陈四利,周玉婉,刘丽雯,陈治

(沈阳工业大学建筑与土木工程学院,辽宁 沈阳 110870)

水泥复合土是由水泥浆液和土体均匀拌合而成的一种土木工程材料,由于其价格低廉、施工方便且力学性能较好的特点,被广泛用于道路稳定层、路基加固及渠道防渗等工程[1-2].在中国经济高速发展的同时,对水泥土的各项功能要求也更高,国内外学者的研究主要将硅灰、纳米MgO、粉煤灰等作为掺合料掺入水泥土中[3-4],但因价格昂贵,故寻找可再生能源的开发综合利用成为当下研究的热点.

锂渣是用锂辉石提炼生产碳酸锂(锂盐)的过程中经洗涤后大量排出的工业固体废弃物,据统计数据显示,中国每生产1 t锂盐大约排放锂渣废料高达20 t,其有效利用率较低.大量的锂渣露天堆放,不仅占地面积大,而且易随风雨流失,严重污染环境.国外部分学者针对锂渣的活性激发、作为掺和料加入混凝土、砂浆等材料中进行了相关研究[5].TAN等[6]采用物理、化学、物理-化学复合3种活化方法,系统地研究了锂渣的物理力学性能变化,认为锂渣复合水泥的强度和水化程度与锂渣表面积的增加成正比.逄锦伟[7]研究发现在冻融循环作用下锂渣可以有效地延缓混凝土的抗腐蚀性能,且随着锂渣掺量的增加,混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能越强.吴福飞等[8]运用电镜扫描和能谱技术研究了不同养护条件下锂渣粉的活性,表明养护条件为碱激发作用时比热养护显著,标准养护次于热养护,碱激发有效提高锂渣砂浆的孔隙率.于江等[9]将锂渣代替水泥,发现随着锂渣掺量的增加,抗压强度呈现先上升后下降的趋势,又因锂渣具有较高的火山灰活性和填充效应,能有效提高混凝土的后期强度.

上述内容主要集中于锂渣对混凝土强度的影响,对锂渣水泥土性能影响的研究较少.文中通过对不同掺量的锂渣水泥复合土的无侧限抗压强度、三轴压缩等各项力学性能进行研究,并利用扫描电镜对其进行微观结构的分析,旨在揭示锂渣对水泥复合土的力学性能的影响机理,为今后锂渣在水泥土设计和施工方面提供一定的参考价值,并为锂渣的综合利用提供新思路.

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验选用的土料为粉质黏土,取自沈阳市铁西区某施工现场地表下2.8 m的土层,其物理力学指标:天然含水率为27.2%,天然重度为19.7 kN/m3,天然密度为1.96 g/cm3,液限为33.5%,塑限为18.7%,液性指数为0.56,塑性指数为14.8.锂渣由四川省某锂盐厂提供的工业固体废料,经机械研磨和筛分后的锂渣粉呈米白色,锂渣的粒径d分布和Li的累积占比ω如图1所示,其中锂渣粉的比表面积为458 m2/kg,采用原子分光光度计分析Li元素的质量分数,通过XRD测试,锂渣的化学成分如图2所示;胶凝材料选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥,试验用水为自来水.

图1 锂渣粒径分布图

图2 锂渣化学成分

1.2 试验方案

根据《水泥复合土配合比设计规程》(JGJT 233—2011),试件尺寸为D=39.1 mm,H=80 mm.其水灰比为1.7,水泥掺入比为12%,养护龄期为90 d,锂渣以等质量替代土的形式掺入,试验选用0,6%,12%,18%共4种锂渣掺量和0.3,0.6,0.9 MPa共3种围压来研究锂渣水泥复合土无侧限抗压强度、三轴压缩试验等相关力学指标,并利用SEM扫描电镜进行微观结构分析.其中三轴压缩试验采用的是TCK-1型三轴试验测量控制仪,施加围压(σ3)到2.0 MPa,轴向荷载到60 kN,孔隙压力(μ)到2 MPa,压力控制精度小于0.01 MPa,剪切速率为0.8 mm/min;试验X射线衍射(XRD)使用的是布鲁克D8 ADVANCE;电镜扫描试验(SEM)所用仪器为日立Regulus8100.

2 试验结果与讨论

2.1 对水泥复合土无侧限抗压强度的影响

随着锂渣掺量αLi的增加,锂渣水泥复合土的无侧限抗压强度fcu呈现出先上升后下降的变化趋势,如图3所示.图中θf为抗压强度增长率.当锂渣掺量为12%时,锂渣水泥复合土的抗压强度较锂渣掺量0,6%时分别提高了85.1%,42.0%,当锂渣掺量为18%时,相较于锂渣掺量为12%的锂渣水泥复合土降低了28.7%.由此可知锂渣的最佳掺量为12%,其主要原因是锂渣具有火山灰效应与微集料填充效应,锂渣后期与水泥发生水化反应,产生的Ca(OH)2能够防止部分微裂缝产生,进而提高无侧限抗压强度,当锂渣掺量较大时,锂渣水泥复合土中存在较多未与水泥发生反应的锂渣颗粒,同时锂渣与土的黏结力小,致使孔隙变大,会有微裂缝产生,进而导致强度下降.因此锂渣掺量控制在一定范围内可以有效提高锂渣水泥复合土的强度.

图3 锂渣掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响

2.2 对水泥复合土应力-应变曲线的影响

图4为不同围压下应力-应变曲线,图中σ为应力,ε为应变.由图可知锂渣水泥复合土三轴剪切试验的应力-应变呈软化型.

图4 不同围压下应力-应变曲线

曲线分为压密、弹性、屈服、破坏4个阶段.压密区间段应力增长缓慢,应变增长迅速,锂渣水泥复合土中的微孔隙压密;弹性区间段的应力-应变曲线呈线性增加,弹性模量趋于常数,锂渣水泥复合土的弹性特征明显;屈服区间段随着应变的增大,应力增长趋势缓慢,弹性模量也随之减小.破坏区间段锂渣水泥复合土内部裂缝贯通,表面出现明显破坏特征,锂渣水泥复合土则失去承载能力.

由图4a可知围压为0.3 MPa时,与峰值对应的轴向应变分别为3.89%,3.93%,3.36%,4.03%,试件遭到破坏时极限应力差值与锂渣的掺量成正比,而应变与之成反比,脆性越明显,当锂渣掺量为6%～12%时极限应力差值增长幅度明显大于锂渣掺量为12%～18%的幅度;由图4b可知围压为0.6 MPa时,其峰值分别对应的轴向应变为4.95%,4.18%,4.48%,4.64%;由图4c可知围压为0.9 MPa时,与峰值对应的轴向应变分别为5.25%,4.48%,5.12%,5.17%,其曲线变化与围压0.3 MPa时相似,试件遭到破坏时极限应力差值与锂渣掺量成正比,脆性越明显.对于同一锂渣掺量的水泥复合土其应力-应变关系曲线趋于重合,只有在接近损伤强度时,试件在不同围压下才显现出差异.

当锂渣掺量为12%时不同围压下的应力-应变关系曲线如图5所示.对锂渣水泥复合土试件分别施加0.3,0.6,0.9 MPa的围压,其应力-应变曲线出现明显的峰值,与峰值对应的轴向应变分别为3.36%,4.48%,5.12%,试件遭破坏时极限应力差值与围压大小成正比,且随着围压的增加延性越明显.

图5 锂渣掺量12%时应力-应变曲线

2.3 对水泥复合土抗剪强度的影响

如图6所示,不同围压下锂渣掺量对锂渣水泥复合土剪切强度τ的影响变化曲线,当围压为0.3 MPa、锂渣掺量为12%时,其抗剪强度分别是锂渣掺量为0,6%,18%的1.73倍、1.37倍和1.25倍;当围压为0.6 MPa、锂渣掺量为12%时,其抗剪强度分别是锂渣掺量为0,6%,18%的1.61倍、1.35倍、1.25倍;当围压为0.9 MPa、锂渣掺量为12%时,其抗剪强度分别是锂渣掺量为0,6%,18%的1.61倍、1.30倍、1.21倍.其主要原因是锂渣中的SiO2与水泥中的Ca(OH)2发生循环往复的水化反应,随着锂渣的掺入消耗掉到更多的Ca(OH)2,避免晶体的定向排列,从而提高锂渣水泥复合土的强度,锂渣掺量控制在一定的范围内,可有效地提高锂渣水泥复合土的抗剪强度.

图6 锂渣掺量对水泥复合土抗剪强度影响

2.4 对水泥复合土黏聚力和内摩擦角的影响

当水泥掺量为12%时,对锂渣掺量为0,6%,12%,18%的水泥复合土分别在0.3,0.6,0.9 MPa围压下进行三轴压缩试验,结果如图7所示.

图7 不同锂渣掺量下抗剪强度包线

图7a为锂渣掺量为0的包络线图,其方程式为τ=σtan 36.63°+1.157,黏聚力为1.157 MPa,内摩擦角为36.63°.图7b为锂渣掺量6%的包络线图,其方程式为τ=σtan 38.51°+1.421,黏聚力1.421 MPa,内摩擦角38.51°.图7c为锂渣掺量为12%的包络线图,其方程式为τ=σtan 39.46°+1.948,黏聚力1.948 MPa,内摩擦角39.46°.图7d为锂渣掺量18%包络线图,其方程式为τ=σtan 38.04°+1.602,黏聚力1.602 MPa,内摩擦角38.04°.当锂渣掺量为12%时的抗剪强度大于其他掺量下的抗剪强度.

为了进一步研究锂渣掺量对抗剪强度的影响,分析锂渣掺量对其黏聚力c和内摩擦角φ的影响,结果如图8所示.由图8可知,随着锂渣掺量的增加,黏聚力、内摩擦角呈现出先上升后下降的变化趋势.

图8 锂渣掺量对黏聚力和内摩擦角的影响

锂渣掺量为0,6%,18%的水泥复合土的黏聚力相较于锂渣掺量为12%的水泥复合土,分别降低了39.8%,28.1%,17.9%;内摩擦角的变化趋势与黏聚力相似,当锂渣掺量为12%时其内摩擦角最大,相较于锂渣掺量为0,6%,18%时分别提高了6.6%,2.3%,3.1%.故锂渣掺量在一定范围内,随着锂渣掺量的增加,可提高锂渣水泥复合土的黏聚力、内摩擦角,且对黏聚力的影响远远大于对内摩擦角的影响,对内摩擦角的影响越来越小.

2.5 锂渣水泥复合土物相分析

将锂渣水泥复合土研磨成粉,采用Cu靶、沿衍射角2θ轴模式进行试验,其中探头保持不动,X射线持续发射,每转动一个θ角度,探头则收集到经历2θ角度的射线.XRD可检测出锂渣水泥复合土中的结晶组成成分及占比,同时也可确定内部结晶程度,进一步研究锂渣对锂渣水泥复合土抗压强度、抗剪强度的影响.

图9为不同锂渣掺量下的水泥复合土XRD图谱,图10为锂渣最佳掺量12%下的水泥复合土XRD图谱.

图9 锂渣水泥复合土XRD图谱

如图9所示,数字1—5分别代表CaCO3、石英、C-S-H、钾长石、方解石,不同锂渣掺量的样品在25°～30°衍射角2θ间均出现较为明显的衍射峰,代表的矿物相为石英,其成分为SiO2;图谱中CaCO3质量分数无明显变化;C-S-H为水化硅酸钙Ca5Si6O16(OH)·4H2O,因化学成分不稳定,故不易定量分析;当锂渣掺量为0时,钾长石、方解石相对含量较高.对比图9,10,锂渣掺量为12%时,水泥复合土中SiO2的含量相对较低,但C-S-H凝胶含量较高,主要是因为锂渣中SiO2的含量为72.04%,水泥复合土随着锂渣掺量的增加,锂渣中的SiO2与水泥水化产物反应生成大量的C-S-H凝胶,进而增强水泥复合土的抗压强度、抗剪强度.

2.6 锂渣对水泥复合土作用机制分析

2.6.1 矿物成分分析

水泥熟料矿物中硅酸三钙与水发生水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和氢氧化钙,硅酸二钙的水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶).

C-S-H凝胶的状态一般分为4种,Ⅰ型为纤维状凝胶粒子,它出现于水化反应的早期,一般为针状、柱状、纤维状等,且长度一般小于2 μm;Ⅱ型为三度空间的网状凝胶,通过Ⅰ型截面的纤维凝胶粒子首尾相连;Ⅲ型粒子为等大或扁平的不规则等大粒子状凝胶粒子;Ⅳ型为球状紧密结合粒子,一般为皱皮状.将水泥掺量为12%、锂渣掺量为0,6%,12%以及18%的锂渣水泥复合土试件在同一环境养护90 d后,取相同部位进行切割,将得到的切片在SEM下放大1 000倍与5 000倍,此时Ⅲ型的水化产物在此次检测中占主导地位.

2.6.2 微观机理分析

图11为不同锂渣掺量及不同倍数试件内部微观结构.

图11 不同锂渣掺量及不同倍数试件内部微观机理

当水泥掺量为12%、锂渣掺量为0,6%,12%及18%的锂渣水泥复合土切片在养护90 d后,锂渣水泥复合土内部主要表现为Ⅲ型粒状凝胶结构,当锂渣掺量为0%时,试件内部结构疏松,团粒结构比较松散,水泥复合土切片表面有起层的趋势,团粒结构呈现层状排列,同时微裂缝延伸发展,并且微裂缝之间相连,形成了微裂缝网格,可劣化水泥复合土的强度;当锂渣掺量为6%时,1 000倍电镜下的锂渣水泥复合土比锂渣掺量为0的试件整体性好,表面没有起层的趋势,5 000倍电镜扫描下锂渣水泥复合土依然存在微裂缝,但是微裂缝宽度与密度有所降低,试件表面也更加密实紧凑;当锂渣掺量为12%时,1 000倍电镜扫描下试件表面几乎看不到明显的裂缝,5 000倍电镜扫描下试件表面结构紧凑,锂渣结构中的SiO2与水泥协同作用反应充分,锂渣水泥复合土内部产生团粒体量明显变大,此结构具有凝胶性,使内部孔隙填充密实,锂渣其与水泥反应形成的胶结物使结构的胶结程度增加,当锂渣掺量为18%时,部分锂渣水泥反应后形成了团粒凝胶,另一部分未完全反应的则充当了填充料.

3 结 论

1) 锂渣最佳掺量为12%,相较于锂渣掺量0其无侧限抗压强度提高了85.1%;当锂渣掺量较大,锂渣水泥复合土中存在较多未与水泥发生反应的锂渣颗粒,同时锂渣与土的黏结力小,致使孔隙变大,会有微裂缝产生,进而导致强度下降.

2) 锂渣水泥复合土应力-应变呈软化型,锂渣掺量在一定范围内,锂渣水泥土试件在不同围压下,随着锂渣掺量的增加,其脆性越明显,抗剪强度均提高,随着围压的增加延性越明显.

3) 锂渣掺量在一定范围内,锂渣水泥土复合土试件的黏聚力和内摩擦角均与锂渣掺量为正比例关系,锂渣掺量对内摩擦角的影响远小于对黏聚力的影响,且对内摩擦角的影响越来越小.

4) 由XRD图谱分析可知锂渣中含有大量的SiO2,与水泥水化产物反应生成大量的C-S-H凝胶,增强锂渣水泥土的密实度,进而提高锂渣水泥复合土的强度.