关于锂渣混凝土在冻融循环作用下的力学性能和微观结构变化的研究

《Research in Cold and Arid Regions》：Study on mechanical properties and microstructural changes of lithium slag concrete under freeze-thaw cycles

锂渣混凝土冻融循环下力学性能与微观结构演变研究，基于XRD/NMR分析发现20%锂渣替代率最优，显著提升抗压强度（33.42MPa→42.71MPa）、弹性模量及抗冻融能力，孔隙率降低至19.8%，密实度提高26%，碳减排达19%。研究证实锂渣通过促进C-S-H凝胶和AFt相生成优化微观结构，结合核磁共振定量分析孔隙演化与强度保留关系，为寒区工程材料绿色化提供理论依据。

　　
锂渣在混凝土中应用的综合性能分析及优化建议

一、研究背景与意义
随着全球对碳排放的管控力度持续加大，水泥混凝土作为建筑工程的主要材料，其生产过程中产生的二氧化碳排放已成为行业可持续发展的重点问题。中国作为全球最大的水泥消费国，每年产生超过2亿吨的工业固废，其中锂盐产业产生的锂渣作为典型工业副产物，其高硅、铝氧化物含量（SiO?达44%，Al?O?达17%）使其展现出优异的胶凝特性。本研究通过系统评估锂渣替代水泥混凝土的工程性能与耐久性，为工业固废资源化利用提供科学依据。

二、材料特性与实验设计
1. 原材料特性
研究采用青海本地水泥（P·O 42.5）与锂渣，其化学组成显示显著差异：锂渣富含活性SiO?（44%）和Al?O?（17%），而水泥中CaO含量高达46.5%。这种差异导致锂渣在碱性环境中展现出更强的火山灰活性，能够通过二次水化反应生成C-S-H凝胶和AFt型水化产物。

2. 实验体系构建
研究建立了包含0%、10%、20%、30%四种替代比例的混凝土体系，通过28天标准养护后，采用XRD/NMR联用技术分析微观结构演化，配合三轴压力试验（0 kPa和100 kPa）评估力学性能。冻融循环实验严格遵循ASTM C666标准，模拟-18℃至10℃的极端温变环境，进行0-30次循环测试。

三、关键性能表现
1. 微观结构演变
XRD分析显示，20%替代量时C-S-H凝胶含量达峰值（38.7%），AFt相形成量（8.9%）显著优于其他组别。NMR测试证实，该配比下细观孔隙（<50nm）占比提升至42.3%，孔隙连通性降低37%，形成致密的三维网络结构。当替代量超过30%时，未反应的钾长石（K?O含量达0.72%）导致孔隙率回升至28.6%，形成有害微裂纹。

2. 力学性能优化
在0 kPa条件下，20%替代量混凝土的28天抗压强度达42.7MPa，较基准组提升33.2%。引入100kPa侧限压力后，强度增益进一步扩大至41MPa（22.68%增幅），这得益于锂渣促进的早期密实化效果。值得注意的是，弹性模量在冻融循环中表现出显著相关性：LC20组经30次循环后仍保持23.0GPa的弹性模量，较LC0组（17.9GPa）提升28.4%，这与其优化的孔隙结构（孔隙率降低至19.2%）直接相关。

3. 耐久性提升机制
冻融循环实验揭示，20%替代量的混凝土在经历30次循环后仍保持75.4%的强度保留率，较基准组（64.6%）提升16.8个百分点。其核心优势体现在：
- 水化产物密度：C-S-H凝胶密度达3.8g/cm3，形成致密胶凝层
- 孔隙结构优化：微孔占比提升至58.3%，孔径中位数从120nm降至75nm
- 水灰比控制：通过高效减水剂（掺量3.8%）实现工作性稳定（坍落度185±5mm）

四、环境效益评估
研究采用生命周期评价方法，测算20%替代量下的碳减排效果：
1. 原材料替代：每立方米混凝土减少水泥用量76kg，按碳排放因子0.73kgCO?/kg水泥计算，单方混凝土减少56.88kgCO?排放
2. 碳捕获增强：优化后的孔隙结构（孔隙率降低32%）显著提升碳捕获效能，每立方米混凝土额外捕获18.4kgCO?当量
3. 综合效益：全生命周期碳足迹降低19%，相当于每公里高速公路建设减少1.2吨碳排放

五、工程应用建议
1. 替代比例优化：建议将锂渣掺量控制在18-22%范围，该区间内强度发展速率达到峰值（28天达42.5MPa），且冻融循环后强度损失率<8%
2. 工艺参数调整：需配合0.46水胶比和3.8%高效减水剂使用，通过真空饱和处理（饱和度≥95%）有效控制孔隙连通性
3. 典型应用场景：
- 北方冻融地区：建议采用20%掺量，配合100kPa侧限压力设计
- 轻型建筑结构：10-15%掺量可满足强度需求同时降低成本
- 高耐久性需求工程：20%掺量混凝土在50次冻融循环后仍保持85%以上强度

六、创新点总结
1. 建立了冻融-侧限压力协同作用下的性能评价体系，首次将NMR时域分析（T?谱）与力学性能直接关联，发现0.1-1ms频段信号强度与强度保留率呈指数关系（R2=0.966）
2. 揭示了锂渣中钾长石（K?O 0.72%）的抑制效应：当掺量超过25%时，钾离子溶出导致孔隙率回升，形成微裂缝网络
3. 提出环境-性能协同优化模型，通过碳足迹计算（边界条件：cradle-to-gate）量化不同替代比例的经济与环境效益平衡点

七、未来研究方向
1. 开发锂渣-粉煤灰复合掺合料，探索二次胶凝反应机制
2. 研究高寒地区冻融-盐侵蚀耦合作用下的长期性能退化规律
3. 建立基于机器学习的材料性能预测模型，整合XRD、NMR与力学测试数据

本研究通过多尺度表征（纳米级XRD到宏观三轴试验）与多因素耦合分析，系统揭示了锂渣在混凝土中的增强机理。其实践价值在于：既解决了锂盐工业固废处置难题（年处理量可达200万吨），又实现了混凝土碳足迹降低19%的显著成效，为工业固废资源化利用提供了可复制的技术路径。建议在寒区基础设施工程中优先推广20%掺量的锂渣混凝土，并建立配套的施工质量控制标准。