磷渣混凝土的研究及應用

摘要：磷渣主要由玻璃體組成，其比表面積為2000cm2／g左右的磨細磷渣粉，可降低水泥砂漿的水化熱。摻用膠凝材料總量15% 的磷渣制得的混凝土，其早期抗壓強度比純水泥混凝土稍低，28 d基本一致，60 d稍高。工程應用證明，利用磷渣配制的混凝土完全滿足工程設計的要求。關鍵詞：磷渣；激發(fā)劑；現(xiàn)場養(yǎng)護條件現(xiàn)代的混凝土技術已將活性摻合料看作是高性能混凝土中除砂、石、水泥、水、高效減水劑以外不可缺乏的第六組分。優(yōu)質的摻合料摻人混凝土中，其形貌效應、微集料效應、活性效應同時產生作用，對減少混凝土拌合物的需水量，改善混凝土拌合物的工作性能，降低混凝土水化熱、提高混凝土的力學性能及耐久性極為有利。目前國內應用較多的摻合料有粉煤灰、硅灰、沸石粉。浙江地區(qū)混凝土工程中摻合料應用情況不盡人意。原因之一是摻和料比較單一，而粉煤灰的其它用途也比較多，如加工加氣混凝土砌體，因而造成粉煤灰市場供求不平衡。其它如礦渣、硅灰等又缺乏足夠的資源。但同時本地區(qū)具有豐富的磷渣資源，若能將磷渣應用到混凝土工程中，則一方面有利于環(huán)境保護，另一方面也能開發(fā)一種新型混凝土摻合料。1 磷渣的基本性能
1.1 磷渣的化學成分及物理性質從磷渣堆積現(xiàn)場取來有代表性的樣品，經懸輥磨機加工后制成磷渣粉，測得其化學成分、物理性能見表1。由表1可見，磷渣的主要化學成分是CaO和SiO2，兩者之和占了85%左右，而A12 O3 的含量很低，這與普通的煉鐵高爐礦渣有較大區(qū)別。此種磷渣的比表面積和活性指數也相對較低，但稍有減水作用。 1.2 X一射線及微觀形貌的SEM分析磷渣的x一射線衍射結果如圖1所示。從彌散的饅頭峰知該磷渣主要由玻璃態(tài)物質構成，與高爐礦渣的峰形相似。其中含有的少量晶相為鈣鎂黃長石。用掃描電鏡對磨細的磷渣粉進行觀察，結果見圖2。從圖2可知磷渣磨細后顆粒大小不均，粒徑在數微米到數十微米之間，大多在10～30 µm；圖2是對圖2的放大，可見到顆粒表面光滑，呈棱角分明的多面體形狀。 2 磷渣對水泥、混凝土性能的影響
2.1 從絕熱溫升研究磷渣對水化過程的影響用保溫瓶內膽裝填水泥砂漿進行模擬的絕熱溫升試驗。基本步驟為膠砂比1：2.5，水膠比0.50，萘系高效減水劑摻量2.5%，攪拌后的砂漿倒入5磅保溫瓶中，置于℃ 的標準混凝土養(yǎng)護室內，用水銀溫度計測試其溫度變化。經測定，保溫瓶本身有一定的熱量損失：裝入65 ℃ 的熱水后，在48 h 內，溫度以0.5℃／h的速度均勻地下降。測得兩種不同細度的磷渣粉對膠砂水化絕熱溫升的影響，結果見圖3。圖3中PS 15—1、PS 15—2的比表面積分別為2 078，2 515 cm 2／g。由圖3可見，摻15% 的磷渣PS15—1、PS15—2，水化溫升降低13～15℃ ，且放熱峰延遲約28 h，水化熱顯著減少。混凝土在凝結硬化期間由于水泥水化反應放出大量的熱量，水化熱導致內部混凝土的溫度不斷上升，由于溫度升高造成水泥硬化時發(fā)生體積膨脹，待冷卻到周圍溫度時則發(fā)生收縮，因此降低混凝土內部的發(fā)熱量是保證大體積混凝土質量的重要措施。從降低水化熱和生產效率的角度出發(fā)，最終確定生產中控制細度為2 000 cm2／g左右。2.2 磷渣對膠砂強度的影響用磷渣粉取代15% 的水泥，按標準方法檢測膠砂饅度，結果見表2。從表2可見，摻入15% 磷渣粉后，3 d及28 d強度明顯降低，但摻入有激發(fā)劑的磷渣粉15% 后，早期強度稍低，在28 d時強度基本與對照組相當其原因在于磷渣粉較粗，火山灰反應在早期不易發(fā)生，隨齡期延長，在激發(fā)劑作用下，其強度會逐漸發(fā)揮出來。2.3 磷渣粉對混凝土強度的影響為進一步檢驗磷渣對混凝土性能的影響，以15% 為內摻量進行混凝土試配，強度、抗?jié)B性檢測的試驗結果見表3。從表3可知，在不同水灰比條件下，混凝土強度發(fā)展表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，即在早期，強度因磷渣粉的摻入稍有降低，28 d基本持平，60 d時摻磷渣的混凝土強度超過不加磷渣粉者。磷渣摻入混凝土中取代部分水泥，使水泥熟料減少，由于磷渣與水泥熟料水化產生的氫氧化鈣進行二次水化，因而磷渣本身的水化比熟料慢，而且磷渣對水泥水化有緩凝作用，使磷渣混凝土早期強度有所降低。不過，根據一般規(guī)律，若水泥早期水化被抑制，其晶體“生長發(fā)育”條件好，使水化產物的質量顯著提高，水泥石結構更加緊密，內部孔隙率下降，氣孔直徑變小，而對混凝土后期強度發(fā)展有刊此外，磷渣的二次水化反應會提高水泥石強度，改善界面結構和孔徑分布，使混凝土后期強度提高。2.4 磷渣混凝土的工程應用以上所述是實驗室數據，但實際現(xiàn)場的強度更為重要。為此我們借鑒云南省的工程應用實例，混凝土出廠的塌落度控制在18～22 cm，送至施工現(xiàn)場經時2～3 h后的混凝土塌落度為14～17 cm，全部順利泵送。就混凝土樣強度來看，主要受養(yǎng)護條件的影響。養(yǎng)護有兩種方式：一種是條件較差的工地，混凝土樣只能自然養(yǎng)護；另一種是自然養(yǎng)護2 d后送工地試驗室標養(yǎng)。圖5比較了不同條件造成的差異。圖5中虛線是國標中規(guī)定的強度限值，現(xiàn)場所測值附件標明了自然溫度。由圖5來看，用15% 的磷渣粉等量置換水泥拌制混凝土，強度完全滿足工程設計要求。在圖5中，現(xiàn)場所測均小于試驗室結果。在圖5中，所測四種情況下，有兩個與圖5相似，其它兩個則相反，可見養(yǎng)護條件的差異導致了強度的不同。另一方面，圖5中C25以及圖5中C40有點反常，都剛剛滿足限值要求。其原因在于這兩組試樣所處工地當時氣溫較低，分別只有8.9℃ 、7.6℃ 。也即這兩組試驗都是在這種低溫下養(yǎng)護2 d后才拿進標養(yǎng)室的。氣溫降低導致磷渣的火山灰效應延緩，因而對強度不利。對比其它數據，可認為在配制內摻磷渣粉的混凝土時自然溫度最好在10℃ 以上。3 結論使用活性激發(fā)劑能使比表面積為2 000cm2／g左右的磷渣發(fā)揮出潛在的活性效應，摻加磷渣后的混凝土與基準混凝土對比，磷渣混凝土早期強度偏低，28 d抗壓強度基本一致，后期強度較高。磷渣摻入混凝土中，可大幅降低大體積混凝土的水化熱和絕熱溫升值，并具有良好的抗?jié)B性，因而在大體積混凝土工程中有較高的參考價值。磷渣作為混凝土摻合料使用，為磷渣這種工業(yè)廢渣的利用開辟了一條有效的新途徑；在應用的同時，還需進行放射性檢測，以滿足國家對建筑材料安全性的有關要求。
磷渣混凝土在早期強度要求較高的工程或環(huán)境溫度較低時應用須慎重。
磷渣作為混凝土的摻合料，在我國云南省已有成功的應用經驗，但在浙江省的應用還需要作更多的實踐探索。