我国蓬勃发展的工业已经带来了严重的环境污染问题, 如化石燃料的燃烧带来的严重酸雨问题和工业冶炼带来的工业废渣问题。酸雨是指PH小于5.6的大气降水, 当今气候环境的变化导致酸雨情况加重, 目前我国已是酸雨重灾区, 为世界第三大酸雨区^[1]。酸雨中的酸电离出的H⁺会和水泥的碱性水化产物发生强烈的中性化反应, 破坏混凝土的耐久性^[2,3], 严重危害建筑物使用寿命。目前针对普通混凝土的抗酸雨腐蚀性能已有较为成熟的研究^[4,5,6], 而对工业废渣回收利用作为混凝土掺合料的耐酸雨腐蚀研究较少。锂渣作为硫酸法制备碳酸锂的副产品, 因其活性好、性能优良, 已经被证明可以作为一种混凝土掺和料^[7,8]。目前, 锂渣混凝土已经逐渐应用到工程实践当中。李鸿芳等^[9]研究了石粉锂渣复掺混凝土的耐硫酸侵蚀性, 结果表明, 复掺锂渣的效果要优于单掺石粉的混凝土。本文通过模拟酸雨环境下锂渣钢筋混凝土的侵蚀, 研究了锂渣钢筋混凝土轴压柱的耐酸雨腐蚀性能, 并与普通钢筋混凝土轴压柱的耐酸雨腐蚀性能相比较, 为锂渣混凝土在建筑工业的推广以及在酸雨地区的使用提供理论依据。

　　 试验所采用的锂渣来自于江西省某公司, 经高低温干燥和球磨机磨细后, 测得45μm筛余为8%左右, 密度约为2 100kg/m³。锂渣的化学成分见表1。采用42.5级普通硅酸盐水泥。混凝土配合比见表2。

　　 本次试验共设计10个轴压钢筋混凝土短柱试件, 其中普通混凝土试件5个, 锂渣混凝土试件5个, 锂渣掺量为15%。纵向钢筋为HRB400, 箍筋为HPB300, 柱尺寸为200×200×600。为了避免柱头局部受压破坏, 对柱两端各150mm范围内进行箍筋加密 (图1 (a) ) , 保护层厚度为30mm。在浇筑试件的同时, 试验共预留了30个标准立方体试块 (15个普通混凝土试块与15个锂渣混凝土试块) , 将试块在相同的模拟酸雨环境下进行腐蚀, 用于获取不同喷淋周期后混凝土的实际抗压强度。纵向钢筋屈服强度为439MPa, 试件参数如表3所示。

　　 本次试验采用循环喷淋的方式模拟酸雨腐蚀 (图2) , 并通过降低喷淋溶液的PH值, 提高溶液中有害离子浓度来加速酸雨对试件的侵蚀。模拟酸雨溶液中, 离子成分主要为SO₄^2-, NO₃^-, H⁺, NH₄⁺, Mg²⁺, Ca²⁺等, 其中SO₄^2-的浓度为0.01mol/L, NH₄⁺浓度为0.002mol/L, Mg²⁺浓度为0.002mol/L。溶液的PH值设定为2.3, 喷淋时通过稀释后的硝酸溶液来调节PH值。其他离子浓度通过定时添加Na₂SO₄, MgSO₄和 (NH₄) ₂SO₄来调节。喷淋方式为喷淋3h, 然后静置5h, 每天3个循环, 并定时进行PH值和离子浓度的调节, 定期更换溶液。喷淋周期为60, 90, 120, 150d, 设置对照组, 即未腐蚀试件。

　　 本次试验在华东交通大学结构工程实验室5 000kN压力试验机上进行。试验前, 在混凝土4个侧面中心处及4根纵向钢筋的中部粘贴电阻应变片, 用以测量试验时钢筋和混凝土的应变^[10]。在粘贴混凝土应变片前, 由于酸雨腐蚀在混凝土表面上造成了许多坑洞, 所以采用环氧树脂加固化剂混合后涂抹在混凝土表面, 干燥后用打磨机磨薄找平, 在方便粘贴混凝土应变片的同时, 尽量减少坑洞对应变数据采集的影响。试验时, 采用电子位移计测量试件的纵向压缩量, 钢筋应变测点布置及混凝土应变测点布置如图1所示。

　　 在正式加载前, 先进行预加载, 预加的荷载值为计算极限承载力的10%左右。在进行预加载时, 观察钢筋应变和混凝土应变的读数是否接近并平稳增长, 如果不是, 则调整试件位置, 或用细沙调平, 直到钢筋以及混凝土的压应变基本相同, 以此保证试件轴心受压。正式加载时, 将加载速率控制在1～2kN/s, 在接近承载力计算值时, 进一步放缓加载速率, 直至试件破坏。

　　 在每一个腐蚀周期完成后, 将试验柱搬离酸雨喷淋室, 自然晾干后, 采用超声法对柱身4个侧面进行混凝土表层损伤厚度检测, 测点布置如图3所示。在每个侧面的中部选取一个测区, 除第一个测点距离超声发射点为50mm外, 后续测点与前一个测点的间距均为25mm。每个试验短柱的声时值取其4个面声时值的平均值, 利用每一根试验柱所获得的超声声时值进行回归分析得到声波在不同混凝土中的传播速度, 进而计算得出各试验柱的损伤厚度d_f, 结果见表4。

　　 图4为不同腐蚀周期下混凝土试件表面变化规律。其中P0, P60, P90, P120, P150为普通混凝土试件分别经过0, 60, 90, 120, 150d的模拟酸雨腐蚀后, 试件表面混凝土的腐蚀情况, L0, L60, L90, L120, L150为锂渣混凝土试件经过0, 60, 90, 120, 150d的模拟酸雨腐蚀后的表面混凝土腐蚀情况。由图4及试验现象可知, 未腐蚀时, 普通混凝土试件为青灰色, 锂渣混凝土试件为白灰色, 这主要是由于加入了锂渣粉的缘故。腐蚀周期为60d时, 两类混凝土试件颜色开始变为黄灰色, 混凝土表面的坑蚀现象并不严重。随着腐蚀周期的增加, 试件表面颜色开始加深, 逐渐出现较深的坑洞。当腐蚀周期达到120d和150d时, 试件表面坑蚀现象已十分严重, 部分粗骨料外露且被腐蚀成枣核状, 表层混凝土变得十分疏松。相同腐蚀周期下, 锂渣钢筋混凝土试件表面坑蚀现象比普通钢筋混凝土试件要稍微严重一些, 这主要是由于经过高温烘干后的锂渣粉具有很强的吸水性, 在酸雨喷淋过程中更容易被酸液溶蚀。

　　 图5为各腐蚀试件的破坏形态。由图5可知, 各试件的破坏形态接近。腐蚀周期越长, 锂渣混凝土试件和普通混凝土试件的混凝土表面坑蚀越严重, 试件的极限承载力均呈现下降趋势。在试验过程中发现, 腐蚀周期长的试件从试件开裂到试件破坏, 承载力下降的时间要明显短于腐蚀周期短的试件, 说明随着腐蚀周期的增加, 试件的脆性增大, 延性明显下降。

　　 由表4计算得到不同腐蚀周期下的试件表层损伤厚度d_f, 建立腐蚀周期与损伤厚度之间的关系曲线, 同时建立腐蚀周期与承载力下降值之间的关系曲线及腐蚀周期与混凝土立方体抗压强度之间的关系曲线, 如图6所示。

　　 由图6可知, 随着腐蚀周期的增加, 两类混凝土试件表面损伤厚度均呈增加趋势, 但在相同腐蚀周期情况下, 锂渣混凝土试件表面损伤厚度要小于普通混凝土试件, 且锂渣混凝土立方体抗压强度随腐蚀周期增加而下降的趋势也比普通混凝土要小, 说明锂渣混凝土具有较好的耐酸雨腐蚀性能。从试件承载力下降值的角度来看, 虽然在腐蚀周期为150d时, 锂渣混凝土试件的承载力下降值略微大于普通混凝土试件的承载力下降值, 但是, 在所有腐蚀周期下, 锂渣混凝土试件承载力下降趋势保持稳定, 且承载力基本与普通混凝土试件持平。

　　 图7为相同腐蚀周期下, 两类混凝土试件在轴心荷载N作用下的轴向压缩量Δ对比。从图中可以看出, 相同腐蚀周期下, 普通混凝土试件的轴向压缩量发展速度要比锂渣混凝土试件的轴向压缩量发展速度快, 荷载达到峰值时, 普通混凝土试件的最大轴向压缩量也比锂渣混凝土试件的要大, 这说明在相同模拟酸雨腐蚀周期下, 锂渣混凝土试件的整体刚度要比普通混凝土试件的大, 锂渣混凝土试件相对于普通混凝土试件在经历相同模拟酸雨腐蚀周期后有更好的整体性。

　　 图8为两类混凝土试件在不同腐蚀周期下的轴心荷载-轴向压缩量 (N-Δ) 图。从图中可以看出, 试件轴向压缩量的发展规律并没有随着腐蚀周期的变化而发生较大改变, 发展规律还是相似的。但是, 对比图中曲线发现, 随着腐蚀周期的增加, 普通混凝土试件及锂渣混凝土试件的峰值荷载均逐渐减小, 表明试件强度随腐蚀周期的增长呈下降趋势。

　　 表3列出了不同模拟酸雨腐蚀周期下的两类混凝土试件承载力计算值与承载力试验值的对比。在现行混凝土规范^[11]中, 柱的正截面受压承载力通过以下公式计算:

　　 ${\rm N}=0.9\phi (f{}_{\text{c}}A+f{}_{{\text{y}}^{\prime }}A{}_{{\text{s}}^{\prime }})(1)$

　　 式中:φ为钢筋混凝土轴向受压构件的稳定系数;

　　 A为构件截面面积;f_y′为纵向受压钢筋抗压强度设计值;A_s′为受压钢筋截面面积;0.9为可靠度调整系数。

　　 为了建立适合经过模拟酸雨腐蚀后的锂渣混凝土柱正截面受压承载力计算方法, 对式 (1) 进行修正。修正后的公式为:

　　 ${\rm N}=\phi (f{}_{\text{c}\text{s}}A{}_{\text{s}\text{f}}+f{}_{{\text{y}}^{\prime }}A{}_{{\text{s}}^{\prime }})(2)$

　　 式中:f_cs为轴压试验前, 利用试验获得的腐蚀后混凝土立方体抗压强度换算所得到的混凝土轴心抗压强度, 即经过不同腐蚀周期后的混凝土实测轴心抗压强度;A_sf为利用超声探测混凝土表面后, 用所测得的混凝土表面损伤厚度d_f对试件截面面积进行折减后所得到的计算截面面积, 即A_sf= (b-d_f) ², 其中b为柱截面边长。由此得到试件的计算承载力。

　　 从表3中N_ue/N_uc可以看出, 承载力试验值与承载力计算值十分接近。说明通过获得混凝土的实测抗压强度, 并对腐蚀后混凝土的截面面积进行折减来计算腐蚀试件的承载力是可行的。

　　 SEM扫描电镜是以电子束作为照明源, 把聚集得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上, 产生各种与试样性质相关的信息, 然后加以收集和处理, 从而获得微观形貌放大像。为了观察经过不同腐蚀周期后, 普通混凝土试件与锂渣混凝土试件的微观结构变化, 试验结束后从试件相同部位处取得试样, 并对试样进行吹净及烘干, 在SEM电子显微镜下进行观察。

　　 图9 (a) ～ (e) 为对腐蚀周期为0, 60, 90, 120, 150d的普通混凝土试件进行扫描电镜 (SEM) 观察结果, 图9 (f) ～ (j) 为对腐蚀周期为0, 60, 90, 120, 150d的锂渣混凝土试件进行扫描电镜 (SEM) 观察结果。从图中可以看出, 未腐蚀的普通混凝土试件表面主要为Ca (OH) ₂结晶, 呈现六方板状, 而未腐蚀的锂渣混凝土表面为絮团状的水化硅酸钙凝胶 (C-S-H) , 产生这种现象的原因是由于锂渣取代部分水泥后, 使混凝土中的Ca (OH) ₂发生了二次水化反应, 产生了大量的C-S-H凝胶, 混凝土表面的Ca (OH) ₂晶体反应后体积减小, 所以锂渣混凝土表面呈絮状。随着腐蚀周期的增加, 两类混凝土试件内部结构均发生明显变化, 混凝土内部结构开始出现微小裂缝, 表明疏松程度不断加深。当腐蚀周期达到150d时, 普通混凝土试件与锂渣混凝土试件表面均出现大量针棒状的钙矾石晶体, 这些晶体会导致混凝土强度降低, 影响混凝土试件的承载能力。

　　 (1) 经过不同周期的模拟酸雨腐蚀后, 锂渣钢筋混凝土试件的破坏形态与普通钢筋混凝土试件基本一致。

　　 (2) 在经历相同腐蚀周期后的锂渣混凝土试件整体刚度要比普通混凝土试件的整体刚度大, 且表层混凝土损伤厚度要小。

　　 (3) 150d腐蚀周期后, 锂渣混凝土试件承载力较未腐蚀的锂渣混凝土试件承载力下降20.24%, 略高于普通混凝土试件承载力的下降比率19.67%, 但150d腐蚀周期后的锂渣混凝土试件承载力仍比普通混凝土试件的承载力高。

　　 (5) 通过折减混凝土抗压强度和柱身截面面积的方法对现行规范公式进行修正, 使用修正后公式计算酸雨腐蚀后轴压短柱的正截面抗压承载力并与试验值进行比较得出, 公式计算值偏于安全。