掺磷渣粉与粉煤灰碾压混凝土性能研究.pdf

2 0 1 0 年 第 6 期 (总 第 2 4 8 期) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 0 ( T 0 t a l No 2 4 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CI E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 6 0 2 3 掺磷渣粉与粉煤灰碾压混凝土性能研究 张建峰 ，杨 华全 ，王迎春，董维佳 ( 长江水利委员会长江科学院 ，水利部水工程安全 与病害防治工程技术研 究中心 ，湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 对掺磷渣粉和粉煤灰碾压混凝土进行了试验 ， 对掺磷渣粉碾压混凝土的水化机理进行 了分析。结果表明 ： 与掺粉煤灰碾压混凝 土相 比， 掺磷渣粉碾压混凝土具有早期强度低后期强度 高、 极 限拉伸值高和线膨胀系数小等特点 ； 对 比掺粉煤灰碾压混凝 土， 掺磷渣碾压 混凝土的早期抗裂能力较低， 但随着龄期的增长， 其后期的抗裂能力明显比掺粉煤灰碾压混凝土的抗裂能力高。 最后对磷渣粉的水化机理 进行 了分析。 关键词 ： 磷渣粉 ；粉煤灰；碾压混凝土 ；性能 ；机理分析 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： l 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 7 4 0 3 S t u dy 011 pr ope r t i e s of RCC wit h ph os pho r ous s l a g an d f l y as h Z H J V GJ j a 力 一 f e n g Y AN GHu a q u a n ， WAN GY i n g c h u n ， DON GWe i -j i a ( Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， R e s e a r c h C e n t e r o f Wa t e r E n g i n e e r i n g S a f e t y and Di s a s t e r P r e v e n t i o no f Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， Wu h a n4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th eRCCwi t hph o s p h o r o u s s l a gan dflya s hi s t e s t e d， t h e r e s u l t s s h o wst h a t ， c o mp a r e dwi t hRCC a d d e dflya s h， t h eRCC wj m p h o s p h o r o u s s l a g h a dl o w e a r l y s t r e n g t h a n d h i g h l a u e r s g e n g t h ， wh i l e t h e u l t i ma t e t e n s i l e w a s h i【gh a n d t h e l i n e a r e x p a n s i o n c o e ffic i e n t w a s s ma l 1 C o n t r a s t e d t o RCC wi t h fl y a s h， t h e e a r l y c r a c k r e s i s t a n c e o f RCC wi t h p h o s p h o r o u s s l a g i s c o mp a r a t i v e l y l o w， b u t wi t h t h e a g e i n c r e a s i n g， the l a t e c r a c k r e s i s - t a n c e i s s i g n i fic a n t l y h i g h e r t h an t h e c r a c k r e s i s t a n c e o f RCC wi t h fl y a s h Fina l l y， t h e h y d r a t i o n me c h an i s m o f p h o s p h o r o u s s l a g i s an a l y z e d Ke y wor ds ： p ho s p h o r o us s l a g； fl y a s h； RCC； p r o p e r t y； me c h a n i s m a n a l y s i s 磷渣是黄磷生产过程中排放的一种工业废弃物， 其主要化学 成分是C a O和S i 0 每生产 l t 黄磷就会排出8 1 0 t 磷渣。目前， 我国磷渣的排放量较大， 以我国现有黄磷生产能力计， 磷渣的年排 放量达到5 0 0万t 以上， 并且逐年递增 1J。 不仅占用大量土地， 而且 污染环境。 但磷渣粉作为掺合料掺入混凝土后， 可提高混凝土的抗 拉强度和极限拉伸值， 大幅度降低水化热， 收缩小， 耐久胜提高， 抗 渗性好 ， 后期强度增进率高等特点。而我 国西南地区磷矿资源 丰富， 粉煤灰相对短缺， 因此在粉煤灰日益紧缺的形势下， 研究磷 渣粉和粉煤灰对混凝 土基本性能及其抗 裂性能 的影响 ， 对 于进 一 步加深对磷渣粉基本性能的了解具有重要意义， 可以为磷渣替 代部分粉煤灰用于水工混凝土提供一定的技术支持。 1 试验原材料及混凝土配合 比 1 I 原材料 水泥： 采用峨胜 4 2 5 级中热水泥， 其化学成分见表 1 。 粉煤灰： 采用曲靖方圆环保建材有限公司I I 级粉煤灰， 密度 表 1 水泥化学成分 为 2 3 1 0 k g m 3 ， 比表面积为 4 0 1 m2 k g ， 其化学成分见表 2 。 表 2 粉煤灰化学成分 原材料品种 C a O S i O2 A1 2 O3 F e 2 o 3 Mg O S O 3 K 2 o N a 20 P 2 0 ,L o s s 曲靖粉煤灰 3 2 4 5 2 5 6 2 4 2 1 9 5 1 1 1 6 0 3 7 1 0 0 O 2 7 3 5 1 磷渣粉 ： 采用川投 电冶公司磨细磷渣粉 ， 密度为 2 8 8 0 k g m3 ， 比表面积为3 5 8 m g ， 其化学成分见表 3 。 表 3 磷渣粉化学成分 原材料品种 C a O S i 02 AI 2 O3 F e 2 03 Mg O S O 3 K 2 0 Na 2 0 P 2 o 5 L o s s 磷渣粉 4 9 8 4 3 9 6 2 2 8 6 O 4 7 2 6 9 0 6 9 0 5 6 0 3 0 3 3 1 0 7 1 骨料 ： 采用玄武岩人工砂石骨料 。 砂 的密度为 2 9 0 0 k g m3 ， 细度模数为 2 9 4 ， 石粉含量 9 8 ； 粗骨料的密度 2 9 6 0 k g m ， 吸 水率为 0 6 3 。 1 2混凝 土配合 比 试验混凝土配合比如表 4 所示。 2 试验结果与分析 2 1 力学性能 混凝土的抗拉强度是评价混凝土性能最直观的指标 ， 混凝 土的抗拉强度主要由水泥浆的抗拉能力及水泥浆与骨料的胶结 能力组成。混凝土的极限拉伸随轴心抗拉强度的提高而线性地 增大， 也随水泥浆体积的增大而增大， 其试验结果如表 5 所示。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - - 0 1 - 2 7 基金项目： 长江科学院中央级公益科研( c K s F 2 0 l o 0 l 3 、 Y WF 2 0 0 8 1 3 ) ； 水利部公益性行业科研专项经费项 目( 2 0 0 9 0 1 0 6 6 ) ； 国家自然科学基金重点项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) 7 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 碾压混凝土配合比 由表 5 可知 ： 各个配合 比混凝土的抗压强度和抗拉强度都随着 龄期的增加而增大； 与等掺量的粉煤灰相比， 单掺磷渣的碾压混凝 土早期抗拉强度和抗压强度偏低， 掺磷渣碾压混凝土 2 8 d抗拉 强度增长率平均为5 8 ， 而掺粉煤灰碾压混凝土为 7 4 ， 而掺磷渣 碾压混凝土后期强度更高， 尽管掺磷渣碾压混凝土 3 6 0 d 抗拉强度 增长率平均为 1 4 6 ， 掺粉煤灰碾压混凝土为 1 5 7 ； 与复掺粉煤灰 和磷渣相比， 单掺磷渣的抗拉强度只是略有提高； 随着粉煤灰和磷 渣掺量的增加 ， 抗拉强度和抗压强度有减小的趋势， 拉压 比则是早 期高、 后期低， 其中掺磷渣碾压混凝土的拉压比最小， 意味着掺磷渣 碾压混凝土的脆性高于掺粉煤灰的碾压混凝土， 因此在磷渣碾压混 凝土中复掺一定量的粉煤灰有助于降低掺磷渣碾压混凝土的脆陛。 2 2变形性 能 极 限拉伸值 、 弹性模量 和徐变等变形性 能对 于混凝土 的性 能也有 重要 影响。在 其他 条件相同的条件下 ， 混凝 土的极限拉 伸值越大， 而弹性模量则是越低， 混凝土的性能越好。 掺磷渣混 凝土的变形性能结果如表 6 所示。 由表 6可知： 极限拉伸值和弹性模量随着龄期的增加而增 大， 都是在早期增长快， 后期较慢； 极限拉伸值和弹性模量随着掺 表 6 碾压混凝土变形性 能试验结果 合料掺量的增加而减小， 与等掺量的粉煤灰相比， 掺有磷渣的碾压 混凝土的极限拉伸值和弹性模量略大 ， 而复掺磷渣和粉煤灰碾 压混凝土的极限拉伸值和弹性模量比单掺粉煤灰或磷渣要略小。 2 3热 力 学 性 能 碾压 混凝土 的热力学性能 主要从水化温 升和线膨 胀系数 两项指标进行分析。水化温升高的混凝土， 其与稳定温度之差 大， 产生的温度应力也大， 混凝土的性能越好。混凝土线胀系数 越小 ， 产生的温度应力越小， 混凝土性能越好； 相反 ， 则混凝土 性能越差。掺磷渣混凝土的热力学性能试验结果如表 7 所示。 表 7 碾压 混凝 土的热 力学性能 由表 7可知 ： 在相同条件下 ， 掺磷渣 的碾 压混凝土 2 8 d龄 期的绝热温升比单掺粉煤灰的碾压混凝土略高， 但前者 1 d龄期 的绝热温升要低于后者 1 d 龄期的绝热温升， 复掺介于两者之间， 绝热温升值随着掺合料掺量的增加而降低； 掺磷渣碾压混凝土 的线膨胀 系数 比单掺粉煤灰 的碾压 混凝 土要 低 ， 而且线 膨胀系 数随着粉煤灰和磷渣掺量增加而减小。 2 4 抗 裂性 能 目前评价混凝土抗裂性能的指标很多， 像弹强 比、 抗裂性 系数 、 抗裂能力指数和抗裂参数等 ， 各种评价指标各有其优点 与不足， 结合本试验结果 ， 采用抗裂参数来评价掺磷渣碾压混 凝土的抗 裂性能 。抗裂参数是根据碾压混凝土的结构特性和变 形性能， 综合影响碾压混凝土抗裂的主要因素评价混凝土抗裂 能力的指标 ， 其表达式： 西 = s 嘏lI ( o A T E , ) ( 1 ) 式中： 混凝土的抗裂参数； 厂混凝土的极限拉伸值， 1 0 ； 75 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土的抗拉强度， MP a ； d 混凝土的线膨胀系数， 1 O ； 卜混凝土 的内外 温差 ， ； E r 一 混凝土的弹模 ， MP a 。 值越 大， 混凝土 的抗裂性能越好 抗 裂参数 也没有考 虑混凝土的干缩和 自身体积变形等 因素 ， 但作为碾压混凝土的 抗裂指标是合理的 。抗裂参数 西的结果如表 8 所示。 表 8 掺磷渣碾压混凝土的抗裂参数 由表 8 可以看出： 单掺磷渣碾压混凝土的抗裂参数在早期 要小于单掺粉煤灰碾压混凝土的抗裂参数， 表面其早期的抗裂 能力要比粉煤灰碾压混凝土的抗裂能力低。这是由于掺磷渣碾 压混凝土的早期抗拉强度 比掺粉煤 灰碾压混凝土 的早期抗拉 强度低的缘故， 随着龄期的增加， 掺磷渣碾压混凝土的抗拉强 度增长率高于掺粉煤灰碾压混凝土， 故掺磷渣混凝土后期的抗 裂参数大于掺粉煤灰碾压混凝土的抗裂参数。而复掺粉煤灰和 磷渣碾压混凝土的抗裂参数则介于两者之间， 但磷渣掺量的增 加虽然可 以提高碾压混凝土的抗裂性 能 ， 但抗裂性能 的提 高是 以牺牲碾压混凝土的强度为代价 的。 2 5机 理 分 析 磷渣在扫描电镜 下的观测结果如图 1 所示 ， 而不同掺量磷 渣的水泥净浆水化产物的扫描电镜观测结果如图2所示。 圈 1 磷渣扫描电镜 ( a ) 2 8 d ( b ) 9 0 d 图 2 净浆试件的水化产物( 5 0 磷渣 ) 从图 1 可以看 出， 磷渣主要 以硅酸盐 、 铝酸盐 的玻璃相 为 主体， 晶体的存在量很少， 另外还有少量的硅酸三钙、 硅酸二钙 和氟化钙等结晶相， 因此电炉磷渣具有活性。但在一般条件下， 磷 渣并不具有水硬性 ， 只有在激发剂存在 的情 圮下才能发生水 化 反应， 形成胶凝物质并具有水硬活性。掺磷渣的水泥加水后， 首 先是水泥熟料矿物发生水化 反应 ， 生成的氢氧化钙成为磷渣 的 7 6 碱性激发剂 ， 使磷渣中的 c a 、 Al O 、 A I 、 S i O 2 离子进入溶液， 生成新的水化产物水化硅酸盐、 水化铝酸盐等。磷渣中的可溶 性磷 、 氟与 C a ( O H) 反应 生成磷酸钙和氟羟基磷灰石4 1 ， 包裹 在水泥颗粒表面 ， 同时可能与 C H 固化 ， 使 C S水化也被抑 制， 因此磷渣混凝土的早期强度不高。 但是， 根据一般规律5 1 ， 若 水泥早期水化被抑制 ， 其晶体“ 生长发育” 条件好， 使水化产物 的质量显著提高 ， 水泥石结构更加紧密， 内部孔隙率下降， 气孔 直径变小， 因而有利于使混凝土后期强度提高。 同时在混凝土中掺人颗粒细、 活性高、 具有膨胀作用的磷 渣粉掺合料后可显著改善界面过渡区的微结构。掺合料与富集 在界面的 C a ( O H) 反应 ， 生成 C S H胶凝， 使 C a ( O H) ： 晶体、 钙矾石和孑 L 隙大量减少， C S H胶凝相对增加。 同时细颗粒的磷 渣粉的掺人可减少内泌水 ， 消除骨料下部的水膜 ， 使界面过渡 区的原生微裂缝大大减少 ， 界面过渡区的厚度相应减小， 其结 构的密实度与水泥浆体的相同或接近， 骨料与浆体的黏结力得 到增强6 1 ， 使混凝土的抗拉强度、 极限拉伸值和弹性模量得到提 高， 而且由于改善了界面过渡区结构， 消除或减少了界面区的 原生微裂缝， 使混凝土的抗裂能力也得到提高 7 1 。 因此磷渣掺入 混凝土能够增加混凝土中的有效胶结产物的数量 ， 并改善孔结 构， 细化孑 L 径， 降低孑 L 隙率， 从而提高混凝土的强度。 另外当磷渣掺量较多时， 熟料相对减少， 因而熟料水化生 成的C a ( O H) ， 也相应减少， 一方面使磷渣的溶解、 水化变慢， 同 时生成的磷酸钙和氟羟基磷灰石， 包裹在水泥颗粒表面， 延缓 了水泥的凝结硬化， 使水化速率极大降低， 水化被推迟， 水化热 减小； 另方面由于磷渣掺量的增大， 水泥熟料的用量相对减 少， 使得水泥水化量减小， 水化热也相对降低。但由于磷渣与富 集在界面的C a ( O H) 发生二次水化反应， 使得水化热继续升高， 因此随着磷渣掺量的增加， 绝热温升还是有增大的趋势。 3结 语 ( 1 ) 与掺粉煤灰碾压混凝土相比， 掺磷渣碾压混凝土的具 有早期强度低后期强度高、 抗压弹模高、 极限拉伸值高和线膨 胀系数小等特点 ， 但水化热较大 。 ( 2 ) 掺磷渣碾压混凝土的早期抗裂能力要逊于掺粉煤灰碾 压混凝 土的抗 裂能力 ， 随着龄期的增长 ， 其后期的抗裂能力 明 显比掺粉煤灰碾压 昆 凝土的抗裂能力高。 总之， 磷渣是一种很好的矿物掺合料， 可以部分替代粉煤 灰 ， 两者复掺可以充分发挥各 自的优点 ， 改善混凝土的性能。 参考文献： 1 刘秋美， 曹建新， 杨林磷渣粉对高性能混凝土性能影响的研究 J 】 混 凝土 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 5 4 5 5 2 杨华全 ， 周世华 ， 董维佳 混凝土抗裂性的分析 、 评价与研究展望 J J 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 4 6 5 0 3 】 刘数华， 方坤河 ， 曾力 混凝土抗裂指标评价综述J 1 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 3 2 3 3 4 】 B A R N E S P 水泥的结构与性能 M 吴兆琦， 汪瑞芬， 译 北京： 中国建 筑工业 出版社 ， 1 9 9 1 ： 2 4 8 2 6 2 f 5 】 P - 梅泰 混凝土的结构、 性能与材料f M 祝永年， 等， 译上海： 同济大 学出版社 ， 1 9 9 9： 2 3 6 2 3 9 6 刘数华， 方坤河 ， 等 提高高强混凝土抗裂性能的试验研究【 J 】 混凝 土 ， 2 0 0 6 ( 7 ) ： 8 - 1 0 【 7 J 陈霞， 曾力， 万坤河 关于磷渣粉应用问题的探讨 J 混凝土， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 4 1 4 4 作者简介： 张建峰09 8 5 一 ) ， 男， 在读硕士研究生。 单位地址 ： 湖北省武汉市 黄浦大街 2 3 号 长江 水利 委员会长 江科 学 院( 4 3 0 0 1 0 ) 联 系电话 ： 1 5 8 2 7 1 5 9 4 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m