淺析磷礦渣作為摻合料在碾壓混凝土中的運用

#淺析磷礦渣作為摻合料在碾壓混凝土中的運用摘要：磷礦渣摻入混凝土后，混凝土熱峰值減小，后期強度增加，混凝土極限拉伸值增大，有利于減少混凝土溫度裂縫，保證混凝土耐久性；同時可充分利用外加劑的特殊性能延長混凝土初、終凝時間，降低大體積混凝土施工強度，有利于新老混凝土層間結合。關鍵詞：碾壓混凝土磷礦渣運用前景1貴州省磷礦渣生產(chǎn)、資源分布情況貴州磷礦資源十分豐富，有很多家黃磷生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)規(guī)模比較大的有：貴州黔能天和磷業(yè)有限公司、貴州開磷集團磷業(yè)公司、貴州甕福黃磷有限公司，這些企業(yè)每制取一噸黃磷大約排放出8~10噸的磷礦渣，全省每年磷礦渣的排放量大約在150萬噸?200萬噸之間，并且還在逐年增加，故磷礦渣儲量較大。磷礦渣作為一種工業(yè)廢渣，大量采用露天堆放，占用土地資源，環(huán)境污染日趨嚴重，越來越引起人們的重視，尤其磷礦渣中的活性化學物質(zhì)，更引起很多工程技術工作者的廣泛關注，磷礦渣綜合利用勢在必行。貴州磷礦渣的主要生產(chǎn)、資源分布情況如下：⑴貴州黔能天和磷業(yè)有限公司：天和磷業(yè)有限公司位于開陽縣天和鎮(zhèn)，目前存儲磷礦渣約1000萬噸；該公司共有7臺大爐和3臺小爐，具備年產(chǎn)磷礦渣約45?50萬噸的生產(chǎn)能力。⑵貴州開磷集團磷業(yè)公司：位于息峰縣小寨壩，1989年正式投產(chǎn)，目前儲藏磷礦渣60萬噸，擁有一條加工磷礦渣7萬噸的球磨設備。磷礦渣部分供應在息峰水泥廠作混合材使用，四川重慶一些商家準備在該廠進行磷礦渣開發(fā)。該公司有2臺大爐，具備年產(chǎn)磷礦渣約6萬噸的生產(chǎn)能力。⑶貴州甕福黃磷有限公司：位于福泉市郊，目前儲藏磷礦渣約30萬噸。該公司有1臺提煉黃磷的電爐，年產(chǎn)磷礦渣5萬噸左右，每4小時排放磷礦渣一次。2磷礦渣理化分析黃磷廠生產(chǎn)黃磷時，采用磷礦石（主原料）、焦碳（還原劑）、硅石（助熔劑）破碎烘干后按比例入爐煅燒（煅燒溫度達1400c左右），提煉出約10%黃磷，排出的剩余物剛出爐時呈黑色凝膠熔融狀態(tài)，溫度在1350?1500℃,經(jīng)過水淬后，成為粒狀磷礦渣（粒徑約5mm）,其外觀呈青灰色或灰白色，P2O5含量越高顏色越深。⑴磷礦渣的物理性質(zhì)松散容重1100kg/m3,比重2.9左右。⑵磷礦渣化學成分磷礦渣的化學成分主要有SiO2、CaO、P2O5、Al2O3、MgO等，其中的SiO2、CaO、Al2O3為活性物質(zhì)，摻入水泥或混凝土中能和水泥水化產(chǎn)物繼續(xù)發(fā)生二次水化反應，提高水泥或混凝土的后期強度，磷礦渣的質(zhì)量通常用質(zhì)量系數(shù)K的大小來衡量，而磷礦渣中的P2O5則對水泥或混凝土產(chǎn)生危害，故我國于1986年制定了《用于水泥中的?；姞t磷礦渣》GB6645-86國家標準，其技術規(guī)定為：①質(zhì)量系數(shù)K=（CaO+MgO+Al2O3）/（SiO2+P2O5）市1.10；②電爐磷礦渣中P2O5>3.5；③體積密度31.3kg/L（指干基，松散容重）。磷礦渣活性在于水淬急冷后活性成分的玻璃體含量，其玻璃體結構為c2as-c3s2。玻璃質(zhì)的結構主要由CaO/SiO2的改變而相應產(chǎn)生變化，磷礦渣中的CaO起到網(wǎng)絡的作用，硅酸鹽的聚合程度隨著CaO的增加而改變，橋氧鍵斷裂，化學鍵能降低，產(chǎn)生的斷點氧又被Ca2+以非橋氧鍵連接起來。即=Si-O-Si=+Ca-O-=Si-O-Ca-O-Si=。磷礦渣的水硬活性高低與化學成分有關，活性高低用質(zhì)量系數(shù)大小來評定，但必須在磷礦渣水淬充分時才具有較好的潛在活性規(guī)律。⑶磷礦渣的礦化機理：水泥廠生產(chǎn)水泥時，用電爐磷礦渣配料，代替部分石灰石和粘土，具有加快熟料煅燒，降低熱耗的礦化作用。這是由于電爐磷礦渣中含有P2O5和F-等礦化離子，能降低液相粘度和液相生成溫度，促進固相反應，加速C2s對CaO的吸收和C3S結晶礦物的形成。磷礦渣是由大量表面光滑的玻璃體組成，所以其需水比不大，基本上不增加混凝土用水量。又由于磷礦渣含有較高的活性物質(zhì)SiO2和CaO,易于生成C-S-H凝膠，所以磷礦渣的抗壓強度高，特別是后期強度。3磷礦渣作碾壓混凝土摻和料工程運用實例磷礦渣在建材系統(tǒng)水泥生產(chǎn)行業(yè)中作混合材的應用技術已經(jīng)成熟,隨著對磷礦渣認識的深入,在水利水電工程中作為碾壓混凝土摻合料也得到應用,如云南大朝山水電站工程均有過使用實例,積累了一定經(jīng)

驗并取得較好的技術經(jīng)濟效果。大朝山電站就地取材，在國內(nèi)首次采用凝灰?guī)r(N)和磷礦渣(P)各50%混合磨細為混凝土摻合料，通過在大朝山水電站使用NP摻合料獲得的試驗結果得出以下幾點結論：(1)根據(jù)試驗資料，碾壓混凝土強度隨著NP摻量的增加而降低，摻量40?70%時，28d為20.0?11.4MPa,90d為26.6?16.5MPa。(2)摻和料摻量40?70%時，碾壓混凝土28d、90d極限拉伸值可分別達到0.72?0.61(X10-4)與0.82?0.70(X10-4)；90d劈拉強度達2.23?1.45MPa。(3)混凝土強度隨著齡期的增長而增加，并隨其摻和料摻量的增加混凝土后期強度增長速率增大。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)綜合分析，NP摻量50%時，R90/R28為1.38；NP摻量60%時，R90/R28為1.42。(4)碾壓混凝土干縮變形隨著NP摻量的增加而有所增大，在0.5水膠比50%?60%摻量90d干縮變形為3.80?4.32X10-4。(5)碾壓砼水灰比0.50?0.53,NP摻量50?65%,抗?jié)B強度90d齡期均NS12；抗凍指標90d齡期均＞F100。4磷礦渣作碾壓混凝土摻合料試驗論證為了使貴州境內(nèi)的磷礦渣得到有效的綜合利用,我們以索風營電站工程為依托,針對索風營工程碾壓混凝土壩施工特點，結合云南大朝山電站的成功應用經(jīng)驗，擬采用磷礦渣(P)和粉煤灰(F)復摻作為碾壓和常態(tài)混凝土摻合料應用于工程中。由于磷礦渣和粉煤灰均具有活性,同時摻入混凝土中使二次水化變得更加復雜,且二者顆粒結構不同,比重也相差較大,在混凝土中和水泥、外加劑等材料能否相容,還需要進一步進行試驗論證,以保證大壩混凝土結構物的安全。論證試驗采用索風營工程使用的原材料,進行單摻粉煤灰、單摻磷礦渣、復摻粉煤灰和磷礦渣,并進行不同摻量對比試驗方案的試驗研究,從碾壓混凝土各種力學、變形、抗?jié)B、耐久、熱學等性能方面進一步論證磷礦渣作為混凝土摻合料的可行性。4.1試驗用原材料試驗選用貴州水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5水泥、凱里電廠粉煤灰、貴州開磷集團有限責任公司出產(chǎn)檢測項目比重燒失量％需水比%SO%細度％含水率％28天抗壓強度比%測值236409430896902870表1表1粉煤灰品質(zhì)檢測成果⑴粉煤灰：其品質(zhì)檢測成果見表1。⑵磷礦渣：試驗針對磷礦渣用作混凝土摻合廠家細度%比重需水比%磷礦渣摻量%抗折強度MPa抗壓強度MPa抗折強度比％抗壓強度比％7d28d90d7d28d90d7d28d90d7d28d90d////0769094456630720100100100100100100TH190296102 60 24q85104269530316544904228427736KI,15229110260285790119295570368633957261468792WF212292100 60 26*85113297583342578904248471810TH190296101 30 57X199291?5146987509001053638816969KI152291101 30 5798294^137057509111043645814979WF21229299305782992985247207509111053654832100注：1,TH 黔能天和磷業(yè)有限公司，KL開陽磷業(yè)有限公司，WF—甕福黃磷廠；2,表中數(shù)據(jù)為10個樣品的平均值表2磷礦渣物理品質(zhì)檢測結果(平均值)統(tǒng)計料進行,故先對貴州黔能天和磷業(yè)有限公司、貴州開磷集團磷業(yè)公司及貴州甕福黃磷有限公司三家黃磷廠出產(chǎn)的磷礦渣現(xiàn)場進行實地隨機取樣,經(jīng)磨細后檢測主要物理性能指標,并選擇2個不同摻量進行水泥膠砂強度對比試驗。試驗結果統(tǒng)計列于表表2磷礦渣物理品質(zhì)檢測結果(平均值)統(tǒng)計檢測項目比重燒失量％需水比％SO,%MgO%細度％含水率％28天抗壓強度比％測值2.791.31001.800.7518.30.3479建:磷礦渣評定標準參照粉煤灰標準DI/T5055-1996,細度用0045mm篩。表3磷礦渣品質(zhì)檢測成果混凝土Vc表3磷礦渣品質(zhì)檢測成果混凝土Vc值控制5?10s,取得的兩種摻合料不同比例4.2復合摻合料對混凝土拌和物性能的影響FP摻翎對碾壓混凝土拌和物凝結時間的影響水膠比0.50,粗骨料級配50:50,摻合料總摻量50%,QH-R20摻量0.8%,DH9摻量6/萬，碾壓混凝土凝結時間見圖1。)(間時結凝不同摻合料比例和碾壓混凝土凝結時間關系曲線摻合料比例(F：P)時間))(間時結凝不同摻合料比例和碾壓混凝土凝結時間關系曲線摻合料比例(F：P)時間)FP不同比例摻合料對硬化混凝土強度的影響試驗采用條件與測定碾壓混凝土拌和物凝結時間，取得的兩種摻合料不同比例碾壓混凝土抗壓強度成果列于表4果列于表4。圖1不同摻合料比例和碾壓砼凝結時間關系曲線試驗成果表明，兩種摻合料不同比例復摻，當磷礦渣比例由0%逐步變化到100%時，混凝土拌和物含氣量無明顯改變，但拌和物的工作性能逐步變差；硬化后混凝土的抗壓強度隨著磷礦渣比例的加大而升高，當磷礦渣比例由0%逐步變化到100%試驗成果表明，兩種摻合料不同比例復摻，當磷礦渣比例由0%逐步變化到100%時，混凝土拌和物含氣量無明顯改變，但拌和物的工作性能逐步變差；硬化后混凝土的抗壓強度隨著磷礦渣比例的加大而升高，當磷礦渣比例由0%逐步變化到100%時，28天抗壓強度由21.8MPa增大為26.1MPa，相差4.3MPa，90天抗壓強度由31.3MPa增大為36.9MPa,相差5.6MPa。不同方案（單摻和復摻）對硬化混凝土性能的影響根據(jù)以上碾壓混凝土拌和物試驗成果，分析選擇合適的試驗參F:PVc(s)含氣％拌和物工作性抗壓強度MPaRR2890100：07333包裹、粘聚性好21831380：206532包裹.粘聚性好22132160：407831包裹、粘聚性好22433850：508032包裹、粘聚性好22834145：557533包裹、粘聚性較好23234740：60713.1包裹、粘聚性較好24.534.8333：6676931包裹、粘聚性一般25235320：806731包裹、粘聚性一般2593570：1007530包裹、粘聚性較差261369表4FP不同曲摻合料壓混凝土抗壓強度試驗成果數(shù)，確定以單摻粉煤灰和粉煤灰與磷礦渣比例為50:50復摻作為試驗方案，進行不同摻合料摻量下不同齡期混凝土力學、變形、抗?jié)B、抗凍、干縮、熱學等性能指標的對比試驗。分別見表5~表8。試驗編號（膠匕，級配用水量kg/m3砂率％QH-R20(%)DH91/萬摻合料摻量Vc（S）含氣量％力學、變形性能試驗成果抗壓強度MPa抗■壓彈模GPa極限拉伸值乂10-4軸拉強度MPa7d28d90d180d28d90d28d90d28d90dDB-1530.52二94390.86F55%7.04.213.821.529.937.329.841.30.650.791.682.46DB-1540.52二94400.86F27.5%+P27.5%5.73.814.121.530.839.333.742.40.690.811.792.70DB-1560.55三88320.76F60%4.03.29.215.223.831.228.033.90.590.751.502.21DB-1590.55三85320.76F30%+P30%4.03.011.216.426.234.528.439.20.600.771.592.58^注一F一--粉煤灰P——磷礦渣表5摻FP碾壓混凝土拌和物及硬化后力學、變形性能試驗成果根據(jù)取得的試驗結果得出以下結論 表6碾壓混凝土抗?jié)B、抗凍性能試驗成果⑴磷礦渣和粉煤灰按不同比例復摻，混凝土28天、90天抗壓強度較單摻粉煤灰的均有所提高，但提高幅度不大。⑵采用不同比例的粉煤灰和磷礦渣進行復摻，磷礦渣比例為總摻量的0?備試驗編號摻合料摻量90天抗?jié)B性能抗】東性能28天相對動彈模量（％）90天相對動彈模量（％）25次50次75次100次25次50次75次-00次150次DB-153F55%力口壓至10MPa時未出壬現(xiàn)滲7k869819711541888840806756/DB-154F275%+P275%力口壓至10MPa時未出壬現(xiàn)滲7k929893819707922876840826/DB-156F60%力壓至07MPa時3個出現(xiàn)滲7k648424//854699///DB-159F30%+P30%力口壓至08MPa時3個出壬現(xiàn)滲水70.249.6//86076.8///DB-160 F15% / 75.1-517--34^—1—^6--85,2-J45-■621—1—DB-161F75%+P75%/880835768701919874865802/注—Le——粉煤灰——P——磷礦渣 50%范圍，碾壓混凝土的工作性好，包裹充分，振動時泛漿快，振后混凝土塑彈性好，當比例超過總摻量的50%后，工作性變差，骨料有分離現(xiàn)象，震動泛漿慢，且混凝土不易振搗密實；⑶在不同摻合料摻量下，采用粉煤灰和磷礦渣1:1進行復摻時，不同齡期碾壓混凝土抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度、極限拉伸值和單摻粉煤灰比較，均有不同程度的提高，但彈性模量卻有不同程度增大。⑷采用粉煤灰和磷礦渣1:1進行復摻時，混凝土抗?jié)B和抗凍性能和單摻粉煤灰比較，均略有提高。⑸采用粉煤灰和磷礦渣各50%⑸采用粉煤灰和磷礦渣各50%復摻時，表7碾壓混凝土干縮性能試驗成果不同摻量下混凝土干縮值均比單摻粉煤灰者小。表8碾壓混凝土熱學性能試驗成果試驗編號"""試驗編號""".指標外加物摻量％干幺宿（X10-6）3d7d14d28d60d90dL2-2F52%+MgO3%4皿136164202224L2-6F26%+P26%+MgO3%必迎122151.1912