磷渣微粉对再生混凝土性能的影响研究.pdf

2 0 1 1 年 第 6 期 (总 第2 6 0 期) Nu mb e r6i n 2 0 l 1 ( To t a I No2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL 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 6 0 2 8 磷渣微粉对再生混凝土性能的影响研究 王俊 杰，王海龙 ( 浙江大学 建筑工程学院结构工程 研究所 ，浙江 杭州 3 1 0 0 5 8 ) 摘要 ： 为了提升再生骨料混凝土的工作性能 、 探讨 工业废渣的有效利用 ， 采用磷渣微粉取代部分水泥配置再生混凝土 ， 并试验测试了 不同混凝 土的强度 、 变形曲线 和氯离子渗透系数 分析 了磷渣微粉对再生混凝 土及其 内部砂浆和界面力学性能 以及耐久性能的影 响。 再生 混凝土的试验研究结果表明： 与普通混凝 土相比， 由于磷渣的缓凝作用使得磷渣混凝土早期强度有所下降 ， 变形略大 ， 但是 9 0d时 由于磷 渣微粉 的火山灰效应使得不 同再生骨料掺和率的再生混凝土强度和耐久性都有很大 的提高。 磷渣微粉对水泥砂浆的物理力学性能提升很 大 ， 磷 渣砂浆的有效氯离子扩散系数仅为普通砂浆 的 l 5 。 同时 ， 再生 混凝土新界面的抗拉强度试验结果也表明 ： 磷渣微粉 能够增强界面的 黏聚力 。 此外 ， 还根据再生与普通混凝 土界面 的 S E M 形貌和能谱 图， 分析 了磷渣改性再生混凝土的细微观机理 ， 研究结果表 明磷渣微粉能 够有效改善再生混凝土内孔隙结构和排列 ， 消耗氢氧化钙 ， 生成 C S H凝胶 和钙矾石 ， 提高材料密实性 和强度 。 关键词 ： 再生混凝土；磷渣 ；力学性能 ；氯离子扩散系数 ；界面 ；细微 观机理 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 1 ) 0 6 0 0 9 0 0 4 I n flue nc e s of pho s phor ou s sl a g a s c e me nt r e pl a c eme nt on t he p er f o r m a nc e s o f r e c y c l e d a ggr e ga t e c onc r e t e WA NGJ u n -j i e ， WA NGHa l l o n g ( S t r u c t u r eE n g i n e e ri n gI n s t i tut e C o l l e g eo f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d Ar c h i t e c tu r e ， Z h e j i a n gU n i v e r s i t y， H a n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T oi mp r o v e t h e p e rf o r ma n c e o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e( RA C) an d ma k ea n e ff e c t i v e u s e o f i n d u s t ri a l wa s t e s u p e r f i n e p h o s p h o r o u s s l a g ( P HS)we r e a d o p t e d a s c e me n t r e p l a c e me n t i n t h i s s tud y t o mo d i f y t h e RAC T he i n fl u e n c e s o f PHS o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d d u r a b i l i t y o f R AC， mo rt a r a n d i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ( I T Z) w e r e d i s c u s s e d b a s e d o n t h e t e s t r e s u l t s o f c o n c r e t e s t r e n g t h s ， s t r e s s s t r a i n c u r v e a n d c hlo rid e d i ff us i o n c o e ffi c i e n t Th e e x p e rime n t a l r e s ul t s s h o we d tha t t h e PHS d e c r e a s e d t h e e a r l y s t r e n g t h a n d i n c r e a s e d t h e d e f o rm a t i o n o f s la g R AC d u e t o i t s r e t a r d i n g e ffe c t Ho we v e r ， i t i mp r o v e d t h e s t r e n g t h a n d d u r a b i l i t y o fRAC a t 9 0 d a y s d u e t o t he p o z z o l a n i c a c t ivi ty o f PHSTh e P HS e n ha n c e d t h e p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f m o r t a r ， a n d t h e e f f e c t i v e c h l o rid e d i ffu s i o n c o e ffi c i e n t o f m o rtar c o n t a i n i n g P HS wa s o n l y 1 5 o f t h e o r d i na r y mo rta r Me anwhi l e， t he t e n s i l e s tre n g t h o f I TZ i n RAC a l s o i l l u s t r a t e d t h a t t h e P HS ma d e a gre a t c o n t ri b u t i o n t o t h e a d h e s i ve f o r c e o f TZ I n a d di t i o n， t h ei mp r o v i n gmi e r o me c h a n i s m o fRACb yP HSwa si n v e s t i g a t e db ye n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o me t r y( EDX)a n d s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e ( S E M) T h e mi c r o s t r u c t u r e a n d t h e c o mp o s i t e a n a l y s e s s h o w e d t h a t t h e P HS C an mo d i fy t h e s t r u c t u r e a n d t h e a r r a n g e me n t o f p o r e s i n c o n c r e t e b y c o n s u mi n g the c a l c i u m h y d r o x i d e Th e g e n e r a t i o n o f C S H g e l a n d e t tr i n g i t e e nh a n c e d t h e d e n s i t y a n d s t r e n gth o f R AC Ke y wor ds ： r e c y c l e d a g gre g a t e c o n c r e t e ； p h o s p h o r o u s s l a g； me c h ani c a l p r o p e r t i e s ； c h l o rid e d i ffu s i o n c o e ffic i e n t ； I TZ； mi c r o me c h a n i s m 0 引 言 2 0 0 8 年 5月 1 2日， 汶川“ 5 1 2 ” 地震 ， 2 0 1 0年 4月 1 4 F t ， 青海省玉树地震 ， 强震猝然来袭 ， 山河易位 ， 天地失色。 大部分房 屋建筑被毁， 由此产生遍地的建筑垃圾 ， 这些废弃混凝土如何 处理亟待解决。 现阶段 ， 建筑垃圾的数量已占到我国城市垃圾总 量的 3 0 - 4 0 ， 而且绝大部分建筑垃圾未经任何处理， 就被填 埋或者露天堆放 ， 造成了严重的环境污染f 1 。 其中废弃混凝土是 建筑垃圾中最重要的组成部分， 2 0 0 3 年我国废弃混凝土总量已 达 1 8 亿 。 目前 ， 我国房地产业欣欣向荣， 混凝土生产需要大量 砂石骨料 ， 随着 天然砂石的不断开采 ， 天然骨料资源逐渐减少 。 因此生产再 生混凝土 ， 进行废物 回收再 利用是必然 的选择。 再 生骨料混凝土简称再生混凝土( R A c) ， 是废弃混凝土经过破碎 、 清洗与分级后形成再生骨料 ， 再生骨料部分或全部取代砂石等 天然骨料配制而成的混凝土3 J 。 废弃混凝土的再生利用既可解 决废弃混凝土的处理( 堆放 ) 问题， 又可节约有限的天然资源 ， 其社会 、 经济 与环境效益不言而喻 。 磷渣( P H S ) 是电炉法生产黄磷时所产生的一种工业废渣 ， 近年来， 随着我国黄磷生产工业的迅速发展， 磷渣的排放量也 随之增多。 2 0 0 2 年中国的黄磷实际产量约 6 9 万 t ， 磷渣排放量约 为 5 6 0 7 0 0万 t ， 其中仅云南省的磷渣排放量就达 3 0 0万 t 。 我 国多数黄磷生产企业都是将磷渣堆积闲置， 仅有少部分被用于 建筑材料如水泥以及农业中f5 _ 。 如将磷渣掺入混凝土中取代部 分水泥， 会产生 良好的经济与环境效益。 研究表明磷渣可与水 泥熟料水化产生 的氢氧化钙进行二次水化 ， 但 是磷 渣本身水化 比熟料慢， 因而磷渣对水泥水化有缓凝作用， 使磷渣混凝土早 期强度有所下降旧 ， 可以通过控制磷渣掺量 ， 增大磷渣比表面积 或者掺加激发剂等来解决。 由于磷渣可以吸附高效减水剂分子， 收稿 日期：2 O l O t 2 _ o 6 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 0 9 0 6 1 ) ； 浙江省 自然科学基金项 目( Y1 0 7 3 8 9 ) 9 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 形成双电层 ， 更有利于磷渣微粉的均匀分散 ， 因此本试验添加 高效减水剂以避免磷渣聚团影 响混凝土性能。 通过掺加 比表面 积3 5 0 0 c mz g的磷渣超微粉取代水泥质量的 2 0 来配制再 生混凝土 ， 试验研究 了磷渣微粉对再生混凝土及其 内部砂浆和 界面力学性 能及耐久性能的提升 ， 探讨磷渣改性再生混凝土 的 细微观机理 。 1 试 验设 计 1 1 试 验原材 料 ( 1 ) 水泥 ： 钱潮牌 P O4 2 5级水泥 。 ( 2 ) 天然粗骨料 ： 5 2 0 l n m粒径的连续级配碎石 。 ( 3 ) 天然细骨料 ： 河砂 ， 细度模数 2 8 0 。 ( 4 ) 再 生粗骨料 ： 再生骨料 为取 芯法测得原 始强度为 C 3 0 的废弃路面混凝 土块经人工敲碎后由鄂式破碎机破碎而成 ， 最 大粒径 2 0 mm， 破碎后的骨料过 5 mm的石筛， 并经水冲洗。 ( 5 ) 粒化 电炉磷渣微粉 ： 贵州瓮福 黄磷 有限公司磷渣超 微 粉 。 技术指标为 ： 比表面积 3 5 0 0 c m g ； 烧失量 3 0 ： 需水比 9 8 O ； 含水率 1 O ； P 2 0 5 含量 3 5 ； S O 3 含量 4 O ； 磷渣 质量系数 K值 1 1 0 ， K ： ( C a 0 + Mg o+ A 1 2 O3 ) ( S i O 2 + P 2 O 5 ) = 1 3 9 。 ( 6 ) 萘系 F D N高效减水剂 掺量为胶凝材料的 1 5 。 ( 7 ) 拌和水： 饮用自来水。 1 2 试件 制作 与试 验 方法 再生 混凝土组分 中， 磷渣微粉取代 水泥 质量的 2 0 ， 同时 添加萘系 F D N减水剂， 按再生骨料掺加率 的 2 5 、 5 0 、 1 0 0 分 别记 为 P 1 、 P 2、 P 3组 。 A组为普通混凝土 ， 作为参照组。 单掺磷 渣或磷渣掺量达到 2 0 或 以上时 ， 拆模缓 1 - 2 d ， 否则可能造成 试件或结构的破坏。 各组混凝土的配合 比如表 1 所示。 试验分别 测试再生混凝土的应力应变关系曲线及立方体抗压强度。 表 1 再 生混凝土及砂浆配合 比 k g m 注 ： J 1 、 J 2的配合 比为其砂浆部分的配合 比， 故同 s 1 、 s 2相同 ， 是按混凝土内砂浆 的各个组分的比例取代粗骨料部分计算丽成 为了进一步研究磷渣对水泥水化的影响， 并为深入研究和模 拟提供依据， 按照再生混凝土中砂浆的组分， 浇筑磷渣砂浆试件 1 组( 记为s 2 ) 、 普通砂浆 l 组( 记为s 1 ) 以作比较。 为了研究磷渣 微粉对再生? 昆 凝 土新 界面的影 响 ， 建立界 面模 型 ： 儿 组用普通 砂浆和母混凝土( 即再生骨料的源混凝土) 连接， 模拟未添加磷 渣微粉的再生混凝土 的界面 ； J 2组用掺加磷渣的砂浆 和母混凝 土连接 ， 模拟添加磷渣微粉 的再生混凝土的界面。 用模 型界 面的 劈拉强度来反映界面 的抗拉强 度也 即再生混凝土 中新砂浆 和 再生骨料的连接强度。 为了判断磷渣取代部分水泥后的水化产物并分析磷渣改 性再生混凝土的细微观机理， 采用场发射扫描电子显微镜观察 再生混凝土新界面附近的结构及能谱图。 2 试验结果与讨论 2 1 应 力应 变关 系曲线及 抗压 强度 2 8 d龄期 的再 生混凝土应 力一 应变关 系曲线 如图 l 所示 ， 由此图可得： 与普通混凝土相比， 再生混凝土破坏时的变形稍大。 主要原因是由于磷渣大部分为玻璃态， 能够有效缓解骨料之间 的摩擦以及应力集中， 同时由于再生骨料本身弹性模量一般比 天然骨料低 ， 因此再生混凝土对抗震 和消耗 能量有利 ， 相 比普 通混凝土有较好 的塑性 ， 在破坏前具有较好 的可预见性 。 由其极限荷载求得 2 8 d轴心抗压强度如图 2所示 。 由此可 见： 再生骨料的添加率对其力学性能有着较大的影响。 随着再 生骨料掺加率的增加， 再生混凝土强度逐步下降， 普通混凝土 A组强度最高 ， P 1 组稍微低一些 ， P 2 、 P 3逐级下 降。 试验测得的各组 2 8 、 9 0 d 龄期混凝土立方体抗压强度如图 3 所示。 由此罔可以看出 ： 由于磷 渣的缓凝作用 ， 需要较长时间才 3O 25 20 三I 5 1 0 5 0 30 日 25 2o 璧 1 5 1 0 痹 5 O 45 4O 35 皇 0 25 鼎 2 0 羹 1 5 1 0 5 0 500 1 000 1 5 00 2 000 应变 1 0 图 1 应力一 应变关系曲线 A Pl P2 P3 图 2 2 8 d轴心抗压强度 33 1 9 4 9 广 _ 1 嚣 I 旦 ! Q 1 30 5 6 l 2 5 1 1 r _ A Pl P2 P3 图 3 立方体抗压强度 91 川 冈 鼬 _=_ _ _ 一 网 习 翊 搿 鞠 列 强 捌 潮 强 嘲 - 1 阂 一 网 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 5 9 0 d普通混凝土界面 S E M 形貌 圈 6 9 0 d 再生混凝土界面 S E M 形貌 keV 图 7 谱 图 1 一 普通 混凝土界面附近 能谱图 0 2 4 6 l U l 2 l 4 l 6 I 8 keV 图 8 谱 图 2 一 再生混凝土界面附近能谱图 表 4是图 7 、 8 谱罔叶 】 元素的量化分析结果 ， 从两组数据的比 较可以看出： 谱网 1中 s i 元素和 c a 元素的含量分别为 】 2 7 1 和 2 9 5 8 ， 而游陶 2中 s i 元素和 C a 元素的含量分别减少为 I 1 4 5 和 2 3 0 2 ， S i 元素和 C a 元素所占密度的降低说明 C a元素含 量高的 C a ( O H) 及 S i 元素含量高的 S i O 被转化成了 c s H 凝胶 ( C a ( OH) ： + S i O + H 0一C S H) ， 即再 生混凝 土 中虽 有磷 渣掺入， 但其主要水化产物仍为 C S H凝胶， 但是与普通混凝 土相 比磷渣混凝土 中的 C S H凝胶较多 密实度较好。 同时发 现谱图 2巾的 S元 素 嚣为 1 6 4 ， 然而谱图 1 中没有 S元素 显示 ， 这是 于磷渣微粉 的掺人带入了 S O ， 从而形 成少量钙矾 石 ， 增强再生混凝土的密实性和强度。 表 4谱图 1 、 2中元素定量分析 3结论 与 讨 论 ( I ) 再生混凝土的力学性能及抗氯离子侵入性能随着再生 粗骨料掺合率的增加而降低， 当掺合率较小时( 2 5 ) 对混凝土 无明显不利影响， 故工程应用中再生骨料掺合率宜严格控制。 而且值得注意的是， 再生混凝 土骨料的来源及性质要严格把关 ， 原 始混凝土的强度 、 性状以及再生骨料 的处理过程都决定着再 生 骨料的性质。 ( 2 ) 掺 有磷渣的再生混凝土 2 8 d轴心抗 压强度及 立方体抗 压强度一般 低于普通混凝 土 ， 但 9 0 d强度提高较大 ， 而普 通混 凝土增长很小。 当再生粗骨料掺合率较小时( 2 5 ) ， 掺有微粉的 冉生混凝土强度高于普通混凝土。 从再生混凝土试件的变形曲 线来看， 在满足强度要求的前提下， 可采用再生混凝土结构 ， 以 磷渣作 为掺合料 ， 有利于抗震 ( 3 ) 比表 面积较大的磷渣微粉 与高效 减水剂一起使用 ， 更 加有利于二 次水化反应的进行 ， 使得 生混凝土材料结构有所 改善， 水泥砂浆强度以及砂浆与骨料之问的连接强度有所提高。 ( 4 ) 掺有磷渣微粉的再生混凝土在 9 0 d时的非稳态表观氯 离子扩散系数一般低于普通混凝土， 而掺有磷渣微粉砂浆的稳 态有效氯离子扩散系数只有普通砂浆的 1 5 ， 说明磷渣微粉可有 效改善再生混凝土内部的孔隙结构 ， 提高抗渗性 。 ( 5 ) 混凝土界面的 S E M 形貌及 E D X分析结果也表明磷渣微 粉可有效改善再生混凝土内砂浆以及界面的细微观结构 ， 细化并填 充孑 L 隙。 c a 、 s i 及 s元素所占密度的分析表明磷渣微粉可有效减 少氧氧化钙， 生成c s _ H凝胶及钙矾石， 提高强度和界面黏聚力。 参考文献： f 1 】王武 芏， 刘立 再生混凝土集料 的研究 J 1 混凝土 与水泥制品 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 9 - 1 2 2 1罗蓉 再生水泥混凝土研究综述I J J l 中外公路 ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 8 3 8 6 3 T O P C U I U s i n g w a s t c o n c r e t e c e m e n t a n d e o n e r e l e r e s e a r e h l J J o u ma o f Ma t e fi a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 3 8 5 1 3 9 0 【 4 】 聂佳林 ， 王佩林黄磷生产及消费分析l J 】 l现代化工， 2 0 0 1 ( 2 1 ) ： 4 8 5 2 I 5 】陈立豪 黄磷炉渣的综合利用途径 J 】 贵州化工， 1 9 9 9 ( 4 ) ： 7 - 8 1 6 】李昕成 ， 刘勇， 葛婷 磷渣用于混凝土工程的研究与应用l J Il 云南建 材 ， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 2 2 2 5 f 7 】S H I Y u n x i n g ， MA T S U 1 I ， F E N G N a i q i a n E ff e e t o f c o mp o u n d m i n e r - a l p o w d e r s 0 w o r k a b i l i t y a n d t h e o l o g i c a l p r o p e r t y o f H P C J C e me n t a n d C o n e r c l e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 ) ： 7 1 7 8 f 8 】J S C E G 5 7 1 -2 0 0 3， T e s t m e t h o d f o r e f f e c t i v e d i f f o s i o n c o e f fi c i e n t o f c h l o r i d e i o n i n c ( i n c r e t e b y m i g r a t i o n S J S C E s t a n d a r d s J a p a n 作 者简介 联 系地址 联 系电话 王俊杰( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 硕士 ， 研究方 向： 混凝土耐久性 ， 再 生 混凝土。 浙江大学紫金港校区紫云 2 - 2 2 0 ( 3 1 o o 5 8 ) l 3 9 5 7I 3 6 6 40 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m