磷渣混凝土的研究及应用

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摘 要：磷渣主要由玻璃体组成，其比表面积为2000cm2／g左右的磨细磷渣粉，可降低水泥砂浆的水化热。掺用胶凝材料总量15% 的磷渣制得的混凝土，其早期抗压强度比纯水泥混凝土稍低，28 d基本一致，60 d稍高。工程应用证明，利用磷渣配制的混凝土完全满足工程设计的要求。关键词：磷渣；激发剂；现场养护条件 现代的混凝土技术已将活性掺合料看作是高性能混凝土中除砂、石、水泥、水、高效减水剂以外不可缺乏的第六组分。优质的掺合料掺人混凝土中，其形貌效应、微集料效应、活性效应同时产生作用，对减少混凝土拌合物的需水量，改善混凝土拌合物的工作性能，降低混凝土水化热、提高混凝土的力学性能及耐久性极为有利。目前国内应用较多的掺合料有粉煤灰、硅灰、沸石粉。 浙江地区混凝土工程中掺合料应用情况不尽人意。原因之一是掺和料比较单一，而粉煤灰的其它用途也比较多，如加工加气混凝土砌体，因而造成粉煤灰市场供求不平衡。其它如矿渣、硅灰等又缺乏足够的资源。但同时本地区具有丰富的磷渣资源，若能将磷渣应用到混凝土工程中，则一方面有利于环境保护，另一方面也能开发一种新型混凝土掺合料。1 磷渣的基本性能
1.1 磷渣的化学成分及物理性质 从磷渣堆积现场取来有代表性的样品，经悬辊磨机加工后制成磷渣粉，测得其化学成分、物理性能见表1。由表1可见，磷渣的主要化学成分是CaO和SiO2，两者之和占了85%左右，而A12 O3 的含量很低，这与普通的炼铁高炉矿渣有较大区别。此种磷渣的比表面积和活性指数也相对较低，但稍有减水作用。 1.2 X一射线及微观形貌的SEM分析 磷渣的x一射线衍射结果如图1所示。从弥散的馒头峰知该磷渣主要由玻璃态物质构成，与高炉矿渣的峰形相似。其中含有的少量晶相为钙镁黄长石。 用扫描电镜对磨细的磷渣粉进行观察，结果见图2。从图2可知磷渣磨细后颗粒大小不均，粒径在数微米到数十微米之间，大多在10～30 µm；图2是对图2的放大，可见到颗粒表面光滑，呈棱角分明的多面体形状。 2 磷渣对水泥、混凝土性能的影响
2.1 从绝热温升研究磷渣对水化过程的影响 用保温瓶内胆装填水泥砂浆进行模拟的绝热温升试验。基本步骤为胶砂比1：2.5，水胶比0.50，萘系高效减水剂掺量2.5%，搅拌后的砂浆倒入5磅保温瓶中，置于℃ 的标准混凝土养护室内，用水银温度计测试其温度变化。经测定，保温瓶本身有一定的热量损失：装入65 ℃ 的热水后，在48 h 内，温度以0.5℃／h的速度均匀地下降。测得两种不同细度的磷渣粉对胶砂水化绝热温升的影响，结果见图3。图3中PS 15—1、PS 15—2的比表面积分别为2 078，2 515 cm 2／g。 由图3可见，掺15% 的磷渣PS15—1、PS15—2，水化温升降低13～15℃ ，且放热峰延迟约28 h，水化热显著减少。 混凝土在凝结硬化期间由于水泥水化反应放出大量的热量，水化热导致内部混凝土的温度不断上升，由于温度升高造成水泥硬化时发生体积膨胀，待冷却到周围温度时则发生收缩，因此降低混凝土内部的发热量是保证大体积混凝土质量的重要措施。从降低水化热和生产效率的角度出发，最终确定生产中控制细度为2 000 cm2／g左右。2.2 磷渣对胶砂强度的影响 用磷渣粉取代15% 的水泥，按标准方法检测胶砂馒度，结果见表2。 从表2可见，掺入15% 磷渣粉后，3 d及28 d强度明显降低，但掺入有激发剂的磷渣粉15% 后，早期强度稍低，在28 d时强度基本与对照组相当 其原因在于磷渣粉较粗，火山灰反应在早期不易发生，随龄期延长，在激发剂作用下，其强度会逐渐发挥出来 。2.3 磷渣粉对混凝土强度的影响 为进一步检验磷渣对混凝土性能的影响，以15% 为内掺量进行混凝土试配，强度、抗渗性检测的试验结果见表3。 从表3可知，在不同水灰比条件下，混凝土强度发展表现出相似的规律性，即在早期，强度因磷渣粉的掺入稍有降低，28 d基本持平，60 d时掺磷渣的混凝土强度超过不加磷渣粉者。 磷渣掺入混凝土中取代部分水泥，使水泥熟料减少，由于磷渣与水泥熟料水化产生的氢氧化钙进行二次水化，因而磷渣本身的水化比熟料慢，而且磷渣对水泥水化有缓凝作用，使磷渣混凝土早期强度有所降低。不过，根据一般规律，若水泥早期水化被抑制，其晶体“生长发育”条件好，使水化产物的质量显著提高，水泥石结构更加紧密，内部孔隙率下降，气孔直径变小， 而对混凝土后期强度发展有刊 此外，磷渣的二次水化反应会提高水泥石强度，改善界面结构和孔径分布，使混凝土后期强度提高 。2.4 磷渣混凝土的工程应用 以上所述是实验室数据，但实际现场的强度更为重要。为此我们借鉴云南省的工程应用实例，混凝土出厂的塌落度控制在18～22 cm，送至施工现场经时2～3 h后的混凝土塌落度为14～17 cm，全部顺利泵送。 就混凝土样强度来看，主要受养护条件的影响。养护有两种方式：一种是条件较差的工地，混凝土样只能自然养护；另一种是自然养护2 d后送工地试验室标养。图5比较了不同条件造成的差异。图5中虚线是国标中规定的强度限值，现场所测值附件标明了自然温度。 由图5来看，用15% 的磷渣粉等量置换水泥拌制混凝土，强度完全满足工程设计要求。在图5中，现场所测均小于试验室结果。在图5中，所测四种情况下，有两个与图5相似，其它两个则相反，可见养护条件的差异导致了强度的不同。 另一方面，图5中C25以及图5中C40有点反常，都刚刚满足限值要求。其原因在于这两组试样所处工地当时气温较低，分别只有8.9℃ 、7.6℃ 。也即这两组试验都是在这种低温下养护2 d后才拿进标养室的。气温降低导致磷渣的火山灰效应延缓，因而对强度不利 。对比其它数据，可认为在配制内掺磷渣粉的混凝土时自然温度最好在10℃ 以上。3 结 论 使用活性激发剂能使比表面积为2 000cm2／g左右的磷渣发挥出潜在的活性效应，掺加磷渣后的混凝土与基准混凝土对比，磷渣混凝土早期强度偏低，28 d抗压强度基本一致，后期强度较高。 磷渣掺入混凝土中，可大幅降低大体积混凝土的水化热和绝热温升值，并具有良好的抗渗性，因而在大体积混凝土工程中有较高的参考价值。 磷渣作为混凝土掺合料使用，为磷渣这种工业废渣的利用开辟了一条有效的新途径；在应用的同时，还需进行放射性检测，以满足国家对建筑材料安全性的有关要求。
磷渣混凝土在早期强度要求较高的工程或环境温度较低时应用须慎重。
磷渣作为混凝土的掺合料，在我国云南省已有成功的应用经验，但在浙江省的应用还需要作更多的实践探索。

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