋰渣混凝土前期抗壓強度較低。

不同水膠比下，鋰渣混凝土28 d和60 d抗壓強度隨著鋰渣摻量的增加，均表現出先增大后減小的特點。當鋰渣摻量小于20%時，混凝土抗壓強度基本上隨著鋰渣摻量的增大而增大；當鋰渣摻量大于20%時，混凝土抗壓強度逐漸下降。因為鋰渣的無定形SiO2會與水泥的水化產物Ca(OH)2發生反應，生成水化硅酸鈣，從而消耗掉水泥顆粒外圍的水化產物，促進水泥的進一步水化；當鋰渣摻量不大時，該反應如此循環往復，會生產大量的水化硅酸鈣凝膠，填充混凝土孔隙并避免Ca(OH)2晶體的定向排列，增強混凝土的密實度，從而提高混凝土的強度。當鋰渣摻量越大，水泥的數量就越少，水泥水化反應產物的數量將不能滿足鋰渣的水化反應需求，從而會存在大量的未水化的鋰渣；過量的鋰渣就只能起到集料填充的作用，且這種作用遠小于鋰渣的化學作用，所以當鋰渣摻量較大時，鋰渣混凝土的抗壓強度會有所降低。因此，當以鋰渣混凝土的抗壓強度為指標時，鋰渣的最佳摻量為20%。

圖1 鋰渣混凝土抗壓強度隨鋰渣摻量的變化規律(a)W/B=0.342;(b) W/B=0.404;(c) W/B=0.466;(d) W/B=0.530Fig.1 Variation of compressive strength of lithium slag concrete with the content of lithium slag

6.2 水膠比對鋰渣混凝土抗壓強度的影響

圖2 鋰渣混凝土抗壓強度隨水膠比的變化規律(a)鋰渣摻量=0;(b)鋰渣摻量=10%;(c)鋰渣摻量=20%;(d)鋰渣摻量=30%Fig.2 Variation Law of compressive strength of lithium slag concrete with water binder ratio

圖2為不同齡期的鋰渣混凝土抗壓強度隨著水膠比變化的規律圖。由圖2可知，隨著水膠比的增大，普通混凝土和鋰渣混凝土的7 d、28 d和60 d抗壓強度基本上均隨之下降。因為水膠比越大，混凝土中水分越多，隨著混凝土的硬化，多余水分的蒸發會使得混凝土內部孔隙增多，影響混凝土的密實度，從而降低混凝土的強度。

同時，圖3和圖4分別表示，不同水膠比情況下，鋰渣混凝土和普通混凝土的28 d和60 d抗壓強度增長率。依據圖3～4可知，除鋰渣摻量為30%的混凝土外，隨著水膠比的增大，每種混凝土的28 d和60 d抗壓強度增長率基本上都表現出先增大后減小的特點；而鋰渣摻量為30%的混凝土，其28 d抗壓強度增長率隨著水膠比的增大而先增大后減小又增大；其60 d抗壓強增長率隨著水膠比的增大而增加。

圖4 鋰渣混凝土的60 d抗壓強度總增長率Fig.4 Total increase rate of 60 d compressive strength of lithium slag concrete

當水膠比為0.466時，普通混凝土28 d和60 d抗壓強度總增長率均最大，增長率分別為42.07%、58.73%；鋰渣摻量為10%的混凝土的28 d和60 d抗壓強度總增長率也最大，增長率分別為63.35%和77.79%。可見，該水膠比能基本滿足這兩種混凝土的水化反應；但同一水膠比情況下，鋰渣摻量為10%的混凝土抗壓強度增長率總體上大于普通混凝土。因為鋰渣內部是多孔結構，吸水性特別強，吸水率大于水泥，所以同一水膠比情況下，鋰渣混凝土的有效水膠比[9]減小，混凝土強度增加。因此，同一水膠比情況下，摻量為10%的鋰渣混凝土抗壓強度增長率大于普通混凝土。

當水膠比為0.404時，鋰渣摻量為20%的混凝土的28 d、60 d抗壓強度增長率為最大，增長率分別為71.65%和82.41%；當水膠比為0.466時，該鋰渣混凝土強度的28 d、60 d抗壓強度增長率也較高，分別為51.29%和76.93%。可見，水膠比為0.466時，鋰渣摻量為20%的混凝土的后期強度增長率較快，縮短了與水膠比為0.404時混凝土強度增長率的差距。所以，這兩種水膠比均能基本滿足鋰渣摻量20%的混凝土水化反應。當水膠比為0.530時，鋰渣摻量為30%的混凝土的28 d、60 d抗壓強度增長率為最大，增長率分別為84.65%和119.54%。說明，該水膠比能基本滿足這種混凝土的水化反應。

總之，水膠比分別為0.466和0.404(0.466)時，鋰渣摻量為10%、20%的混凝土的強度增長率最大；水膠比為0.530時，鋰渣摻量為30%的混凝土的強度增長率最大。

6.3 鋰渣細度對鋰渣混凝土抗壓強度的影響

本研究中，鋰渣細度的范圍為過45 μm篩的篩余量5.5%～11.68%，相應的比表面積為452～1002 m2/kg。依據上述直觀分析和方差分析可知，在本試驗范圍內，鋰渣細度對鋰渣混凝土的抗壓強度的影響非常小。該結論與文獻[10]和文獻[11]的結論基本一致。研究認為，不同鋰渣細度的混凝土，其不同齡期的混凝土抗壓強度增長幅度相差不大；鋰渣細度是影響鋰渣混凝土抗壓強度的因素之一，但其對混凝土總體強度的影響不大。因此，本文不考慮鋰渣細度對鋰渣混凝土抗壓強度的影響規律。

7 總 結

(1)經極差和方差分析得到：水膠比是影響鋰渣混凝土抗壓強度的主要因素，其次是鋰渣摻量，最次是鋰渣細度；隨著齡期的增長，鋰渣摻量的影響逐漸顯著，而鋰渣細度的影響逐漸消失，在本試驗范圍內鋰渣細度幾乎沒有影響;

(2)鋰渣混凝土的前期(7 d)強度大部分都低于普通混凝土或與其相當，其28 d和60 d抗壓強度均大于普通混凝土;

(3)隨著鋰渣摻量的增加，鋰渣混凝土抗壓強度表現出先增大后減小的特點。當鋰渣摻量為20%時，各齡期抗壓強度基本上均最大;

(4)隨著水膠比的增大，鋰渣混凝土的抗壓強度逐漸下降。水膠比分別為0.466和0.404(0.466)時，鋰渣摻量為10%、20%的鋰渣混凝土抗壓強度增長率最大。水膠比為0.530時，鋰渣摻量為30%的鋰渣混凝土的強度增長率最大。

當然，本文在鋰渣細度對鋰渣混凝土抗壓強度的影響規律方面存在一定的局限和不足，還有待更多的試驗進行更深入的研究。

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Effect of Water Binder Ratio,Lithium Slag Content and Fineness on Compressive Strength of Concrete

XUKai-cheng,BILi-ping,CHENMeng-cheng

(School of Civil Engineering and Architecture & Jiangxi Provincial Key Laboratory of Simulation and Control for Construction Course,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

In order to study the influence of different factors on the compressive strength of lithium slag concrete, the orthogonal experiment is designed, and the water binder ratio, the content of lithium slag and the fineness of lithium slag as the research factors are investigated. The influence of various factors on the compressive strength of lithium slag concrete was analyzed by range and variance analysis method. And the influence law of water binder ratio and lithium slag content on compressive strength of lithium slag concrete was analyzed. The results showed that the water binder ratio was the main factor affecting the compressive strength of the lithium slag concrete, followed by the lithium slag content, the second is the fineness of the lithium slag. With the growth of the age, the influence of the content of the lithium slag is gradually increasing, and the influence of the fineness of the lithium slag gradually disappeared. The compressive strength of lithium slag concrete is lower or equals to that of ordinary concrete at the early stage, and the compressive strength of 28 d and 60 d is greater than that of ordinary concrete. With the increase of the content of lithium slag, the compressive strength of the lithium slag concrete increases first and then decreases, and the best content of lithium slag is 20%. When the water cement ratio was 0.466, 0.404 (0.466) and 0.530, the growth rate of the compressive strength of the concrete with the content of 30%, 20% and 10% was the maximum.

water binder ratio;lithium slag content and fineness;lithium slag concrete;compressive strength;influence law

國家自然科學基金項目(51468017,51378206);江西省自然基金項目(20133BCB24008，20143ACB20008)

許開成(1973-)，男，工學博士，教授.主要從事土木工程材料與結構的安全性與耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3373-08