鋰渣混凝土中氯離子吸附的影響因素研究

王 晨

(新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

混凝土結構是目前應用最廣泛的建筑結構[1]。隨著耐久性問題的日益嚴重，混凝土結構的發展受到諸多有害因素的制約，如何解決該問題成為各專家學者的研究重點[2]。鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性的最不利因素，其中以氯離子的影響最為突出[3]。混凝土中的氯離子分兩種[4]：一是混凝土中的自由氯離子，會使鋼筋表面pH值下降、鋼筋脫鈍，逐步引起鋼筋銹脹、混凝土開裂最終導致混凝土結構失效[5]；二是混凝土中被固定的氯離子，物理吸附是以C-S-H凝膠和微孔結構吸附為主[6]，化學結合則以與混凝土中C3A反應生成F鹽為主要結合方式[7]，兩種方式統稱為混凝土吸附作用。

研究表明[8-11]：在混凝土中加入活性礦物摻合料，能改善混凝土氯離子吸附性能，是目前混凝土耐久性研究中較常見的方向之一。鋰渣是一種含堿量極低的活性材料，具有易磨性好、比表面積高等特點。鋰渣作為混凝土礦物摻合料的相關性能已有一定的研究，但是主要集中在混凝土的新拌性能、力學性能以及耐久性能的某些方面，采用電通量法和化學法測定自由氯離子含量等也有諸多研究[12-14]，但以上文獻沒有探討鋰渣對氯離子的吸附性作用，為此，本文采用自然擴散法研究鋰渣混凝土吸附氯離子影響因素。

1 試驗

1.1 原材料

水為烏魯木齊市自來水；水泥為新疆天山水泥廠生產的P.O42.5級產品；鋰渣為新疆昊鑫鋰鹽開發有限公司生產，80 μm方孔篩篩余4.0%，比表面積 417 m2/kg，密度2.48 g/cm3；水泥和鋰渣的主要成分對照見表1；細集料為烏拉泊水庫河砂，細度模數2.60；粗集料為卵石，粒徑5 mm～12.5 mm連續級配；表觀密度2 650 kg/m3；減水劑為聚羧酸高效減水劑。

表1 水泥、鋰渣主要化學成分對照表 %

1.2 試件配合比

混凝土試件配合比按 C20,C30,C40,C60 四個強度等級設計，數字0,10,20,30分別代表試件所用鋰渣質量占膠凝材料質量的比重為0%,10%,20%,30%，混凝土試件配合比見表2。

表2 混凝土試件配合比

1.3 試件制備

將原材料拌和，澆筑、振搗成型φ100 mm高50 mm的圓柱形試件。帶模養護24 h，拆模后放入飽和Ca(OH)2溶液中標準養護28 d，隨后將試件取出置于清水中浸泡48 h。

1.4 試驗方法

將試件分別置于質量分數5%,10%和20%的NaCl溶液中，達到預定侵蝕齡期后取出，放入烘箱中60 ℃烘干48 h。分層鉆芯取樣，測定試件不同深度的氯離子含量。參照JTJ 270—98水運工程混凝土試驗規程中的方法測定試樣粉末中自由氯離子含量和粉末中氯離子總含量，計算被吸附的氯離子含量為：

Ca=Ct-Cf

(1)

其中，Ca為被吸附的氯離子含量，%；Ct為氯離子總量，%；Cf為自由氯離子含量，%。根據Nilsson等[15]定義的混凝土氯離子結合能力R的計算公式為：

(2)

由試驗所測得的氯離子含量，進行線性回歸分析，得到二者之間符合線性關系式為：

Ct=KCf

(3)

其中，K為試驗常數。

將式(1)，式(3)代入式(2)中得到氯離子吸附能力表達式為：

(4)

2 試驗結果及分析

2.1 鋰渣摻量對混凝土的氯離子吸附能力的影響

圖1，圖2為浸泡鹽溶液10%濃度的試件的氯離子吸附能力。結果表明：試件的氯離子吸附能力隨鋰渣摻量的增加呈先增加后降低的趨勢。氯離子吸附能力提高的原因可能是：試件中除了C3A等成分對氯離子起到一定的吸附作用外，鋰渣與水泥水化物Ca(OH)2之間產生火山灰效應，促使更多C-S-H凝膠的生成，試件的孔結構更加細化、膠凝材料孔隙溶液中pH值降低，使混凝土對氯離子的吸附能力提高。當混凝土中的鋰渣摻量過高時，會導致混凝土的初級水化產物數量不足，混凝土中F鹽的生成幾率就會下降，即降低混凝土對氯離子的化學吸附，導致混凝土的氯離子吸附能力下降。

2.2 水灰比對鋰渣混凝土氯離子吸附能力的影響

圖3，圖4為浸泡鹽溶液5%濃度的試件的氯離子吸附能力影響的規律。由圖3，圖4可知：隨著試件的水灰比逐漸增大，氯離子吸附能力呈越來越強的趨勢，對氯離子的吸附量也逐漸增加。產生這種現象的主要原因為：水灰比越大，水泥的水化程度越高，生成的水化產物越多，更有利于F鹽的生成，即化學吸附量提高；水灰比增大混凝土孔結構變疏松，毛細孔增加，更有利于氯離子的進入，使膠凝材料接觸到氯離子的幾率增大，從而使物理吸附增加。

2.3 氯鹽濃度對鋰渣混凝土氯離子吸附能力的影響

表3是不同氯鹽濃度下的鋰渣混凝土氯離子吸附能力，表4是氯離子吸附量。由表3，表4可知氯離子吸附能力及氯離子吸附量均隨著NaCl溶液濃度的增加而逐漸增大。氯鹽濃度越高，氯離子越多，在試件內外部溶液逐漸趨于平衡的過程中，由于吸附作用、濃度梯度等因素的相互影響，外部氯鹽濃度越高膠凝材料吸附氯離子的化學勢越高，表現為氯離子吸附能力增強、氯離子吸附量增加。

表3 不同NaCl濃度下混凝土的氯離子吸附能力R

表4 不同NaCl濃度下混凝土的氯離子吸附量Ca

2.4 擴散深度對鋰渣混凝土氯離子吸附能力的影響

圖5，圖6為浸泡鹽溶液20%濃度擴散深度對氯離子吸附能力及氯離子濃度的影響規律。由圖5，圖6可知：擴散深度增加，氯離子吸附能力不斷增加。本文中的氯離子一直以擴散的方式向試件內傳輸，擴散的過程需要時間，故氯離子濃度由表及里逐漸降低。試件表層接觸的氯離子濃度高，吸附材料接觸氯離子的機會大，發生化學反應及物理吸附的氯離子的量也會增加，但孔隙中的每個氯離子被吸附的幾率就降低了，表現為氯離子吸附能力較差。隨著擴散深度的增加氯離子濃度降低，此時每個氯離子被結合的幾率升高，表現為氯離子吸附能力較好。

3 結語

1)鋰渣混凝土的氯離子吸附能力會隨鋰渣摻量的增加呈現先增加后降低的趨勢。

2)鋰渣混凝土的水灰比越大，其氯離子吸附能力及氯離子吸附量均有提高。

3)鋰渣混凝土的氯離子吸附能力、氯離子吸附量均隨溶液中氯離子的增加而增大。

4)對鋰渣混凝土而言，隨著擴散深度的增加，氯離子吸附能力呈不斷增加的趨勢。