锂渣对混凝土力学性能影响机理研究的进展.pdf

2024年第2 期No.22024中图分类号：TQ172.44文献标志码：A文章编号：1 0 0 8-0 47 3(2 0 2 4)0 2-0 0 1 1-0 5DOI编码：1 0.1 6 0 0 8/ki.1008-0473.2024.02.003新世纪水泥导报CementGuideforNewEpoch专题论述锂渣对混凝土力学性能影响机理研究的进展张伟王喜波刘畅（合肥中亚建材装备有限责任公司，安徽合肥2 3 0 6 0 1）摘要锂渣作为一种富含硅铝质的固体废弃物，具有较高的火山灰活性，可作为混凝土的辅助性胶凝材料。现阶段锂渣作为辅助性胶凝材料的研究还处于起步阶段，主要结论为：锂渣具有火山灰效应；锂渣在混凝土中的掺量不宜高于2 0%可保证混凝土的力学性能不降低；锂渣的火山灰效应和填充效应会增加混凝土无害孔和危害较小的孔，但会减少有害孔和危害较大的孔。未来针对锂渣的研究可以从以下两个方面进行：首先，锂渣中硫酸盐含量高，但缺乏针对锂渣混凝土耐久性能机理的研究；其次，锂渣中CaO含量低，导致活性指数不高，需要开展锂渣与高CaO固废复合使用的研究。关键词锂渣混凝土抗压强度孔隙率耐久性活性指数0引言水泥在建筑和基础设施建设中发挥着至关重要的作用，然而水泥在生产、运输和使用过中会产生大量CO，1-2 ，全球水泥行业每年会向大气中排放2 3 2 5亿tCO2，根国际能源署（IEA）发布的2 0 2 2 年CO,排放报告，显示2 0 2 2 年我国的CO2排放量为1 1 4.7 7 亿t，水泥行业碳排放占比1 1%。为积极响应国家“碳达峰、碳中和”战略目标，降低水泥熟料用量就显得尤为重要了。因此，相关科研人员尝试将具有火山灰活性的固体废弃物用作混凝土的辅助性胶凝材料，以达到减少水泥用量的目的。周春煦4等人研究了矿渣对混凝土力学性能影响，发现矿渣掺量为1 5%时试件的抗压强度和弹性模量达到最大。罗小博 5 等研究发现粉煤灰掺量在1 5%2 0%之间时，可显著提升混凝土的工作性能，粉煤灰掺量为1 5%时试块弹性模量和抗压强度趋向于最大。现阶段高炉矿渣、粉煤灰和硅灰等固体废物已成功应用于水泥生产 6-8 。因此，可以利用具有潜在活性的固体废物作为水泥熟料替代品，这将为建材行业降低碳排放带来利好。锂具有密度低、化学活性强等特点被广泛运用于智能电子设备和新能源汽车等领域9。锂渣是锂辉石或锂云母冶炼锂产品过程中排放的工业废物 1 0 ，研究表明，每生产1 t碳酸锂约产生8 1 0 t锂渣。我国作为全球已探明锂资源的大国，每年排放近1 50 万t的锂渣1 2 。如此大量的锂渣不仅占据了大量的垃圾填埋场，而且还严重污染环境，因此，急需寻找一种有效的方法来处理锂渣。当前已有不少企业在生产水泥时使用锂渣3 。锂渣中含丰富的活性SiO,和Al,O,使其具有火山灰效应，且锂渣易磨性较好，可将其作为混凝土的辅助性胶凝材料。混凝土的抗压强度是衡量混凝土性能主要因素之一。张兰芳 1 41 发现锂渣掺量在1 5%以内时可提高混凝土早期和后期强度，且混凝土强度随锂渣掺量增加而提高。李志军 1 5 将锂渣和钢渣作为辅助性胶凝材料制备出力学性能较好的高性能混凝土。本文综述锂渣对混凝土力学性能影响研究的进展，包括宏观和微观两个角度，并提出建议。1锂渣粉的形貌与化学组成图1 为锂渣的XRD图谱，通过图1 可见锂渣的物相主要为锂辉石（LiAISi,O）、石膏（CaSO42H,O）和石英（Si02）；在衍射区2 2 3 5出现一段宽大的弥散衍射峰，表明锂渣中含有无定形玻璃体。通过表1 和图2 可见，锂渣样品含有丰富的Si0,和Al.0，（6 4.6 2%8 4.2%）以及少量的Ca0（3.3 2%9.7%）。锂渣的XRD图谱和化学成分测试结果表明：锂渣中含有大量无定形Si02、Al,03，使得锂渣具有火山灰效应，且SO,以硫酸112024年第2 期No.22024盐的形式存在于锂渣中 1 6 。相关研究表明钙硅比（C/(S+A)）小于1 则说明具有潜在火山灰反应 1 7 7。1020图1 锂渣的XRD图谱 1 8 Yiren等 0 研究发现锂渣的钙硅比（C/(S+A)）为0.0020.368，说明锂渣具有火山灰效应。图3 为锂渣的SEM图，可见锂渣主要为层状类沸石结构和断层类球状的锂辉石（3 A和3 D）、棒状石膏（3 B）、地区Sio,新疆58.54新疆54.39四川62.00四川63.20江西45.90江西48.26张伟，等：锂渣对混凝土力学性能影响机理研究的进展2锂渣对混凝土抗压强度影响OLiAISi,O.图4总结了锂渣对混凝土2 8 d和9 0 d龄期抗压CasO,2H,0-Sio,304028/()Al,0SO,19.346.2819.838.3020.514.4821.003.4419.305.9716.363.87专题论述圆盘状硅藻土（3 C）和少量饼状碳酸钙（3 E）。强度的影响。从图4(a)18.25-30可见当锂渣掺量小于20%时，混凝土2 8 d抗压强度随锂渣掺量增加而增FlyashBFSCementLithium slag0.4BFSref.5060表1 锂渣的化学成分组成CaoFe,0,7.341.447.981.403.631.013.320.989.701.234.460.660.021.00.2V0.8Flyashref.0.6Lithium slag ref.0.60.41.80.2Cementref.1.0oCaOHCa0.2图2 锂渣、水泥、高炉矿渣和粉煤灰的CaO-SiO,-Al,0,三元图 1 9 MgOK,00.730.280.240.140.510.520.391.101.340.00.40.6Na,0TiO,0.250.260.501.208.160.80.152.206.941.0A1,0,%来源文献 1 5 文献 2 0 文献 2 1 文献 2 2 文献 2 3 文献 2 450图3 锂渣的SEM图 1 8 强，而当锂渣掺量超过2 0%时混凝土的抗压强度呈急剧降低的趋势，但也有部分研究表明锂渣的最大12掺量可以达到3 0%。图4(b)26.31-3可见当锂渣掺量在2 0%以内时，混凝土9 0 d抗压强度增长幅度较小诱导水化产物形成在水泥间隙，有利于离子的溶解2024年第2 期No.22024甚至出现小幅降低，但当锂渣掺量超过2 0%时混凝土的抗压强度呈现出与2 8 d龄期时相同的规律。大327598.8.830255600551020锂渣掺量/%图4锂渣对混凝土2 8 d和9 0 d抗压强度的影响量学者的研究结果表明，锂渣掺量小于2 0%时可增强混凝土早期和后期抗压强度，而锂渣掺量一旦超过2 0%时，混凝土力学性能会急剧降低。锂渣的火山灰效应以及碳酸盐（碳酸钙、碳酸锂和碳酸钠）与水泥中的铝酸盐矿物反应，生成大量C-S-H和C-A-H凝胶，增加了固相体积，降低了混凝土中的孔隙率，提升了混凝土的力学性能；锂渣中石膏使水泥水化早期产生较多钙矾石，提升了混凝土早期力学性能。层状类沸石结构和断层类球状的锂辉石以及多孔的硅藻土会使得混凝土的需水量增高，导致混凝土的力学降低；锂渣中过量的石膏会导致混凝土后期产生较多的钙矾石引起混凝土的体积安定性不良，降低混凝土的力学性能。因此，混凝土中锂渣掺量小于2 0%时可提高混凝土的早期力学性能，过多的钙矾石使得锂渣对混凝土后期力学性能贡献较少；当锂渣掺量大于2 0%时，锂渣较高的吸水率以及反应产生的钙矾石，导致混凝土的力学性能迅速降低。3锂渣对混凝土孔隙率影响相关研究 3 4 表明，混凝土的孔隙结构被认为是影响其力学性能的主要因素之一。因此，探究锂渣对混凝土孔隙结构的影响显得尤为重要。锂渣平龄期 100 nm0.001 80.013 60.003 10.015 80.001 70.010 00.003 20.024 10.0030.0170.0060.0070.0020.0050.0010.0270.040C-SF0.035C-SF-5LS4C-SF-10LSPC-SF-15LS10100100010000.100000孔直径/mm(a)28 d3)图5锂渣对混凝土孔隙率影响+C0.0300C+10L.S0.0254C+20LS0.020C+30LS0.0150.0100.0050.00010(b)90 d35总孔隙率0.02980.031 10.025.50.037 10.0310.0290.0290.03513100孔直径/mm1000100001000002024年第2 期No.22024关研究 3 9 表明，水泥基材料孔隙可分为：无害孔（2 0 n m）、危害较小孔（2 0 50 nm）、有害孔（50 2 0 0 n m）和危害较大孔（2 0 0 nm）。上述结果表明，适量的锂渣会增加无害孔和危害较小孔，但会减少有害孔和危害较大孔。4微观分析SEM被认为是评价混凝土材料微观结构的良好工具 40 。图6 显示了含锂渣混凝土的SEM图，通过图6（a）可见未掺锂渣的混凝土由于水化反应不完全，导致大量层状Ca(OH),以同一方向出现在混凝土中，而Ca(OH),的存在通常表明混凝土内部存(a）未掺锂渣图6 掺锂渣混凝土的SEM图 42 在薄弱环节。当锂渣掺量为1 0%时，混凝土内部出现较多的絮状物，水化产物与骨料之间形成了良好的空间网状骨架结构；且混凝土内部显得更紧密，孔隙变少。He等 41 研究发现掺锂渣的混凝土在2 8 d时水化产物较少形成大量毛细孔隙，这些毛细孔隙和微裂纹相互连接，导致界面过渡区变得疏松；随着水化的进行，在1 8 0 d时锂渣与Ca(OH)反应生成了额外的C-S-H凝胶和膨胀钙矾石，使得浆体与骨料之间的间隙被桥接，界面过渡区变得紧密。5结束语综上所述，锂渣对混凝土力学性能影响机理研究的进展主要表现为以下成果：（1）XRD显示锂渣含有锂辉石、石膏、石英等多种物相，SEM显示沸石和锂辉石等组成。锂渣含有丰富的无定形SiO,和Al,O,及少量的CaO，且钙硅比小于1 具有火山灰效应。（2）锂渣在混凝土中的掺量不宜高于20%，可保证混凝土的力学性能不降低。（3）锂渣的火山灰效应和填充效应会增加混凝土中无害孔和危害较小的孔，但减少有害孔和危害较大的孔。目前，锂渣的研究还处于起步阶段，笔者认为，未来段针对锂渣的研究可以从以下两个方面进行：首先，锂渣中硫酸盐含量高，但缺乏针对锂渣混凝土耐久性能机理研究；其次，锂渣中CaO含量低，导致活性指数不高，需要开展锂渣与高CaO固14张伟，等：锂渣对混凝土力学性能影响机理研究的进展参考文献1王俊杰,杨华伟,湛月平,等.生物质替代燃料在水泥行业的应用进展 .洁净煤技术,2 0 2 3,2 9(1 0)54-6 5.2吴冰,马超,高美金,等.二氧化碳矿化预拌混凝土的碳排放分析及经济性评价 J.洁净煤技术：2 0 2 3(6):1-9.3李超.“双碳”背景下低碳水泥的发展现状 J混凝土世界,2 0 2 3(1 0):8 0-8 5.4周春煦,赵立财,朱俊高.铝土矿渣制备生态混凝土的力学性能及微观特征 J.矿业研究与开发,2 0 2 3,43(2):7 0-7 5.5罗小博,宋或,郭启明,等.粉煤灰掺量对混凝土力学性能影响的试验研究 J.混凝土,2 0 2 1(8):8 8-9 0+9 5.6 Sujin Song,Hamlin M 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