磷渣混凝土的研究及應(yīng)用
2006-06-16 00:00
摘 要：磷渣主要由玻璃體組成，其比表面積為2000cm2／g左右的磨細磷渣粉，可降低水泥砂漿的水化熱。摻用膠凝材料總量15% 的磷渣制得的混凝土，其早期抗壓強度比純水泥混凝土稍低，28 d基本一致，60 d稍高。工程應(yīng)用證明，利用磷渣配制的混凝土完全滿足工程設(shè)計的要求。
關(guān)鍵詞：磷渣；激發(fā)劑；現(xiàn)場養(yǎng)護條件
現(xiàn)代的混凝土技術(shù)已將活性摻合料看作是高性能混凝土中除砂、石、水泥、水、高效減水劑以外不可缺乏的第六組分。優(yōu)質(zhì)的摻合料摻人混凝土中，其形貌效應(yīng)、微集料效應(yīng)、活性效應(yīng)同時產(chǎn)生作用，對減少混凝土拌合物的需水量，改善混凝土拌合物的工作性能，降低混凝土水化熱、提高混凝土的力學性能及耐久性極為有利。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的摻合料有粉煤灰、硅灰、沸石粉。
浙江地區(qū)混凝土工程中摻合料應(yīng)用情況不盡人意。原因之一是摻和料比較單一，而粉煤灰的其它用途也比較多，如加工加氣混凝土砌體，因而造成粉煤灰市場供求不平衡。其它如礦渣、硅灰等又缺乏足夠的資源。但同時本地區(qū)具有豐富的磷渣資源，若能將磷渣應(yīng)用到混凝土工程中，則一方面有利于環(huán)境保護，另一方面也能開發(fā)一種新型混凝土摻合料。
1 磷渣的基本性能
1.1 磷渣的化學成分及物理性質(zhì)
從磷渣堆積現(xiàn)場取來有代表性的樣品，經(jīng)懸輥磨機加工后制成磷渣粉，測得其化學成分、物理性能見表1。由表1可見，磷渣的主要化學成分是CaO和SiO2，兩者之和占了85%左右，而A12 O3 的含量很低，這與普通的煉鐵高爐礦渣有較大區(qū)別。此種磷渣的比表面積和活性指數(shù)也相對較低，但稍有減水作用。
1.2 X一射線及微觀形貌的SEM分析
磷渣的x一射線衍射結(jié)果如圖1所示。從彌散的饅頭峰知該磷渣主要由玻璃態(tài)物質(zhì)構(gòu)成，與高爐礦渣的峰形相似。其中含有的少量晶相為鈣鎂黃長石。
用掃描電鏡對磨細的磷渣粉進行觀察，結(jié)果見圖2。從圖2（a）可知磷渣磨細后顆粒大小不均，粒徑在數(shù)微米到數(shù)十微米之間，大多在10～30 µm；圖2（b）是對圖2（a）的放大，可見到顆粒表面光滑，呈棱角分明的多面體形狀。
2 磷渣對水泥、混凝土性能的影響
2.1 從絕熱溫升研究磷渣對水化過程的影響
用保溫瓶內(nèi)膽裝填水泥砂漿進行模擬的絕熱溫升試驗?；静襟E為膠砂比1：2.5，水膠比0.50，萘系高效減水劑摻量2.5%（以水劑計，其固含量約33%），攪拌后的砂漿倒入5磅保溫瓶中，置于（20±2）℃ 的標準混凝土養(yǎng)護室內(nèi)，用水銀溫度計測試其溫度變化。經(jīng)測定，保溫瓶本身有一定的熱量損失：裝入65 ℃ 的熱水后，在48 h 內(nèi)，溫度以0.5℃／h的速度均勻地下降。測得兩種不同細度的磷渣粉對膠砂水化絕熱溫升的影響，結(jié)果見圖3。圖3中PS 15—1、PS 15—2的比表面積分別為2 078，2 515 cm 2／g。
由圖3可見，摻15% 的磷渣PS15—1、PS15—2，水化溫升降低13～15℃ ，且放熱峰延遲約28 h，水化熱顯著減少。
混凝土在凝結(jié)硬化期間由于水泥水化反應(yīng)放出大量的熱量，水化熱導(dǎo)致內(nèi)部混凝土的溫度不斷上升，由于溫度升高造成水泥硬化時發(fā)生體積膨脹，待冷卻到周圍溫度時則發(fā)生收縮，因此降低混凝土內(nèi)部的發(fā)熱量是保證大體積混凝土質(zhì)量的重要措施。從降低水化熱和生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，最終確定生產(chǎn)中控制細度為2 000 cm2／g左右。
2.2 磷渣對膠砂強度的影響
用磷渣粉取代15% 的水泥，按標準方法檢測膠砂饅度，結(jié)果見表2。
從表2可見，摻入15% 磷渣粉后，3 d及28 d強度明顯降低，但摻入有激發(fā)劑的磷渣粉15% 后，早期強度稍低，在28 d時強度基本與對照組相當 其原因在于磷渣粉較粗，火山灰反應(yīng)在早期不易發(fā)生，隨齡期延長，在激發(fā)劑作用下，其強度會逐漸發(fā)揮出來 。
2.3 磷渣粉對混凝土強度的影響
從表3可知，在不同水灰比條件下，混凝土強度發(fā)展表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，即在早期，強度因磷渣粉的摻入稍有降低，28 d基本持平，60 d時摻磷渣的混凝土強度超過不加磷渣粉者。
磷渣摻入混凝土中取代部分水泥，使水泥熟料減少，由于磷渣與水泥熟料水化產(chǎn)生的氫氧化鈣進行二次水化，因而磷渣本身的水化比熟料慢，而且磷渣對水泥水化有緩凝作用，使磷渣混凝土早期強度有所降低。不過，根據(jù)一般規(guī)律，若水泥早期水化被抑制，其晶體“生長發(fā)育”條件好，使水化產(chǎn)物的質(zhì)量顯著提高，水泥石結(jié)構(gòu)更加緊密，內(nèi)部孔隙率下降，氣孔直徑變小， 而對混凝土后期強度發(fā)展有刊 此外，磷渣的二次水化反應(yīng)會提高水泥石強度，改善界面結(jié)構(gòu)和孔徑分布，使混凝土后期強度提高 。
2.4 磷渣混凝土的工程應(yīng)用
以上所述是實驗室數(shù)據(jù)，但實際現(xiàn)場的強度更為重要。為此我們借鑒云南省的工程應(yīng)用實例，混凝土出廠的塌落度控制在18～22 cm，送至施工現(xiàn)場經(jīng)時2～3 h后的混凝土塌落度為14～17 cm，全部順利泵送。
由圖5來看，用15% 的磷渣粉等量置換水泥拌制混凝土，強度完全滿足工程設(shè)計要求。在圖5（a）中，現(xiàn)場所測均小于試驗室結(jié)果。在圖5（b）中，所測四種情況下，有兩個與圖5（a）相似，其它兩個則相反，可見養(yǎng)護條件的差異導(dǎo)致了強度的不同。
另一方面，圖5（a）中C25以及圖5（b）中C40有點反常，都剛剛滿足限值要求。其原因在于這兩組試樣所處工地當時氣溫較低，分別只有8.9℃ 、7.6℃ 。也即這兩組試驗都是在這種低溫下養(yǎng)護2 d后才拿進標養(yǎng)室的。氣溫降低導(dǎo)致磷渣的火山灰效應(yīng)延緩，因而對強度不利 。對比其它數(shù)據(jù)，可認為在配制內(nèi)摻磷渣粉的混凝土時自然溫度最好在10℃ 以上。
3 結(jié) 論
（1）使用活性激發(fā)劑能使比表面積為2 000cm2／g左右的磷渣發(fā)揮出潛在的活性效應(yīng)，摻加磷渣后的混凝土與基準混凝土對比，磷渣混凝土早期強度偏低，28 d抗壓強度基本一致，后期強度較高。
（2）磷渣摻入混凝土中，可大幅降低大體積混凝土的水化熱和絕熱溫升值，并具有良好的抗?jié)B性，因而在大體積混凝土工程中有較高的參考價值。
（3）磷渣作為混凝土摻合料使用，為磷渣這種工業(yè)廢渣的利用開辟了一條有效的新途徑；在應(yīng)用的同時，還需進行放射性檢測，以滿足國家對建筑材料安全性的有關(guān)要求。
（4）磷渣混凝土在早期強度要求較高的工程或環(huán)境溫度較低時應(yīng)用須慎重。
（5）磷渣作為混凝土的摻合料，在我國云南省已有成功的應(yīng)用經(jīng)驗，但在浙江省的應(yīng)用還需要作更多的實踐探索。
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