锂渣在LC50轻集料混凝土中的应用研究.pdf

2 0 1 2年第 l 0期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUC 2 01 2 No 1 0 0c t o be r 锂渣在 L C5 0轻集料混凝土中的应用研究 徐芬莲 ， 李预奇 ， 叶海艳 ( 中建商品混凝土成都有限公司， 6 1 0 0 5 2 ) 摘 要 ： 研 究 了锂 渣对水泥净浆及胶砂性能的影响 ， 依据该基础试 验结果 ， 分析 了锂渣 对 L C5 0轻 集料 混凝土 拌合物及混凝土硬化后 力学性能 的影响。试验结果表 明， 锂 渣可以显著 改善混凝 土的保水性 ， 是一种 良好的保水增 稠材料 ， 锂 渣一粉 煤灰 双掺 ( 3 0 ) 时 ， 锂 渣的掺 量为 1 5 较 为适 宜， 混凝土的坍 落度 扩展 度为 2 7 0 m m 6 9 0 n u n ， 2 8 d 抗压强度为 5 9 5 MP a ， 满足 L C 5 0轻集料混凝土的设计要求。 关键词 ： 锂渣 ； 轻集料； 保水性 ； 力学性能 Ab s t r a c t ：T h e i mp a c t s o f l i t h i u m s l a g o n t h e p e r f o r ma n c e s o f c e me n t p a s t e a n d mo r t a r a r e s t u d i e d ， a n d b a s e d o n t h e t e s t r e s u l t s ，t h e e f f e c t s o f l i t h i u m s l a g o n L C 5 0 l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e mi x t u r e a n d t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h a r d e n e d e o n e r e t e a r e a n a l y z e d I e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e l i t h i u m s l a g c a n s i g n i f i c a n t l y i mp r o v e t h e w a t e r - h o l d i n g c a p a c i t y o f c o n c r e t e wh i c h i s a g o o d wa t e r t h i c k e n i n g ma t e r i a 1 W h e n t h e c o n t e n t o f l i t h i u m s l a g fl y a s h i s 3 0 t h e a p p r o p r i a t e c o n t e n t o f l i t h i u m s l a g i s 1 5 ，u n d e r t h i s c o n d i t i o n t h e s l u mp e x p a n s i o n o f c o n c r e t e i s 2 7 0 mm 6 9 0 mm，2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i s 5 9 5 MP a ， w h i c h c a n me e t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s o f L C 5 0 l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e Ke y wo r d s ：L i t h i u m s l a g ； L i g h t we i g h t a g g r e g a t e ； W a t e r - h o l d i n g c a p a c i t y ； Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 1 0 2 0 - 0 4 0前 言 轻集料混凝土具有表观密度小 、 弹性模量 比同 等级普通混凝土低 、抗冻性和抗渗性 良好 等优点 ， 然 而 ， 由于 轻 集 料具 有 与 普 通 砂 石集 料 不 同 的 物 理 、 力学性能特点 ， 使轻集料混凝土相关制备和性 能 与普 通混 凝 土相 比有很 大差 异 ， 由此产 生 在 混凝 土设计 、 使用技术等方面的许多难题 ， 存 在不易控 制坍落度 、 轻集料容易上 浮 、 在泵压下的可压缩性 差 、 泵送难度大等问题 ， 严重制约着轻集 料混凝土 的大范 围推广应用l l 】 。为了保证轻集料混凝土的工 作性能满足施工要求 ， 通常的做法是在轻集料混凝 土 中添加纤维素醚 、 沸石粉等具有增稠保水作用的 材料 ， 但纤维素醚的掺量极低 ， 仅为胶凝 材料 总量 的 0 0 4 0 0 8 ， 只能人工添加 ， 给生产计量 、 自动 化生产带来极 大的不便 ；沸石粉的使用也 比较敏 感 ， 用量也较低 ， 一般为 l 0 2 0 k g m 3 ， 也不便于生产 计量 。因此 ， 需要寻求一种更好的、 便于实际生产应 用的增稠保水材料 ， 对于轻集料混凝土的推广应用 具有重要的促进意义。 碳 酸锂渣 ( 简称锂渣 ) 是锂辉石经过 1 2 0 0 C 高 温煅烧后用 硫酸法生产碳酸锂 ( 锂盐 ) 过程产生 的 副产品， 即生产碳酸锂过程中， 碳酸锂熟料经浸出 、 过滤 、 洗 涤后 排 出的残渣 。锂渣 为外 观土 黄色 ， 无水 硬性 ， 颗粒较小 ， 具有较大内表面积的多孔结构 ， 多 半呈玻璃状。由于锂渣中含有较多的无定形二氧化 硅 、 三氧化铝等 ， 因而具有较高的火 山灰活性2 1 。研 究表 明， 锂渣具有 良好的增稠保水效 果 ， 且在普通 混 凝土 中 的掺 量可 以达 到 l 5 以上【 。 本文以 L C 5 0轻集料混凝土为研究对象 ，在研 究 锂 渣 对 水 泥 净 浆及 胶 砂 性 能 影 响试 验 结 果 的基 础上 ，以锂渣作为泵送轻集料混凝土 的专用掺合 材 ， 改善泵送轻集料混凝土 的各项性 能 ， 研究锂渣 对 L C 5 0轻 集料 混凝 土 性 能 的影 响 ，以期 为 锂渣 在 轻集料混凝土 中的应用提供参考。 1 试 验原 材料 1 1 水泥 采用 四川某水泥公司生产的 P O 4 2 5级水泥 ， 其物理力学性能如表 1 所示。 表 1 水泥 的主要物理力学性能指标 一 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐芬莲 ， 李预奇 ， 叶海艳 锂渣在 L C 5 0轻集料混凝土中的应用研究 1 2锂 渣 表 观 密度 为 2 3 6 g e ra ，比表 面 积为 4 1 0 mZ k g ， 其化 学成 分见 表 2 。 表 2锂渣化学成 分 1 - 3 粉 煤灰 I级粉煤灰 ， 烧失量 1 8 ， 细度 8 4 ， 需水 比 9 3 ， 表 观密 度 2 3 0 g e ra 。 1 4 减 水剂 选用高性能聚羧酸减水剂 ， 固体含量 1 0 3 ， 密 度 1 0 3 g e m 。 1 5集料 细集料 ：选用湖北某厂家 7 0 0级轻砂 ， 1 h吸水 率 l 3 - 3 ， 表观密度 1 6 2 0 k g m 。 。 粗集料 ： 选用湖北某厂家 9 0 0级碎石型页岩陶 粒 ， 5 - 2 0 mm连续级配 ， 1 h吸水率 3 2 ，表观密度 1 5 4 0 k g m ， 筒压 强度 9 2 MP a 。 1 6水 采用符合 国家标准要求的 自来水。 2 锂 渣对 水泥 净浆 与胶砂 性 能的影 响 2 1 锂渣对水泥净浆性能的影响 水泥净浆流动度按照 G B T 8 0 7 7 混凝土外加 剂匀质性试验方法 进行 ， 结果见表 3 。 表 3结 果 表 明 ， 随 着 锂渣 用 量 的增 加 ， 减 水 剂 表 3 水 泥净浆流 动度试验 的用量提高 ， 各试样净浆 ( L 2 L 5 ) 流动度小于基准 净浆 ( L 1 ) 流动度 ， 所有试样 1 h后净浆流动度均有 变大的趋势 ，这是由于减水剂的缓释效果引起的。 然而加入锂渣 的净浆缓释效果不及基准净浆 ， 说 明 锂渣的掺人会增加减水剂和水的用量 ， 并降低浆体 的流动性 ， 这是 由于锂渣的多孔结构使其对减水剂 和水具 有 较 大 的吸 附性 。上 述试 验 结果 表 明 ， 当锂 渣掺量达到 2 0 以上时， 净浆流动度 明显下降。 2 2 锂渣 对胶 砂性 能的影 响 水 泥胶砂 流 动性 试验 按 照 G B 5 0 1 l 9 2 0 0 3 混 凝土外加剂应用技术规范 附录 A进行 ， 水泥胶砂 强度试验按照 G B T 1 7 6 7 1 水泥胶砂强度检验方法 ( I S O法) 进行 ， 结果见表 4 。 表 4结果 表 明 ，当锂 渣掺 量在 1 0 2 0 时 ， 胶 砂试 样 ( J 1 ， J 2 ) 2 8 d抗压 强度 高于基 准 胶砂 ( J 0 ) 的抗 压强度 ， 2 8 d活性达到 1 0 6 1 1 2 。随着锂渣掺量 的增加 ， 胶砂试样 ( J 1 - J 4 ) 强度呈线性下降趋势 ， 且 流动性逐渐 降低 ； 当锂渣掺量达 4 0 H ， 由于锂渣 多孔结构对水较大的吸附性 ， 使得胶砂流动性完全 丧 失 。 表 4 水 泥 胶 砂 强 度 试 验 由表 4分析可知 ，锂渣具有很高的火 山灰活 性 ， 能显著提高胶砂的抗 压强度 ， 锂渣掺量 1 0 左 右时 ， 能提高胶砂的早期 及后期强度 ； 掺量约 2 0 时 ， 胶砂的 7 d强度有一定程度的降低 ， 但 2 8 d强度 增强作用较为明显 ； 掺量 3 0 4 0 时 ， 7 d强度都有 较大幅度地降低 ， 但 2 8 d强度 与基准胶砂 的强度差 距 减 小 ， 由此 可见 ， 锂 渣 对 混 凝 土后 期 强 度发 展 贡 献更 大 。 这是 因为锂渣 中含 有较 多无 定形 的 S i O ， 能 和水泥水化 的 C a( O H ) ： 发生二次反应生成 C S H 凝 胶 ，而 锂渣 中无 定 形 的 A l O 。 和 C a S O 的 含量 相 一 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 0期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 8期 对较高 ， 有利于混凝土的早期强度。当锂渣掺量较 大时， 早期产生的水化产物因硅酸钙凝胶的生成量 不能弥补 由于锂渣等量取代水泥减少 的硅酸钙凝 胶的量 ， 从而引起早期强度 的降低 ， 但 随着龄期 的 延长 ， 锂渣与水泥水化产生的氢氧化钙反应生成的 C S H量增多 ， 掺锂渣 胶砂 中 C S H凝胶 的总量与未 掺锂渣 的总量差 距缩小 ， 加上掺锂渣胶 砂 中 C a ( O H) 结晶细化对界面粘结存在有利的影响_3 1 ， 因而 ， 掺锂 渣胶砂后期强度会赶上并超过基准试样 的强度。 3锂渣 对 L C 5 0轻集 料混 凝土性 能 的影响 3 1 配合 比设 计 在设计 L C 5 0轻集料混凝土配合比时 ，依据水 泥净浆及胶砂试验结果 ， 为控制好混凝土 的经时损 失 ， 将锂渣在轻集料混凝 土中的掺量 ( 锂 渣用量 占 总胶凝材料的 比例 ) 控制在 2 0 以内， 优 质粉煤灰 可以改善混凝土的和易性 ，降低混凝土的用水量 ， 为提高混凝土的综合性能 ， 采用锂渣与粉煤灰复掺 方式 ， 两者总掺量为 3 0 。参考 J G J 5 l 一2 O O 2 轻骨 料混凝土技术规程 ， 采用绝对体积法进行设计 ， 设 计密度为 1 7 8 0 k g m ，减水剂掺量为减水剂用量与 总胶凝材料用量的 比例 ， 具体设计配合比见表 5 。 3 2 锂渣对混凝土拌合物性能的影响 表 6为 A 0 1 一 A o 4编号 L C 5 0轻集料混凝 土拌 合物性能检测结果。 3 2 1 锂渣掺量对减水剂用量的影响 由表 5 、 表 6可知 ， 基准混凝土 ( A 0 1 ) 减水剂的 掺量 为 1 6 ，混凝土 的坍落度 扩 展度可 以达到 2 5 0 mm 6 8 0 m m， 掺人锂 渣后 ， 要使混凝 土的流动性 与基准混凝土相当， 减水剂的掺量随着锂渣掺量 的 提高而逐步提高 ， 由基准的 1 6 ( A 0 1 ) 提高到 1 9 - 2 5 ( A 0 2 A 0 4 ) ， 这是 由于锂渣属于多孑 L 材料 ， 对 减水剂和水具有较大的吸附性 ， 为提高混凝土的流 动性 ， 在保持用水量不变的情况下 ， 需提高减水剂 的用量 。 表 5 L C 5 0轻集料混凝 土设计配合 比 出机混凝土粘聚性一般 ， 保水性一般 ， 流动性 A 01 2 5 o 6 8 0 1 8 5 5 0 0 3 3 0 1 7 5 0 好 ， 轻集料上 浮较多 ； 1 5 h后混凝土损失较大。 3 2 2 锂渣掺量对混凝土保水性的影响 压力泌水率是检验混凝土拌合物在一定压力 状态下的保水性 ， 是评价混凝土可泵性 的一项关键 指标 。 由表 6的试验 结果 可 知 ， 基 准混 凝 土 的压 力 泌水率为 3 3 0 ，锂渣的掺入可以改善混凝土的保 水性 ， 随着锂渣掺量的提高 ， 这种趋势逐渐 明显 ， 由 基准 ( A 0 1 )的 3 3 0 降低到了到 2 5 8 0 ( A 0 2 A 0 4 ) ， 试验结果表明 ， 锂渣是一种 良好 的增稠保水 材 料 。 3 2 3 锂渣掺量对混凝土工作度保持能力的影响 一 2 2一 混凝土从搅拌站到施工现场都要 经过一定 的 运输时间 ， 因此 ， 混凝 土工作度保持能力是实现预 拌混凝土运输 、 泵送 的关键性能。由表 6的试验结 果可知 ，混凝 土 出机坍 落度 扩展 均达到 2 5 0 mm 6 5 0 m m 以上 ， 流 动性 良好 ， 但 1 5 h后 混凝 土流 动 性 明显下 降， 均未超过 2 0 0 m m 5 0 0 mm， 这是 由于锂渣 的 多孔 特性 导致 混 凝 土 的流动 度 损失 较 大 ， 可 以通 过调整减水剂 的掺量来保证混凝土的工作性能满 足施工 要求 。 3 3 锂渣 对混 凝土 力学性 能 的影 响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 徐芬莲 ， 李预奇 ， 叶海艳 锂渣在 L C 5 0轻集料混凝土中的应用研究 表 7为 A 0 1 A 0 4编号 L C 5 0轻集料混凝 土抗 压 强度 试验 结果 。 表 7 A 0 1 A 0 4试验 配合 比抗压强度试验结果 混凝土强度主要取决于粗集料 与水泥石 、 细集 料与水泥石及水泥颗粒之间的粘结 ， 而对三个层次 界面 的粘 结起 决定 作 用 的是 C S H ( 水化 硅 酸 钙 ) 凝胶 ， 即 C S H凝胶 的数量及分布决定了混凝土强 度。锂渣与粉煤灰都是火 山灰质掺合料 ， 两者化学 成分 比较相近 ， 二氧化硅含量 占 5 0 以上 ( 锂渣 的 二 氧化 硅 含量 为 6 0 以上 ， 粉 煤灰 的二 氧化 硅含 量 一 般 为 5 0 左右) ， 该成分具有较高的活性 ， 很容易 与水 泥水 化 释放 出 的氢 氧化 钙 反应 生 成 C S H 凝 胶 ， 由于氢氧化钙被消耗 ， 又促进 了水泥的水化 ， 同 时又使氢氧化钙晶粒得以细化 ， 这 些都有利于三个 层次界面的粘结 。 锂渣一粉煤灰复合掺合料 中，当锂渣掺量 为 1 0 1 5 时 ， 混 凝 土 强 度 呈增 长 趋 势 ， 这是 由 于锂 渣的活性二氧化硅含量 比粉煤灰高 ， 锂渣等量取代 粉煤灰后 ， 掺合料中活性二氧化硅不断与氢氧化钙 反应生成大量的 C S H凝胶 ， 同时由于系统中氢氧 化钙的消耗 ， 又促进 了水泥颗粒的水化 ， 因此 ， 这时 掺锂渣一粉煤灰复合掺合料的混凝土水化产物 中， C S H凝胶增加 的速度要 比单掺粉煤灰 的混凝土 快 ， 造成掺锂渣一粉煤灰复合掺合料 的混凝 土强度 增长较快。锂渣一粉煤灰复合掺合料中 ， 当锂渣掺 量为 2 0 ， 其火 山灰活性呈下降的趋 势 ， 锂渣的火 山灰活性主要 由两部分构成 ： 一是化学活性 ， 主要 是 由化学成分及化学成分 的活性决定的 ； 二是物理 活性 ， 主要是 由颗粒效应决定 的， 锂渣颗粒细度与 粉煤灰相近 ， 试验证明锂渣颗粒较粉煤灰颗粒强度 要弱得多 ， 这对水泥石的强度非常不利 。当锂渣掺 量 在 1 5 以 内时 ， 主要 以化 学 活 性 为 主 ； 当锂 渣 掺 量为 2 O 时 ， 逐渐呈现出以物理活性为主 ， 因此 ， 锂 渣无论是双掺还是单掺都存在一个较佳掺量。 单掺粉煤灰 的混凝土早期强度增长较慢 ， 7 d到 2 8 d混凝 土 的强 度涨 幅 ( 1 2 。 6 MP a ) 较 大 ， 这 是 由于 粉 煤灰早期水化不够充分 ， 粉煤灰 的火 山灰效应 ( 水 泥石的强度 ) 主要体现在后期 。锂渣一粉煤灰复合 掺合 料 中 ， 7 d到 2 8 d混 凝 土 的强 度 涨 幅( 4 1 5 5 MP a ) 较小 ， 这是 由于混凝 土体 系中粗 细集料均 为轻骨料 ， 骨料本身强度较低 ， 粗集料与水泥石 、 细 集料与水泥石之间的粘结为薄弱界面 ， 影响了混凝 土 的整体 强度 。 试验结果表明， A 0 1 一 A 0 4混凝土强度满足设计 要求 ， 当锂渣掺量为 1 5 、 粉煤灰掺量为 1 5 时 ， 混 凝土 2 8 d抗压强度较高， 为 5 9 5 MP a 。 同时综合考虑 混凝土的工作性能 ， 为更好地控制混凝土的保水性 及工作度保持能力 ， 锂渣一粉煤灰双掺时 ， 锂渣 掺 量 以 1 5 较 为适 宜 。 4结论 ( 1 ) 锂渣的多孔结构使其对减水剂和水具有较 大的吸附性 。在水泥净浆 中， 锂渣的掺入会增加减 水剂和水 的用量 ， 并降低水泥浆体 的流动性 ， 当锂 渣掺量达到 2 O 以上时， 净浆流动度明显下降。 ( 2 ) 在水泥胶砂 中， 当锂渣掺量在 1 0 2 0 时 ， 水泥胶砂抗压强度 高于基 准砂浆 的抗压 强度 ， 2 8 d 活性达到基准砂浆的 1 0 6 l 1 2 ， 但随着锂渣掺量 的增加 ， 胶砂强度呈线性下降 ， 并且胶砂 的流动性 逐渐降低 ， 当锂渣掺量达到 4 0 时 ， 胶砂完全失去 流 动性 。 ( 3 ) 依据锂渣对水泥净浆及胶砂性能影响的试 验结果 ， 以优质粉煤灰与锂渣复合 ， 控制锂渣一 粉煤 灰双掺 ( 3 0 ) 时 ， 得 出锂渣掺量为 1 5 左右较为适 宜。在适 当增加减水剂用量的前提下 ， 有效保证 混 凝土的坍落度 扩展度为 2 7 0 mm 6 9 0 m m， 2 8 d抗压强 度为 5 9 5 MP a ，满足 L C 5 0轻集料混凝土 的设计 要 求 。 参考文献 ： 1 霍俊芳 轻骨料混凝土 的研 究现状与发展 J 建 筑技术， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 3 6 3 - 3 6 5 2 】 石宁 碱一 矿渣一 锂渣 胶凝 材料研究 D 重庆： 重 庆大学， 2 0 0 5 ： 1 5 1 7 3 张兰芳 锂渣混 凝土的试验研 究【 J J 混凝 土， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 4 - 4 6 4 夏春， 刘 浩吾 混凝 土锂渣 复合掺合 料活性 试验 研究 J J 水利水 电技术， 2 0 0 2( 4 ) ： 4 0 - 4 2 【 5 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， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 8 7 7 8 8 0 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 8 2 5 作者简介 ： 徐芬莲 ( 1 9 8 2 一 ) ， 女 ， 主任助理 。 通讯地址 ： 成都市成华 区龙潭寺建设 村 5组 联 系 电话 ： 1 3 5 41 3 5 6 5 9 2 E ma i l ： f e n li a n 2 31 6 3 c o m 一 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m