磷渣-石灰石复合掺合料对机制砂混凝土性能的影响.pdf

文 章编 号 ：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 5 ) 0 卜o 0 1 4 0 4 固废 利用 磷渣一 石灰石复合掺合料对机制砂混凝土性能的影响 E f f e c t o f P h o s p h o r u s S l a g - L i m e S t o n e C o m p o u n d A d m i x t u r e o n t h e P e r f o r m a n c e o f M a c h i n e - M a d e S a n d C o n c r e t e 陈景，刘永道 ，徐芬莲 ，王业江 ( 中建商品混凝土成都有限公司 ，四川 成都6 1 0 0 5 2 ) 摘要：研究了磷渣与石灰石复合比例和复合掺合料取代粉煤灰的质量比对 C 3 0和 C5 0机制砂混凝土工作性能和抗 压强度的影响。结果表明：磷渣与石灰石复合取代粉煤灰可改善机制砂混凝土的工作性能，降低混凝土坍 落度经时损失；复合掺合料部分或完全取代粉煤灰，不同强度等级机制砂混凝土早期抗压强度均与基准混 凝土相当，甚至略高于基准混凝土；取代 5 0 粉煤灰，且复合掺合料中磷渣掺量为 6 0 ，各强度等级的复合 掺 合料 混凝土后 期抗 压强度 均高 于基 准混凝 土 ，但 随粉煤 灰取代 量增 大 ，复合粉 中石 灰石粉掺 量增 加 ，机 制砂混 凝土的抗 压 强度呈降低 趋 势。 关键词：磷渣；石灰石粉；机制砂 ；工作性能；抗压强度 中图 分 类 号 ：T Q1 7 7 3 + 9 T U 5 2 8 5 6 文献 标 志 码 ：A 0 前 言 粉煤灰、矿渣、硅灰等传统掺合料因在改善混凝土 工作性、力学性能及耐久性方面具有显著作用，已成为 高性能混凝土生产和应用不可缺少的组分之一 。然而， 受国家对火力发电厂和冶金行业的宏观调控以及现有矿 物掺合料生产水平等的制约，优质粉煤灰及矿粉等掺合 料地区性供应日趋紧张， 难以满足混凝土生产需求。因此， 急需寻求其他可替代的矿物掺合料。 磷渣是黄磷业的主要废弃物，每生产 1 t 黄磷需排出 8 1 0 t废渣。研究表明， 磷渣主要成分为硅酸盐玻璃体， 具有较高的潜在水化活性，早期主要用作水泥混合材和 矿化剂 3 - 4 。随着掺合料技术的发展，许多学者发现磷渣 粉用作混凝土掺合料 可降低水化热、提高后期强度和耐 久性 。 然而， 磷渣中的缓凝组分及其活性波动大的问题 ， 限制了其作为掺合料的工程应用，一般用于配制底板或 水工混凝土 6 1 。 目前处理石灰石粉的方法主要是用作水泥混合材 _7 J 。 但是这种方法对水泥、混凝土的性能改善不明显， 而且 其掺量低，技术与经济效益非常有限。然而，如将其直 接用作混凝土矿物掺合料且掺量较大时，不仅会降低混 基金项目：中建股份科技资助 ( C S C E C 一 2 0 1 3 0 4) 1 4 COALAsH 1 20 15 凝土的强度等级，还会加速水泥的水化反应，导致混凝 土工作性损失加快，不利于预拌混凝土质量控制 8 1 。 因此，结合磷渣粉与石灰石粉用作混凝土掺合料的 特性，本文采用复合粉磨的方式制备磷渣 一石灰石复合 掺合料， 研究磷渣与石灰石粉复合比例及复合粉取代粉 煤灰量对不同强度等级机制砂混凝土的工作性和力学性 能的影响，不仅可将磷渣和石灰石粉变废为宝，缓解粉 煤灰等掺合料供应紧张的问题，还可为磷渣 一石灰石复 合掺合料在混凝土中的应用提供科学依据。 l 原材料及试验 1 1 主要原材料 P 0 4 2 5 R水泥，基本性能见表 1 ；I 级粉煤灰 ，密 度 2 4 9 g e ra 。 ，细 度 6 1 ， 烧 失 量 2 1 ，需 水 量 比 9 2 ；什邡磷渣，密度 2 7 3 g c m ，烧失量 1 2 6 ，S i O ， 含量 4 0 ，C a O含量 4 5 ；石灰石，密度 2 7 1 g c m ， C a C O 含量 8 5 ，烧失量4 3 0 ；成都当地产机制砂，细 度模数 2 9 ，石粉含量约 9 8 ；成都当地产卵碎石，连续 级配，最大粒径 3 1 5 m m，压碎值 8 0 ；公司自产聚羧 酸高性能减水剂，固含量 1 0 5 ，减水率 2 5 。 表 1 水泥基本性能 1 2 试验方法 1 2 1 磷渣 一石灰石复合掺合料制备 将不同复合比例的干燥磷渣和石灰石复合后置于球 磨机中粉磨至比表面积 6 0 0 0 c m g左右，得到磷渣 一石 灰石复合掺合料。 1 2 2 混凝土性能测试 C 3 0 、C 5 0强度等级的基准混凝土配合比见表 2 。将 不同复合比例的磷渣 一石灰石复合掺合料 ( 磷渣粉掺量 0 、4 0 、6 0 、1 0 0 ) 等质量取代粉煤灰 ( 取代量为 0 、 3 0 、5 0 、1 0 0 ) ，测试各组复合粉混凝土初始工作性 能和 1 5 h工作性能。混凝土工作性能具体测试方法按照 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试验方法 执行；抗压强度试件尺寸为边长 1 0 0 c m 的立方体试块， 具体测试方法按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学 性能试验方法执行。 表 2 C 3 0 、C 5 0 基准混凝土配合比 k g m 2 试验结果分析与讨论 2 1 磷渣 一石灰石复合掺合料对 C 3 0 混凝土工作性 能的影响 根据确定的基准配合比，将不同复合比例的磷渣 一 石灰石复合掺合料按 3 0 、5 0 及 1 0 0 等质量取代粉 煤灰掺入机制砂混凝土。新拌混凝土坍落度及 1 5 h坍落 度见图 1 。从图 1( a )中可以看出，随着复合粉中磷渣 掺量提高，混凝土的初始坍落度呈降低趋势，且这种降 低趋势随着复合粉取代粉煤灰掺量的增加而增大。当复 合 粉 中磷渣 掺量超过 6 0 ，复合粉 取代粉煤 灰量超过 5 0 时，混凝土初始坍落度降低尤为明显。这与已有研 究成果存在较大差异 【9 。虽然磷渣粉颗粒属玻璃体结构， 表面不吸水，可填充水泥颗粒间隙，释放多余的水，但 其玻璃体结构多为无规则多边形形貌，其润滑效果明显 低于粉煤灰球状玻璃体，当其大量取代粉煤灰后，混凝 土工作性降低。 复合掺合料掺量 ( a) 初始坍落度 复合掺合料掺彰 ( b )1 5 h 坍落度 图 1 复合掺合料对C 3 0 机制砂混凝土工作性的影响 与混凝土初始工作性不同的是，随着复合粉中磷渣 掺量提高，石粉掺量的降低，复合掺合料混凝土 1 5 h坍 落度损失明显减小。当复合粉中磷渣粉掺量为 6 0 以上 时，不同粉煤灰取代量的复合掺合料混凝土 1 5 h坍落度 均在 2 0 0 m m以上，高于不掺复合掺合料的混凝土。分析 其原因主要包括以下两个方面：一方面，与磷渣粉相比， 石灰石粉表面光滑、颗粒更细， 填充效果优于磷渣粉， 当提高复合粉中石灰石粉的掺量时可获得更好的初始工 作性能；另一方面，石灰石粉与 c A反应，并为水化产 物提供晶核，从而加速水泥水化，增大混凝土工作性损 失 。然而，掺人磷渣粉后，其 F和 P等缓凝组分延缓 了水泥的水化，一定程度上降低了混凝土的坍落度损失。 当复合粉中磷渣粉掺量为 6 0 以上时，磷渣粉的缓凝效 果占据主导，混凝土坍落度损失明显降低。 2 2 磷渣 一石灰石复合掺合料对 C 3 0混凝土抗压 强度的影响 不同复合比例的磷渣 一石灰石复合掺合料按 3 0 、 5 0 及 1 0 0 等质量取代粉煤灰掺人机制砂混凝土中， 1 2 0 1 5 粉 煤灰 1 5 其 7 d 、 2 8 d 抗压强度如图 2所示。可知，复合粉中磷渣 比例控制在 6 0 以内时，不同复合比例的磷渣 一石灰石 粉部分或完全取代粉煤灰，复合掺合料混凝土 7 d抗压强 度变化并无明显规律，均与不掺复合掺合料混凝土的抗 压强度相当，但随着复合粉中磷渣掺量进一步提高至 1 0 0 时，其混凝土7 d 抗压强度呈略降趋势。 ( a) 7 d抗压强度 【 h) 2 8 d 抗 压 强度 图 2 复合掺合料对C 3 0 机制砂混凝土抗压强度的影响 然而，随着养护龄期延长，不同复合比例的磷渣 一 石灰石复 合粉对混凝土抗压强度影响显著。复合掺合料 中磷渣掺量控制在 6 0 以上，此时复合粉混凝土 2 8 d 抗 压强度均高于不掺复合粉掺合料混凝土，并且当复合粉 5 0 取代粉煤灰时，混凝土抗压强度达到最高值 4 2 8 M P a 。然而，复合掺合料中磷渣掺量低于 4 0 时，随着 复合掺合料取代粉煤灰量增大，混凝土 2 8 d抗压强度呈 下降趋势，且当复合掺合料取代粉煤灰超过 5 0 以后， 其抗压强度降低尤为明显。 2 3 磷渣 一石灰石复合掺合料对 C 5 0混凝土工作性 能的影响 根据确定的 C 5 0基准配合比，将不同复合比例的磷 渣 一石灰石复合掺合料按 5 0 及 1 0 0 等质量取代粉煤 1 6 COALASH 1 201 5 灰掺人机制砂混凝土，新拌混凝土坍落度与扩展度 ( T K) 及 1 5 h坍落度与扩展度见表 3 。可以看出，不同 复合比例的磷渣一石灰石复合掺合料部分或全部取代粉 煤灰后，其坍落度与不含复合掺合料的基准混凝土相当， 均在 2 3 0 2 4 0 m m之间，但扩展度略差，说明磷渣粉物理 减水效果要低于粉煤灰。其原因在于，C 5 0混凝土中胶凝 材料含量高，其胶凝材料总量为 4 5 0 k g m ， ，使混凝土具 备较好的流动性，然而当引入磷渣粉替代粉煤灰后，其 颗粒润滑效果略低于粉煤灰，所以表现为扩展度降低。 从 1 5 h 混凝土经时损失来看，掺磷渣粉的混凝土损失要 小于基准混凝土，特别是石灰石粉混凝土，说明磷渣与 石灰石粉复合后可弥补单掺石粉带来的促凝问题，降低 混凝土的经时损失。 表3磷渣一 石灰石复 合粉 取代粉 煤灰量 对c 5 0 混 凝土工 作性能的 影响 磷渣与石灰 o 5 0 1 0 0 石复合比例 T K ra m 1 5 h T K m m T K m m 1 5 h T K m m T K ra m 1 5 h T K m r n 2 4 磷渣 一石灰石复合掺合料对 C 5 0混凝土抗压强 度的影响 不同复合比例的磷渣 一石灰石复合掺合料按 5 0 及 1 0 0 等质量取代粉煤灰掺入机制砂混凝土中，其 7 d 、 2 8 d抗压强度见图 3 。与图 2( a )中的 C 3 0混凝土试验 结果显著不同的是，不同复合比例的磷渣 一石灰石粉掺 合料等质量取代 5 0 粉煤灰时，其 7 d抗压强度明显高 于不含磷渣 一石灰石粉掺合料的基准混凝土，且随着磷 渣 一石灰石粉掺合料取代粉煤灰量的提高，甚至完全取 代粉煤灰时，其 7 d抗压强度亦与基准混凝土相当。当复 合粉中磷渣粉掺量控制在 6 0 左右时，不同粉煤灰取代 量的磷渣 一石灰石复合粉的混凝土早期抗压强度均略高 于其他配合比混凝土的抗压强度。分析其原因可能包括 两个方面：一方面，随着混凝土强度等级提高，胶凝材 料总量及水泥用量相应增加，在早龄期水泥水化占据主 导作用，因此表现为不同复合比例的磷渣 一石灰石掺合 料部分或完全取代粉煤灰后混凝土抗压强度不低于不含 复合粉的基准混凝土；另一方面，磷渣 一石灰石复合粉 在早期主要为 “微集料 ”填充作用，但复合粉中磷渣粉 具有较高的火山灰活性， 早期可能参与水化反应，进而 提高混凝土的抗压强度。 复合掺合料掺量 ( a) 7 d 抗压强度 U 珊4 0 b o l W 复合掺合料掺量 ( b)2 8 d 抗压强度 图 3 复合掺合料对C 5 0 机制砂混凝土抗压强度的影响 与图 2( b )中的试验结果相似，随着养护龄期延长， 复合掺合料中磷渣掺量为 6 0 左右时，部分或完全取代 粉煤灰的磷渣 一石灰石复合粉混凝土 2 8 d抗压强度均高 于不掺复合粉掺合料混凝土，并且当复合粉 5 0 取代粉 煤灰时，混凝土抗压强度达到最高值 6 9 1 M P a 。当复合 掺合料中磷渣掺量低于4 0 或者高于 6 0 时，随着复合 掺合料取代粉煤灰量增大，复合掺合料混凝土 2 8 d抗压 强度与不含复合粉的基准混凝土相当，但当复合掺合料 取代粉煤灰超过 5 0 以后，其抗压强度降低极为明显。 说明在强度等级为 C 5 0的混凝土中磷渣 一石灰复合粉取 代粉煤灰量宜控制在 5 0 以内， 且复合粉中磷渣粉与石 灰石粉比例宜为 6 ： 4 。 3 结 论 ( 1 ) 磷渣粉单独部分或完全取代粉煤灰均会降低 C 3 0和 C 5 0机制砂混凝土的初始工作性能，但与石灰石 粉复合后可不同程度改善机制砂混凝土的工作性能，降 低坍落度经时损失。 ( 2 ) 磷渣 一石灰石复合粉可用作矿物掺合料取代粉 煤灰配制出不同强度等级的机制砂混凝土。但为获得工 作性较好且抗压强度高的复合掺合料混凝土，其磷渣 一 石灰复合粉取代粉煤灰量宜控制在 5 0 以内，且复合粉 中磷渣粉与石灰石粉比例宜为6： 4 。 ( 3 )C 3 0和 C 5 0复合粉机制砂混凝土早期抗压强度 发展规律不同。在 C 3 0 机制砂混凝土中， 复合掺合料部分 或完全取代粉煤灰，复合粉机制砂混凝土早期抗压强度 均与基准混凝土相当；在 C 5 0机制砂混凝土中，复合掺 合料取代 5 0 粉煤灰，其混凝土抗压强度均高于基准混 凝土，进一步增大粉煤灰的取代量，其抗压强度与基准 相当。 ( 4 )C 3 0与 C 5 0复合粉机制砂混凝土后期强度发展 规律类似，其抗压强度均随磷渣 一石灰石复合粉中石灰 石粉掺量提高而显著降低。 参考文献 1 冯乃谦 高性一 M】 北京： 中国建材工业出版社， 1 9 9 2 ， 1 41 1 4 8 2 】吴敏， 施惠生 矿物掺合料对混凝土性能的影响 J 新型建筑材料， 2 0 0 7 ， ( 5 ) ： 1 0 - 1 3 3 1 冷发光， 冯乃谦 磷渣综合利用的研究与应用现状 J 】 _ 中国建材科技， 1 9 9 9 ， ( 3 ) ： 6 1 0 4 】 L I D X， S HE N J L ， C H E N L T h e i n fl u e n c e o f f a s t - s e t t i n g e a r l y - s t r e n g t h a g e n t o n h i g h p h o s p h o r o u s s l a g c o n t e n t c e me n t J 】C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h ，2 0 0 1 ， 3 1 ：1 9 - 24 【 5 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， I 9 9 8 ， l 4 ( 3 ) ： 5 9 6 1 【 6 】戈雪良， 曾力， 方坤河， 等 磷渣粉对水工混凝土性能的影响 J 】 l 水力 发 电学报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 ) ： 8 4 8 8 【 7 冯桂云， 曹双梅 石灰石粉在水泥中的应用性能研究 混凝土， 2 0 1 2 ， ( 4 ) ： 5 6 - 7 0 8 1刘数华， 阎培渝 石灰石粉在复合胶凝材料水化中的作用机理 J 】 l 水 泥工程， 2 0 0 8( 6 ) ： 6 - 8 【 9 蒋正武， 徐海源， 王君菊 磷渣粉对机制砂混凝土性能影响研究【 J l 粉煤灰综合利用， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 1 0 1 9 作者简介：陈景， 男， ( 1 9 8 O 一)， 工程师， 研究方向：预拌混凝土生产及 应用技术 。通信地址：成都市高新 区府城大道3 9 9 号天府新谷6 号楼8 楼 技术质量部 ( 6 1 0 0 0 0 )E - ma i l ：j i s h u z x 2 0 1 3 1 6 3 c o rn。 收稿 日期： 2 0 1 4年 8月 1日 1 2 0 1 5 粉煤 灰 1 7 回 卯 口 暖出 p 8