磷渣对混凝土性能影响的研究.pdf

2 0 1 0 年 第 3期 (总 第 2 4 5 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND AD NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 3 0 2 9 磷渣对混凝土性能影响的研究 徐迅 1 I 2 ，宋晓岚 。 ，卢忠远 1 2 。李三霞 ，刘东锋 。 ( 1 先进建筑材料四川省重点实验室，四川 绵阳 6 2 1 0 1 0 ；2 西南科技大学 材料科学与工程学院，四川 绵阳 6 2 1 0 1 0 ； 3 中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ) 摘要： 通过研究掺入磷渣后的混凝土拌合物性能、 力学性能、 热学性能、 变形性能和耐久性能， 认为磷渣能代替粉煤灰作为混凝土的掺 合料。本研究结果为缓解粉煤灰供应压力， 充分利用磷渣资源提供一定的参考依据。 关键词： 磷渣； 粉煤灰；混凝土；性能 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 9 5 0 5 I n f l uen c e o f phos pho r s l a g on c onc r e t e per f or man c e XUXan SONGXi a o l an 3 , LUZh o n g - y u a n1 ,2 LS a n - x i a1 ,2 LI UDo n g - f e n g ( 1 Ke yL a b o r a t o r yf o r B u i l d i n gMa t e ri a l s o f S i c h u a nP r o v i n c e ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 。 C h i n a ； 2 S c ho o l o f Ma t e r i al Sc i e n c e a n d En g i n e e rin g ， S o ut h we s t Un i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d Te c h no l o g y， Mi any a n g 6 21 01 0， Ch i n a； 3 S c h o o l o f Mi n e r als P r o c e s s in g and B i o e n g i n e e r i n g ， Ce n t r a l S o u th U n i v e r s it y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Fr e s h c o n c r e t e pe r f o r manc e ， c o n c r e t e me c h a n i c s p e rfo rm a n c e， c o n c r e t e the r mo fi c s p e rfo r manc e ， c o n c r e t e d e f o r ma t i o n p e rfo r manc e and c o nc r e t e d u r a b l e pe r f o r ma n c e b e h a s b e s t u i e d 。 Th e r e s u l t s s h o we d t h a t ph o s p ho r s l a g C a l l d i spl a c e fl y a s h a s c o nc r e t e mi n e r a l a d mi x t u r e I t s u p p l i e d r e f e r e n t i a l p r o o f f o r r e l i e v ing s u p p l i c a t i o n o f fly ash a n d f ul l y e x p l o i t i n g ph o s p ho r s l a g Ke ywor ds ： p h o s p h o r s l ag ； flya s h； c o n c r e t e； p e rfo rm an c e 0 引言 粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料， 在混凝土中使用已 有几十年的历史， 并取得 了许多成功的经验。粉煤灰由过去一 般作为混凝土填充料使用， 变为如今混凝土， 尤其是大体积混 凝土必不可少原材料之一。桐子林水电站主体工程混凝土浇筑 期间， 周边众多水电工程 ， 如官地水电站、 锦屏一、 二级水电站、 金安桥水电站、 溪洛渡水电站、 向家坝水电站等将相继开工， 对 粉煤灰的需求也越来越大， 粉煤灰呈现出供不应求的局面。考 虑到桐子林周边掺合料资源， 以及及桐子林施工高峰期间粉煤 灰的供应情况， 选择粉煤灰的替代产品， 作为混凝土掺合料的 相关研究也显得非常必要。 磷渣是电炉法制取黄磷时所产生的工业废渣 ， 每生产 1 t 黄 磷要排放 8 1 0 t 的黄磷渣。在我国， 几乎每个省都有磷渣资源， 其中云南、 贵州、 四川等省份， 磷渣资源较为丰富， 仅云南省磷 矿石储量就有 7 8亿 t ， 每年排放磷渣约 7 O 万 t 。磷渣是以硅酸 钙为主的熔融物， 经淬冷成粒 ， 即为粒化 电炉磷渣， 简称磷渣。 磷渣矿相组成为假硅灰石 O t C S和硅钙石 C ， S ： ， 从 x射线分析可 以明显看到黄磷渣以玻璃态为主， 从岩相分析可知， 其玻璃体 含量为 8 5 9 0 。在结晶相中有石英、 假硅灰石、 方解石、 氟以 氟化钙形态存在。其主要矿物成分与水泥熟料的基本矿物成分 类似， 主要化学成分为氧化硅和氧化钙， 性能与水淬高炉矿渣 接近。磨细后的磷渣称为磷渣粉， 具有一定的活性。 磷渣直接作为混凝土掺合料应用 ， 国外的文献资料较少， 但在我国大朝山水电站工程中， 磷渣与凝灰岩粉复掺已获得应 用 ， 景洪电站、 小湾电站、 土卡河电站 、 金安桥电站等也相继开 展了试验研究。成都院科研所、 长江科学院、 水电八局等科研、 施工单位， 在构皮滩电站混凝土原材料调研和配合比优化设计 试验研究、 索风营电站大坝混凝土配合比验证试验研究等项 目 中， 对单掺磷渣取代粉煤灰， 以及磷渣与粉煤灰复掺混凝土的 各种性能进行了研究。结果表明， 磷渣可降低混凝土用水量， 掺 磷渣的混凝土和易性好、 早期水化热低 、 后期强度较高、 极限拉 伸值较大。 本研究的主要目的在于： 从宏观角度综合研究磷渣替代粉 煤灰作为混凝土掺合料的可行性， 从而缓解粉煤灰供应压力， 充分利用磷渣资源提供科学依据。 1原 材 料 + 水泥采用四川峨嵋水泥有限公司生产的4 2 5级中热硅酸 盐水泥， 磨细 级粉煤灰和原状粉煤灰来自四川省攀枝花市 5 0 4 发电厂， 磷渣来自桐子林水电站上游的川投电冶公司黄磷厂， 石 灰石粉取自攀枝花大地水泥有限公司矿山石灰石矿初次破碎 时， 收尘设备收集的石灰石粉。其化学成分分析结果见表 l 。 本次试验所采用的减水剂为浙江龙游五强混凝土外加剂 有限公司生产的 Z B 1 A缓凝高效减水剂和 Z B 1 D高效减水 剂、 江苏博特新材料公司生产的 J M I I C缓凝高效减水剂、 四川 收稿日 期：2 0 0 9 1 1 - 2 3 基金项目：先进建筑材料四川省重点实验室( 西南科技大学) 开放基金资助( 0 9 z x x k 0 8 ) 。 9 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 原材料化学成分 晶华化工有限责任公 司生产 的 Q H R 2 0 缓凝高效减水剂和 Q H HS高效减水剂， 引气剂采用上海麦斯特建材有限公司生产 的 Mi c r o Air A E A 2 0 2引气剂 。 试验采用人工砂和碎石取自原二滩金龙沟料场。由于二 滩水电站生产安全要求， 不能在料场进行爆破取样， 所取样品 为原二滩水电站建设期间开采的正长岩毛料， 样品中夹杂有部 分弱风化岩石。砂石骨料物理性能试验结果见表 2 ， 细骨料为 人 工砂 。 表 2砂石骨料物理性能试验 结果 2 结果及分析 2 1 混凝 土拌合 物性 能 混凝土拌合物性能试验， 主要进行混凝土拌合物坍落度损 失、 含气量损失， 以及混凝土泌水率试验， 试验采用 0 5 0水胶比， 减水剂为Z B 1 D高效减水剂， 掺量为 O 7 ； 引气剂为 A E A2 0 2 ， 掺量为O 5 。 混凝土拌合物坍落度及含气量损失试验结果见 表 3 。 从试验结果看， 掺磷渣混凝土坍落度损失与掺粉煤灰混凝 土基本相当， 混凝土含气量损失比掺粉煤灰时要大。静置后的 混凝土具有较好的触变性能， 通过振动可使混凝土拌合物充分 泛浆、 易于振平密实。掺磷渣混凝土的拌合物黏聚性较好， 不易 离析， 插捣时有少量析水， 而掺粉煤灰混凝土拌合物插捣时基 本不析水。 表 3 混凝土拌合物性能试验结果 磷渣的组成是以硅酸盐和铝酸盐的玻璃体为主的， 还有部 分小颗粒的晶体存在。磨细磷渣是表面光滑、 呈不规则的多棱 形和块状、 碎屑状， 少量针片状的颗粒 ， 一般而言， 其亲水性较 差， 混凝土泌水较大。目前， 在水电工程中磷渣的应用 ， 大多是 碾压混凝土， 由于碾压混凝土本身的贫胶材、 干硬特性 ， 决定了 用在常态混凝土中时， 磷渣的泌水性是需要引起重视的问题。 对 此， 探讨了一些影响混凝土泌水性的因素， 结果见表 4 。 从试验结果分析： ( 1 ) 混凝土的含气量、 坍落度是影响混凝土泌水性的主要 因素。 含气量为 4 2 、 7 5 时， 混凝土泌水率较低。 而混凝土含 磷矿渣作掺合料时， 泌水性不突出或根本不存在。 然而， 磷渣应 气量降为 3 2 时， 混凝土泌水性大幅增加。 表 4 混凝土泌水性试验结果 注： P 代表磷渣， F 代表磨细粉煤灰， Y F代表原状灰， s 代表石灰石粉。 96 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 磷渣与其他掺合料联掺时， 混凝土泌水率较低。 ( 3 ) 采用 5 0 L密度桶， 用插入式振捣进行振捣时， 其泌水率 较振动台振捣有放大的趋势。 由于现场施工的体积放大作用， 在施工仓面所表现出的混 凝土泌水性 ， 室内试验可能难以真实的反映出来 ， 因此磷渣作 掺合料的混凝土泌水性有待施工验证。 2 2 力学性能 2 2 1 强度 混凝土强度性能试验结果见表 5 。 掺磷渣混凝土与掺粉煤灰混凝土相比， 其早期强度比粉 煤灰混凝土低 ， 而后期强度趋于接近。与粉煤灰混凝土相比， 其 3 、 7 d抗压强度约低 8 - q8 左右， 而 2 8 、 9 0d 强度约低 3 左右。而 7 d 劈拉强度低 3 O 左右， 2 8 、 9 0 d劈拉强度低 3 8 左右 。 磷渣掺量的增加， 混凝土强度逐渐下降。在磷渣掺量为 2 0 时， 其 7 、 2 8 、 9 0 d混凝土强度分别为不掺磷渣混凝土的 7 0 6 、 6 8 1 、 9 0 4 ； 在磷渣掺量为 3 0 时， 其 7 、 2 8 、 9 0 d混凝土强度分 别为不掺磷渣混凝土的 5 2 9 4 、 6 0 9 、 8 3 3 ； 在磷渣掺量为 2 0 时 ， 其 7 、 2 8 、 9 0 d混凝土强度分别为不掺磷渣混凝土的 4 0 5 、 51 4 、 7 2 2 。 表 5 不 同磷渣掺量时的强度性能 表 掺 磷 渣 混 凝 = 穹 强 度 2 3 混凝土热学性能 2 2 2 弹模与极限拉伸 混凝土弹模与极限拉伸性能试验结果见表 7 。 从试验结果看， 掺磷渣混凝土的弹性模量比掺粉煤灰混凝 土约低 1 0 左右。随着磷渣掺量增加 ， 其弹性模量同混凝土强 度一样逐渐下降。 掺磷渣混凝土的极限拉伸值比掺粉煤灰混凝土也低 5 1 0 o 左右。 2 2 3 干缩 混凝土干缩性能试验结果见表 8 。 混凝土干缩的主要原因是由于毛细孔水、 吸附水和层间水 的蒸发。从试验结果看 ， 掺磷渣与掺粉煤灰混凝土相比， 其早 期干缩大于掺粉煤灰混凝土 ， 这可能与磷渣亲水性较差有关 ， 与磷渣早期水化较慢， 所需水化用水也较少 ， 从而蒸发水量加 大等因素也有关。而掺磷渣与掺粉煤灰混凝土的后期干缩则 趋于接近。 混凝土热学性能试验结果见表9 ， 绝热温升试验结果见表 1 O 。 从混凝土热学性能试验结果看， 掺磷渣与掺粉煤灰混凝土 的导温、 导热、 质量热容基本相当。 掺磷渣与掺粉煤灰混凝土的线膨胀系数 、 泊松 比也基本 相当。 掺磷渣混凝土的绝热温升值比掺粉煤灰混凝土的绝热温 升值略低。 绝热温升试验公式： ( 1 - e ) ( 1 ) 式中： 卜绝热温升值， ； 一 最终温升值， ； 龄期 ， d ； a , b 试验参数。 2 4混凝 土 变形性 能 混凝土自身体积变形试验结果见表 1 l 。 2 5 混 凝 土耐久性 能 混凝土的耐久性能， 主要包括混凝土的抗渗性、 抗冻性能、 抗侵蚀、 抗碳化等与混凝土长期的、 持续破坏相关的性能。混 凝土抗渗性、 抗冻性试验结果见表 1 2 ， 混凝土碳化试验结果见 表 1 3 。 97 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 7 不同磷渣掺量时的弹模与极极限拉伸 表 8 不同磷渣掺量 时混凝土千缩试验 结果 2 、 臻 * 龄期 d 图 1 磷渣与粉煤灰千缩变形 曲线 从混凝土耐久性能试验结果看， 采用磷渣或粉煤灰作为混 凝土掺合料， 其抗渗、 抗冻性能均可满足设计要求。掺磷渣混凝 土的抗碳化性能比掺粉煤灰混凝土略优。 4 5 0 4 0 0 35 0 3 0 0 2 5 0 袈 2 0 0 H -1 5 0 1 O O 5 0 2 、 嫱 0 3 0 6 0 9 0 龄 期 ， d 图 2 磷渣掺为 3 0 的千缩变形曲线 龄期 ， d 图 3 不 同磷渣掺量时的千缩变形 曲线( 水胶比为 0 4 5) 4结 论 ( 1 ) 混凝土拌合物试验表明： 掺磷渣混凝土坍落度损失与掺 粉煤灰混凝土基本相当， 混凝土含气量损失比掺粉煤灰时要大。 ( 2 ) 从室内泌水试验结果看： 掺磷渣混凝土泌水率略高于 掺粉煤灰混凝土， 但在水泥砂浆试验中， 掺磷渣的砂浆泌水则 明显高于掺粉煤灰的砂浆泌水。 ( 3 ) 单掺磷渣作为混凝土掺合料时 ， 与掺粉煤灰混凝土相 比， 其 3 、 7 d强度比掺粉煤灰混凝土低 8 1 8 左右 ， 而 2 8 、 9 0 d 强度比掺粉煤灰混凝土略低 3 - 6 左右， 后期强度趋于接近。 随 表 9 混凝土热学性能试验结果 9 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 O 混凝土绝 热温升试验结果 着磷渣掺量的增加 ， 混凝土强度逐渐下降， 掺量对混凝土强度 影响比较明显。 ( 4 ) 单掺磷渣作为混凝土掺合料时， 与掺粉煤灰混凝土相 比， 其弹性模量约低 1 0 左右， 极限拉伸值约低 5 - 1 0 左右。 龄 期 ， d 图 4 混凝土 自身体积变形过程图 趋于接近。 ( 6 ) 掺磷渣混凝土与掺粉煤灰混凝土热学参数基本相 当， 绝热温升比掺粉煤灰混凝土略低。 ( 5 ) 单掺磷渣作为混凝土掺合料时， 与掺粉煤灰混凝土相 ( 7 ) 单掺磷渣与单掺粉煤灰的混凝土耐久性能均可满足设 比， 其早期干缩大于掺粉煤灰混凝土， 而混凝土的后期干缩则 计要求。 表 1 1 混凝土 自身体积变形试验结果 参考文献 ： 【 1 】 唐祥正磷渣作 1 4 -1 7 云南建材， 1 9 9 5 ( 4 ) 【 2 】 毛良喜， 王越， 李东旭， 等 少熟料磷渣水泥水化机理的研究【 J 】 建筑 材料学报。 1 9 9 9 ( 2 ) ： 1 - 3 【 3 】L I D o n g - x u ， S H E N J i n - l i n ， MAO L i a n g - x i ， e t a 1 T h e i n fl u e n c e o f a d m i x t u r e s o n t h e p r o p e r t i e s o f p h o s p h o r o u s s l a g c e m e n t J C e m e n t a n d C o n c re t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ( 3 0 ) ； 1 1 6 9 1 1 7 3 4 翟红侠， 廖绍锋磷渣硅酸盐水泥水化反应机理研究忉 合肥工业大 学学报： 自然科学版， 1 9 9 8 ( 4 ) ： 1 3 2 1 3 6 2l - 2 4 【 6 】 包春霞， 冷发光 磷渣掺和料对混凝土水化热和抗裂性能影响的试 验研究 J 】 云南水力发电， 1 9 9 7 ， 1 4 ( 3 ) ： 5 9 6 1 7 1 高培伟， 张德成 ， 冯乃谦 磷渣超细粉对高性能混凝土强度与耐久性 的影O 8 g 山东建材学院学报， 1 9 9 8 ( 6 ) ： 1 3 0 1 3 4 【 8 8 杨代六， 徐迅 磷渣对硅酸盐水泥水化硬化的影响研究【 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 4 6 - 4 8 作者简介 ： 单位地 址： 联系电话 ： 徐迅( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 硕士， 讲师， 主要从事先进建筑材料研究。 四J l 省绵阳市西南科技大学材料科学与工程学院( 6 2 1 O l o ) 0 81 6 - 2 41 9 21 9 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m