磷渣粉對活性粉末混凝土性能的影響

周強(qiáng)武

(中鐵五局集團(tuán)有限公司測繪試驗(yàn)中心，貴州　貴陽　550001)

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磷渣粉對活性粉末混凝土性能的影響

周強(qiáng)武

(中鐵五局集團(tuán)有限公司測繪試驗(yàn)中心，貴州貴陽550001)

研究了不同磷渣粉摻量對活性粉末混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響。結(jié)果表明：磷渣粉的摻入能有效改善RPC混凝土微結(jié)構(gòu)，磷渣粉水化生成的水化產(chǎn)物C-S-H增加混凝土密實(shí)度，使得混凝土具有較好的力學(xué)性能及耐久性能。但隨著磷渣粉摻入量的增加，水泥含量減少，導(dǎo)致體系中Ca(OH)2含量的減少，在弱堿環(huán)境下，抑制了磷渣粉的二次水化，活性粉末混凝土性能下降。在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，磷渣粉摻入量為25%時(shí)，活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度155.9MPa、抗折強(qiáng)度24.5MPa、彈性模量52.8 GPa、抗凍性能大于F500、氯離子滲透量22 C，滿足科技基[2006]29號(hào)標(biāo)準(zhǔn)要求。

活性粉末混凝土；磷渣粉；強(qiáng)度；抗凍性能

活性粉末混凝土(RPC)具有超高強(qiáng)、低脆性、耐久性優(yōu)異且具有應(yīng)用前景廣闊的新型超高強(qiáng)混凝土。目前RPC應(yīng)用到我國鐵路工程，RPC蓋板在鄭西客運(yùn)專線、哈大客運(yùn)專線、哈齊客專等工程已經(jīng)應(yīng)用。采用RPC制造的人行道擋板、蓋板不僅具有高強(qiáng)度、高耐久性，而且質(zhì)輕，可大大減輕橋面二期恒載，減輕安裝難度[1]。由于傳統(tǒng)RPC混凝土經(jīng)濟(jì)成分較高，為尋求降低成本，有學(xué)者研究大摻量礦物細(xì)粉摻合料RPC[2-3]，主要集中在采用粉煤灰、硅灰等，然而將磷渣粉摻入到活性粉末混凝土研究報(bào)道甚少[4]。

磷渣是電爐法制備黃磷時(shí)的工業(yè)副產(chǎn)品，淬冷磷渣90%以上都為玻璃體，主要成分是CaO和SiO2，兩者含量在85%以上[5]，具有較高的潛在活性。RPC混凝土良好的力學(xué)性能和優(yōu)異耐久性能與活性組分密切有關(guān)，本文采用磷渣粉等配制活性粉末混凝土，分析磷渣粉在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下對活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量、抗凍性能及氯離子滲透量性能的影響，為磷渣粉配制活性粉末混凝土提供技術(shù)支撐。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1原材料

水泥：P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥熟料中C3A含量6.3%；磷渣粉：取自貴州某黃磷廠，比表面積390 m2/kg；硅灰：平均粒徑0.1μM，比表面積21 m2/kg；石英砂：SiO298.2%，粒徑1.0～0.63 mm、0.63～0.315 mm、0.315～0.16 mm、0.16～0 mm四個(gè)等級，其篩分試驗(yàn)按TB10210-2001進(jìn)行；鋼纖維：直徑0.18～0.23 mm，長度12～14 mm，抗拉強(qiáng)度2861MPa；減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率大于30%；拌合水：自來水。

水泥、磷渣粉、硅灰的化學(xué)成分見表1。

表1　水泥、磷渣粉、硅灰的化學(xué)成分

1.2試件的制備及性能測試方法

RPC混凝土配合比見表2。將磷渣粉等物料按表2配比進(jìn)行試驗(yàn)，攪拌后分別制成100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×300 mm、100 mm×100 mm×400 mm的立方塊試件。成型后靜停6 h，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)過程分為升溫、恒溫、降溫三個(gè)階段，升溫速度不大于12℃/h，降溫速度不大于15℃/h。恒溫溫度控制在80±5℃，恒溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間72 h。撤除保溫設(shè)施時(shí)，控制試件表面溫度與環(huán)境溫度之差不超過20℃。蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拆模，放入環(huán)境溫度為20℃室內(nèi)進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，灑水養(yǎng)護(hù)7 d，齡期滿28 d后即得到樣品。

活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量性能測試方法按GB/T50081-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均不乘折減系數(shù)，抗凍性能及氯離子滲透量性能測試方法按GB/T 50082-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

表2　RPC混凝土配合比

2　結(jié)果與討論

2.1磷渣粉對RPC混凝土強(qiáng)度的影響

不同磷渣粉摻量下RPC混凝土，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后試件抗壓、抗折強(qiáng)度測試結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著磷渣粉摻入量的增加，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度呈上升趨勢，隨后呈下降趨勢，磷渣粉摻入量25%時(shí)達(dá)到最大。主要是由于磷渣粉的摻入后增加體系中活性組分，水泥水化生成大量的C-S-H凝膠和Ca(OH)2[6]，Ca(OH)2剛好作為磷渣粉堿性激發(fā)劑，磷渣粉與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)[7]，形成漿體的初始結(jié)構(gòu)。磷渣粉的火山灰反應(yīng)消耗了Ca(OH)2形成大量的C-S-H凝膠，該凝膠中CaO/SiO2變小，CaO/SiO2比越小，組織結(jié)構(gòu)越致密，改善了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水泥石的密實(shí)度[8-9]。在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)一步激發(fā)磷渣粉潛在活性礦物，促使體系中生成更多的水化產(chǎn)物，這些水化產(chǎn)物填充于初始結(jié)構(gòu)的空隙中，提高了結(jié)構(gòu)的密實(shí)度和強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)孔隙和微裂縫減少到最小極限[10]，微觀結(jié)構(gòu)得以改善，從而提高了活性粉末混凝土強(qiáng)度。但隨著磷渣粉摻入量的增加，水泥組分減少，導(dǎo)致體系中Ca(OH)2含量的減少，在弱堿環(huán)境下，抑制了磷渣粉的二次水化，粉末混凝土強(qiáng)度隨之降低。

圖1　磷渣粉對強(qiáng)度的影響

2.2磷渣粉對RPC混凝土彈性模量的影響

不同磷渣粉摻量下RPC混凝土，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后試件彈性模量測試結(jié)果見圖2。由圖2可知，活性粉末混凝土彈性模量隨磷渣粉摻入量增加呈上升趨勢，隨后下降。磷渣粉摻入量25%時(shí)彈性模量最大?；炷翉椥阅Ａ渴芷浣M成相及孔隙率的影響，混凝土的水膠比較低、強(qiáng)度越高、養(yǎng)護(hù)較好及齡期較長時(shí)，混凝土的彈性模量就越高[11]。隨著磷渣粉摻入量的增加，體系中水化產(chǎn)物含量最大，提高了結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，也就降低內(nèi)部孔隙率，從而提高活性粉末混凝土彈性模量。當(dāng)磷渣粉摻入增大時(shí)，未水化的磷渣粉顆粒增加內(nèi)部孔隙率，以致削弱混凝土的彈性模量。

圖2　磷渣粉對彈性模量的影響

2.3磷渣粉對RPC混凝土抗凍性能的影響

不同磷渣粉摻量下RPC混凝土，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后試件抗凍性能測試結(jié)果見圖3、圖4(科技基〔2006〕29號(hào)標(biāo)準(zhǔn)要求抗凍性能大于F500，本試驗(yàn)只做到800次凍融循環(huán))。

圖3　磷渣粉對凍融循環(huán)質(zhì)量變化的影響

圖4　磷渣粉對凍融循環(huán)相對動(dòng)彈模量的影響

由圖3、圖4可知，隨著磷渣粉摻入，粉末混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失有所減少，但不明顯，相對動(dòng)彈模量有所提高，變化不顯著，當(dāng)磷渣粉摻入量為25%時(shí)較為理想。水泥石是典型的多相多孔材料[12]，由各種水化產(chǎn)物及殘存熟料顆粒所構(gòu)成的固相以及存在于孔隙中的水和空氣組成。水泥與水反應(yīng)時(shí)因產(chǎn)物體積小于反應(yīng)物總體積而造成的氣孔、加上混凝土拌和過程中陷入的空氣氣泡、以及水分蒸發(fā)殘留的微孔對抗凍性能都有影響。磷渣粉吸收水泥石中孔隙中Ca(OH)2，生成更多的C-S-H凝膠，填充沉積在水泥凝膠孔和微裂縫中[13]，縮小了孔徑，改變了形貌，水泥石孔隙率的減少，使活性粉末混凝土密實(shí)度增加，滲透性能也隨之降低，水分很難遷移到鄰近的孔隙中。在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下加速水化硬化過程中的物理化學(xué)反應(yīng)，排除了氣泡和多余的自由水。導(dǎo)致活性粉末混凝土孔隙率低，孔徑小，可凍水少，這是活性粉末混凝土具有優(yōu)異抗凍性能原因之一[14]。

2.4磷渣粉對RPC混凝土氯離子滲透量的影響

不同磷渣粉摻量下RPC混凝土，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后試件氯離子滲透量測試結(jié)果見圖5。

圖5　磷渣粉對氯離子滲透量的影響

由圖5可知，活性粉末混凝土氯離子滲透量隨磷渣粉摻入量增加呈下降趨勢，隨后上升。磷渣粉摻入量25%時(shí)氯離子滲透量最低。氯離子滲透量的大小，反應(yīng)了混凝土滲透性的好壞。磷渣粉摻入有兩個(gè)作用，一方面磷渣粉填充水泥顆粒之間及界面過渡區(qū)的空隙；另一方面隨著磷渣粉水化進(jìn)行，火山灰反應(yīng)程度不斷提高，生成的C-S-H產(chǎn)物在毛細(xì)管孔道中形成，堵塞孔道，使孔結(jié)構(gòu)細(xì)化[14]，從而對混凝土產(chǎn)生填充、密實(shí)的作用，水和氯離子等侵蝕介質(zhì)難以進(jìn)入混凝土內(nèi)部，也就大大提高了活性粉末混凝土抗氯離子滲透性能。當(dāng)磷渣粉摻入量過高時(shí)，有未水化的磷渣粉顆粒存在[15]，增加結(jié)構(gòu)孔隙率，活性粉末混凝土抗氯離子滲透性能隨之減弱。

3　結(jié)　論

(1)磷渣粉摻入量為25%時(shí)，RPC混凝土的抗壓強(qiáng)度155.9MPa、抗折強(qiáng)度24.5MPa、彈性模量52.8GPa、抗凍性能大于F500、氯離子滲透量22C，滿足科技基〔2006〕29號(hào)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)通過測定不同磷渣粉摻量下RPC混凝土的性能，表明磷渣粉水化產(chǎn)物C-S-H凝膠較好改善RPC混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，使得RPC混凝土具有較好的力學(xué)性能及耐久性能。隨著磷渣粉摻入量的增加，水泥組分減少，導(dǎo)致體系中Ca(OH)2含量的減少，在弱堿環(huán)境下，抑制了磷渣粉的二次水化，活性粉末混凝土性能受到影響。

[1]鐵道部科學(xué)技術(shù)司.科技基[2006]29號(hào),客運(yùn)專線活性粉末混凝土(RPC)材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件[S].北京,2006.

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Effects of Phosphorus Slag Powders on Performance of Reactive Powder Concrete

ZHOU Qiang-wu

(Surveying and Mapping Test Center,China Railway 5th Bureau Group Co.,Ltd.,Guizhou Guiyang 550001,China)

Effect of different phosphorus slag powder contents on mechanical properties and durability of reactive powder concrete was studied.The results indicated that the microstructure of reactive powder concretewasimproved effectively with the addition of phosphorous slag powder,and the density of the concretewasincreased bythe hydration product of phosphorous slag powders.The reactive powder concrete had better mechanical properties and durability.But with the increase of phosphorus slag powder admixture,the cement and calcium hydroxidecontent in the system decreased.The secondary hydration of phosphorus slag powder was inhibitedinweak base environment,resulting in the performance degradation of reactive powder concrete.After the steam curing condition,the reactive powder concrete with phosphorus slag powder 25% had better mechanical properties and durability as follows:the compressive strength of reactive powder concrete 155.9MPa,flexural strength 24.5MPa,elastic modulus 52.8 GPa,frost resistance more than F500,chloride ion penetration 22 C.It attained tothe technicalrequirementsof temporary technological terms reactive powder concretematerial on sidewalk baffle or coverfor passenger dedicated line.

reactive powder concrete;phosphorus slag powder;strength;frost resistance

周強(qiáng)武(1981-),男,工程師,主要從事混凝土原材及工程質(zhì)量檢測。

TU528

A

1001-9677(2016)011-0132-04