磷矿渣轨枕混凝土力学性能的试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第 9期 (总 第 2 6 3 期 ) Nu mb e r 9i n 2 0 1 1 ( T o t a 1 No 2 6 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATE Rl AI ， AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 9 0 2 6 磷矿渣轨枕混凝土力学性能的试验研究 赵国荣 。高亚 。李玉香 ，郑爱国 1 f 2 。康祥梅 1 ,2 ( 1 西南科技大学 四川省非金属复合与功能材料重点实验室一 省部共建国家重点实验室培育基地，IJ l l 绵阳 6 2 1 0 1 0 2 德阳铁路轨枕厂 ，四川 德阳 6 1 8 0 0 7 ) 摘要： 采用对比试验方法， 系统研究了磷矿渣比表面积和掺量对轨枕混凝土力学性能的影响， 并分析了磷矿渣的作用机理， 结果表明 蒸汽养护条件下， 适当粒度和掺量的磷矿渣可以有效改善轨枕混凝土的力学性能， 从而为磷矿渣混凝土轨枕的实际应用打下良好基础。 关键词： 磷矿渣 ； 轨枕混凝土；比表面积； 掺量 中图分类号： T U 5 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 1 ) 0 9 0 0 8 4 0 3 Re s e ar ch a nd e x per i men t on t h e me c han i c al pr ope r t y o f s l ee pe r c onc r e t e a ddi ng ph os phor u s sl a g ZHAO Gu o - r o n g ， GAO Ya ， LIYu x i a n g ， Z HENGAi l gu o1 , 2 KANGXi a n g - me i ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y C u l t i v a t i o n B a s e f o r No n me t a l C o mp o s i t e s a n d F u n c t i o n a l Ma t e ri a l s ， S o u t h we s t Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Mi a n y ang6 2 1 0 1 0 ， C h i n a ； 2 D e y a n g Ra i l w a yS l e e p e r F a c t o ry， De y a n g6 1 8 0 0 7 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： P r e s e n t s a d e tai l e d e x p e rime n t a l s t u d y a bo u t t h e i n flu e n c e o f p h o s p h o r u s s l a g o n the me c h a n i c a l p r o pe r ty o f s l e e p e r c o n c r e t e b y t h e c o r r e l a t i o n me t h o d a n d i t s me c h an i s m i s an a l y s i s e d Th e r e s u l t s d e mo n s t r a t e d tha t p h o s p h o r u s s l a g wi t h a p p r o p ria t e c e me n t r e p l a c e me n t d o s a g e and s pe c i fi c a r e a c o ul d i mp r o v e t h e me c ha n i c a l p r o p e r t y o f s l e e p e r c o nc r e t e u nd e r the s t e a m c u r i ng a n d c o ul d a l s o b e r e g ard e d a s a g o o d fou n d a t i o n f o r the p r a c t i c a l a p pl i c a t i o n o fc o n c r e t e s l e e p e r a d d i n g p h o s p h o r u s s l a g Keywor ds ： p h o s p h o rus s l a g； s l e e p e r c o n c r e t e； s p e c i fic a r e a； r e pl a c e me n t d o s a g e 0 引言 磷渣是磷矿石热法生产黄磷过程中排放的工业废渣。 在密 封式电弧炉中， 用焦炭和硅石作为还原剂和成渣剂， 使磷矿石 中的钙和二氧化硅化合 ， 以硅、 钙为主的熔融渣排出， 一般在炉 前经高压水淬处理为粒状水淬渣【 ” 。 每生产 1 t 黄磷， 大约产生 8 1 0 t 磷矿渣 ， 以我国目 前的黄磷生产能力 ， 每年的磷矿渣排放 量都在 5 0 0万 t 以上， 且逐年递增。 2 0 0 2年全国的磷矿渣排放量 在 5 5 0 6 9 0 万 t 2 】 。 我国多数黄磷生产企业将磷矿渣作为废渣露 天堆放， 不仅造成磷矿渣资源的浪费和水土流失， 而且磷矿渣 中有害物质随雨水流出对环境造成了一定破坏3 。 不同产地磷矿渣的化学成分均与天然硅灰石矿石的化学 组成相似 ， 主要成分为 S i O 和 C a O， 可达 8 6 7 4 9 4 8 5 。 块状 磷矿渣由环硅灰石， 枪晶石与两种硅酸钙( C a S i O 。 和 C a s S i O ) 共生， 其主要矿物成分与水泥熟料的基本矿物成分相似 ， 性能类 似于粒化高炉矿渣， 磨细后的磷矿渣具有一定的火山灰活性4 J 。 磷矿渣作为掺合料已应用于碾压混凝土和水工混凝土， 结果表 明磷矿渣混凝土较好的和易性 ， 较低的早期水化热 ， 较高的极 限拉伸和后期强度对工程的改善效果良好 。 粉煤灰掺合料对轨枕混凝土的性能提升较大I s ， 但随着矿 物掺合料应用的日益广泛， 粉煤灰资源已开始紧缺。 对磷矿渣与 粉煤灰从原材料价格、 加工成本等方面进行经济 比较， 掺磷矿 渣的总费用只相当于掺粉煤灰费用的 5 0 左右。 因此在经济方 面， 掺磷矿渣要优于掺粉煤灰。 利用磷矿渣不但有利于缓解 目 前 收稿日期：2 0 1 1 - 0 3 - 2 6 8 4 粉煤灰资源的供需矛盾， 而且避免了磷矿渣露天堆放对环境产 生的污染 。 从宏观角度入手 ， 着重研究了磷矿渣的掺量和细度 对轨枕混凝土早期力学性能的影响， 为磷矿渣轨枕混凝土的广 泛应用提供科学依据。 1 试验原材料 ( 1 ) 磷矿渣： 四川德阳什邡的工业磷矿渣。 其微观形貌结构 如图 1 所示， 其化学成分列于表 l 。 ( a ) ( b ) 图 1 磷矿渣 SE M照片 表 1 磷矿渣主要化学成分 ! 垒 ! ! a U! 三 1 6 2 2_3 5 3-21 1 7 6 3 4 8 4 2 0 7 O7 8 0 41 02 3 5 1 01 1 28 9 9 5 6 ( 2 ) 水泥： 四川亚东水泥有限公司生产的P O 4 2 5 级水泥， 比表面积 4 0 3 m2 k g ， 初凝为 1 7 2 mi n ， 终凝为 2 3 9 mi n ， 安定性 检测合格， 3 d抗压强度 2 8 5 MP a ， 2 7 d抗压强度 5 0 9 MP a ； 化 学成分列于表 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 水泥主要化学成分 Na 2 0 M g O A1 2 0 3 S i O2 P 2 O5 S O 3 C1 1 ( 2 0 C a O F e 2 03 0 2 2 5 1 2 7 7 5 4 9 6 1 9 7 8 7 0 0 9 5 4 1 8 1 00 4 4 0 8 4 8 6 29 7 0 4 0 0 9 9 8 9 3 ( 3 ) 集料。 细集料 ： 德阳市绵远河段天然中砂 ， 细度模数 2 8 0 ， 连续级配， 表观密度 2 6 7 6 k g m。 ， 积密度 1 6 0 4 k g m ， 孔隙 率 4 0 。 粗集料： 德阳绵竹市高川生产的碎石， 粒径为 5 2 5 mm， 表观密度 2 6 7 6 k g m3 , 有机物含量检测合格， 碎石级配列于表 3 。 表 3碎石的级配 ( 4 ) 减水剂： 四川路加四通科技发展有限公司生产的v F 一 3型 聚羧酸高效减水剂， 含气量为 6 1 ， 固含量为 2 2 ， 减水率为2 7 。 2 试验 方法及 试验 方案 试验讨论了磷矿渣掺合料 1 0 ， 2 0 和 3 0 三个掺量和磷 矿渣掺合料 4 0 0 、 4 5 0 、 5 0 0 m2 k g三种细度对轨枕混凝土早期力 学性能的影响。 按设计配合比， 分别称量水泥、 砂 、 碎石、 减水剂 及拌和用水 ， 参照 G B 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验 方法标准 中描述的步骤搅拌与成型。 采用蒸汽养护方式， 过程 如下列连续的四个步骤： 静置 ， 在室温下( 在实际生产中， 保 证人模拌合物温度为 5 3 0) 静停 2 h ； 升温， 在 4 h内升温 至 6 0( 升温速率1 5 h ) ； 恒温， 在( 6 0 2 )的环境下 ， 恒温 2 h ； 自然降温至室温。 蒸汽养护后 ， 折模， 编号， 在标准养护 室内养护到设计龄期， 分别检测 8 h蒸养抗压强度， 3 、 7 、 2 8 、 5 6 d 抗压强度。 轨枕混凝土配合比列于表 4 。 表 4 轨枕混凝土配合比 3试验 结果及分析 图 2 ,- 4看出磷矿渣掺入降低了轨枕混凝土的早期强度。 与 基准轨枕混凝土相比， 掺磷矿渣轨枕混凝土脱模强度随磷矿渣比 表面积的增加而降低。 含 1 0 3 0 细度 4 0 0 m2 k g磷矿渣的轨 枕混凝土脱模强度为基准轨枕混凝土的 1 0 5 、 9 5 8 、 8 6 8 ； 含 1 0 3 0 细度 4 5 0 m2 k g 磷矿渣的轨枕混凝土脱模强度为基准 轨枕混凝土的 1 0 3 、 8 6 2 、 7 4 9 ； 含 1 0 - 3 0 细度 5 0 0 m2 k g 磷矿渣的轨枕混凝土脱模强度为基准轨枕混凝土的 9 1 6 、 8 2 5 、 7 3 4 。 含磷矿渣轨枕混凝土脱模强度略高于基准轨枕 混凝土的原因在于短暂龄期内( 8 h ) ， 磷矿渣火山灰反应程度不 完全 ， 部分磷矿渣在轨枕混凝土内部充当了微集料 ， 产生了矿 物掺合料的微集料效应， 使得强度高于纯水泥轨枕混凝土。 l O O 8O 60 置 o 20 o lU 2U jU 4U 5 U 6 U 龄期 f d 图 2 含不 同掺量 4 0 0 m2 k g磷矿渣的混凝土抗压强度 掺加 了磷矿渣的轨枕混凝土早期强度均随掺合料掺量 的 增加而下降， 且下降幅度较大。 原因在于磷矿渣替代水泥， 磷矿 渣中少量的 P 2 O 和 F与水泥水化析出的 C a ( O H) 反应 ， 生成 1 O O 8 0 萋6 0 器 4 0 2 0 0 龄期 ， d 图 3 含不同掺量 4 5 0 m2 k g磷矿渣的混凝土抗压 强度 1 0 0 8 O 60 器 4 0 2 0 O O 龄 期 d 图 4 含不同掺量 5 0 0 m 2 k g 磷矿渣的混凝土抗压强度 难溶的氟羟磷灰石河磷酸钙， 沉淀于水泥熟料表面生成保护膜 ， 阻止水泥水化 1 i 。 ， 图 5 7 看出随着养护龄期延长， 基准轨枕混凝土强度增长 平缓 ， 而磷矿渣轨枕混凝土强度的增长速度加快， 养护至 5 6 d 龄期时， 磷矿渣轨枕混凝土已经部分超过或接近基准轨枕混凝 85 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 O 6 O 龄期 d 图 5 含 1 0 掺量不 同细度磷矿渣的混凝土抗压强度 l 0 0 8 0 善6 0 毯 誉 o 20 O 龄期 d 图 6 含 2 0 掺量不 同细度磷矿渣的混凝 土抗压强度 龄期 d 图 7 含 3 0 掺量不同细度磷矿渣的混凝土抗压强度 土， 含 4 5 0 m2 k g磷矿渣 l 0 的轨枕混凝土 5 6 d龄期时达到 9 4 5 MP a 。 相同比表面积条件下， 含磷矿渣 3 0 的轨枕混凝土抗 压强度始终较低， 其原因在于细度较大的矿物掺合料与水泥水化 产物 C a ( O H) 的反应速率较快， 剩余大部分掺合料在基体内起 上接第 8 3页 砂取代率在 5 0 时后期膨胀率较小 ， 而且缓慢上升， 使内部结 构很紧密 ， 所以在废玻璃细骨料混凝土中， 废玻璃在细骨料中 适宜的砂取代率为 5 0 2 右。 ( 2 ) 以废玻璃全部取代河砂制备的细骨料混凝土试件 ， 其 7 d龄期的强度最高， 以后随着龄期的延长， 强度不断降低 ， 这 是由于 7 d龄期时， 水泥石中的毛细孔隙被碱一 硅反应生成的胶 体填充得较密实所致， 以后胶体会进一步膨胀导致水泥石开裂， 从而使混凝土强度降低。 ( 3 ) 在全部使用废玻璃作骨料的混凝土中， 添加适量的偏 高岭土超细粉作为掺合料， 可有效地抑制碱一 硅膨胀反应 ， 保证 混凝土后期强度显著增长。 参考文献 ： 【 1 】杨医博 ， 文梓芸 废玻璃在混凝土中的应用 J 】 工业建筑， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 7 ) ： 7 8 8 0 【 2 F E DE R I C O L M， C HI D I A C S E Wa s t e g l a s s a s a s u p p l e m e n t a r y e e me n t i t i o u s 1 1 1a t e r i a l i n c o n c r e t eC ri t i c a l r e v i e w o f t r e a t me n t m e t h o d s J C e me n t C o n e r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 9， 8 ( 3 1 ) ： 6 0 6 6 1 0 8 6 到填充效果并未进行火山灰反应生成次生 C S H凝胶。 4结论 ( 1 ) 从轨枕混凝土力学性能试验分析说明磷矿渣是一种较 好的矿物掺合料。 适当粒度的磷矿渣掺入水泥混凝土中可以对 抗压强度发展有所贡献。 ( 2 ) 随磷矿渣掺量的增加， 轨枕混凝土早期强度呈现逐渐 降低的规律 ； 随磷矿渣细度的增大 ， 轨枕混凝土的早期强度逐 渐降低 ， 但中后期强度随细度的增大呈现逐渐增加的趋势。 ( 3 ) 磷矿渣作为矿物掺合料对轨枕混凝土的早期水化均有 一 定程度的减缓 ， 直观反应在早期力学性能上， 建议适当增长 含磷矿渣轨枕混凝土的蒸养时间， 提高脱模强度。 参考文献 ： 1 】 杨家宽， 肖波， 王秀萍 黄磷渣资源化进展与前景【 J 1 矿产综合利用， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 3 7 4 1 【 2 2 刘冬梅 ， 方坤河 ， 吴凤燕 磷渣开发利用的研究f J 1 矿业快报 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 2 1 2 5 3 廖方四川德阳市西北部矿渣水土流失程度评价和防治措施l J 1 四川 地质学报， 2 0 0 1 ( 2 9 ) ： 1 9 1 1 9 7 4 14 刘世荣， 肖金凯 贵州黄磷渣的成分特征J 】 矿物学报， 1 9 9 7 ， 3 ( 1 7 ) ： 3 2 9 3 3 6 5 】陈秀铜， 李璐 磷矿渣作掺和料的碾压混凝土性能试验【 J J 武汉大学 学报： 工学版 ， 2 0 0 8 ， 4 ( 4 1 ) ： 5 6 5 8 6 】戈雪良， 曾力， 方坤河， 等磷渣粉对水工混凝土性能的影响f J 水力 发电学报 ， 2 0 0 8 ， 2 ( 2 7 ) ： 8 4 8 8 7 刘数华 ， 方坤河， 李小进 磷矿渣对碾压混凝土抗裂性能的影响I J 1 粉 煤灰综合利用 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 5 4 5 6 8 王朝， 黄有松 罗永会 高强混凝土轨枕中掺加粉煤灰的试验研究【 J 1 混凝土， 2 0 0 1 ( 9 ) ： 4 1 4 3 9 陈秀铜 ， 刘德富， 李璐 掺磷矿渣混凝土性能试验研究 水力发电学 报 ， 2 0 0 7， 6 ( 2 6 ) ： 5 7 6 0 I O P AN G， S U N W， D I N G D， e t a 1 E x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e m i c r o - a g - g r e g a t e e f f e c t i n h i g h- s t r e n g t h a n d s u p e r h i g h s t r e n g t h c e me n t i t i o u s c o m p o s i t e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 ( 2 8 ) ： 1 7 1 - 1 7 6 【 1 1 程麟， 盛广宏， 皮艳灵， 等 磷渣对硅酸盐水泥的缓凝机理【 J 1 硅酸盐 通报， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 4 0 4 4 作者简介： 赵国荣( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 在读研究生， 研究方向： 先进建筑材料。 联系地址： 上海市曹安公路4 8 0 0 号 同济大学嘉定校区( 2 1 0 8 0 4 ) 联系电话 ： 1 3 6 1 1 6 0 7 7 9 6 【 3 刘光焰， 秦荣 ， 王晓峰 废玻璃应用于混凝土的试验研究 昆 凝土， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 6 6 6 8 4 李玉寿， 荀勇， 陈国伟 废玻璃骨料混凝土的研究【 J 1 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 5 3 5 5 5 柯国军， 柏纪平， 谭大维废玻璃用于水泥混凝土的研究进展l J J 南华 大学学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 3 ) ： 9 6 1 0 2 6 6 B A RL O W D G l a s s r e c y c l i n g - t h e U K s c e n e C P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n l S y mp o s i u m o r g a n i s e d b y t h e Co n c r e t e Te c h n o l o g y Un i t a n d h e l d a t t h e Un i v e r s i t y o f Du n d e e， S c o t l a n d， UK， 2 0 0 1： 1 1 -1 4 【 7 】姜波， 樊云昌， 金树新 玻璃混凝土玻璃骨料混凝土【 J J _ 石家庄铁 道学院学报， 2 0 0 1 ， 1 4 ( 2 ) ： 5 0 5 4 8 曹征良， 李伟文， 陈玉伦 偏高岭土在混凝土中的应用l J 1 深圳 I大学学 报： 理工版 ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 2 ) ： 1 8 3 1 8 6 9 】 荀勇， 张勤 ， 李玉寿 玻璃混凝土及其织物增强薄板试验研究l J 1 土木 工程学报， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 1 0 ) ： 3 9 4 3 作者简介： 杨凤玲( 1 9 7 8 一 ) ， 女， 硕士， 讲师， 主要从事水泥混凝土材料 研究。 联系地址： 江苏省盐城市亭湖区迎宾大道9 号 盐城工学院江苏省生 态环境材料重点实验室( 2 2 4 0 5 1 ) 联系电话： 1 3 9 6 1 9 7 3 6 9 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m