磷渣自密實(shí)堆石混凝土道路支擋結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用研究*

張?jiān)伕?李將偉 白明舉 許世勇 朱偉勝 吉曉莉

(1.貴州省都勻公路管理局 都勻 558000； 2.湖北利民建設(shè)工程咨詢有限公司 襄陽(yáng) 441100； 3.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430070)

常見的磷渣為?；姞t磷渣，是用電爐法制取黃磷時(shí)得到的以硅酸鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)淬冷成粒而得的玻璃質(zhì)礦物[1]。中國(guó)是世界上主要的磷礦產(chǎn)地之一，中國(guó)磷礦儲(chǔ)量?jī)H次于摩洛哥和西撒哈拉地區(qū)，位居世界第二[2],我國(guó)磷渣的年排放量達(dá)600萬(wàn)～800萬(wàn)t。我國(guó)多數(shù)黃磷生產(chǎn)企業(yè)將磷渣作為廢渣堆放，在堆放過程中，磷渣中的P2O5和其他有害成分會(huì)在雨水的淋溶下滲入地下造成土壤及地下水污染。此外，廢棄磷渣中的某些成分還可能會(huì)導(dǎo)致放射性污染[3]，因此，磷渣的合理處置與綜合利用具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益[4]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于磷渣的再利用有很多途徑，如利用磷渣制備陶瓷材料、微晶玻璃，但其利用效率一直不高。由于磷渣具有較高的潛在水硬活性，將其用作水泥混合材料和混凝土礦物摻和料是大量利用磷渣的有效途徑[5-6]。這不僅可以減少磷渣堆放所占用的土地，降低廢棄磷渣對(duì)環(huán)境的污染, 還可以解決西南地區(qū)粉煤灰供應(yīng)緊張的問題[7]。

本文采用磷渣粉作為摻和料研制高流動(dòng)性的自密實(shí)混凝土[8]，澆筑在相互嵌鎖的堆石間，并在重力式擋土墻結(jié)構(gòu)中進(jìn)行工程應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明，自密實(shí)堆石混凝土充分發(fā)揮石料之間的嵌鎖作用，在減少膠凝材料用量的同時(shí)提高了混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有助于解決混凝土生命周期碳排放與環(huán)境污染問題[9]。

1 磷渣自密實(shí)堆石混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)選用海螺P·O42.5水泥，II級(jí)粉煤灰，碎石為4.75～9.5，9.5～16 mm 2種粒徑，表觀密度為2 710 kg/m3，砂選用細(xì)度模數(shù)為3.01、表觀密度為2 700 kg/m3的貴州地區(qū)山砂，磷渣由本地磷礦企業(yè)的廢棄磷渣粉磨而成，其表觀密度為2 800 kg/m3，減水劑為聚羧酸高性能減水劑。

新拌和自密實(shí)混凝土工作性能按照J(rèn)GJ/T283-2012 《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，測(cè)量T500、擴(kuò)展度、J環(huán)擴(kuò)展度等；混凝土抗壓強(qiáng)度試件的養(yǎng)護(hù)和檢測(cè)均參照J(rèn)TG E30-2005 《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》 中相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

1.2 磷渣摻量對(duì)自密實(shí)混凝土的影響

本實(shí)驗(yàn)使用磷渣和粉煤灰互摻代替40%的水泥，試驗(yàn)設(shè)置了15%，20%，25%，30% 4組不同磷渣摻量，其對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響見表1。

表1 不同磷渣摻量的試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見，隨著磷渣對(duì)粉煤灰的取代，混凝土的工作性能得到一定改善，流動(dòng)性增加。這主要是因?yàn)榱自凼撬樾紶畈Ａw，在混凝土中摻入細(xì)度較高的磷渣粉可以起到改善工作性能的作用，有利于降低拌和物的泌水程度，增強(qiáng)其和易性[10]。

隨著磷渣摻量增加，混凝土早期強(qiáng)度逐漸降低，后期強(qiáng)度逐漸增加。磷渣摻量為25%時(shí)，28 d強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后降低,如圖1所示。磷渣中少量[PO4]3-和F-與水泥水化析出的Ca(OH)2反應(yīng)，生成難溶的氟羥磷灰石和磷酸鈣，在水泥熟料顆粒表面生成保護(hù)性薄膜,延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間。另一方面，磷渣的摻入導(dǎo)致混凝土水化早期C-S-H凝膠的形貌，這是混凝土早期強(qiáng)度較低的因素之一[11-13]。磷渣的活性系數(shù)高于普通的粉煤灰, 因此，其后期強(qiáng)度有一定的增長(zhǎng)。但磷渣摻量過大會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)作用，以28 d強(qiáng)度為考察指標(biāo)，磷渣摻量以不超過25%為宜。

圖1 磷渣摻量對(duì)自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的影響

1.3 磷渣自密實(shí)混凝土配合比優(yōu)化

粗集料級(jí)配對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響分別見圖2、圖3。由圖2可見，隨著較細(xì)粗骨料(5～10 mm)的增多，T500增大。相同的粗集料含量下，較細(xì)的粗集料含量增加，粗集料相對(duì)比表面積增大。粗集料吸水率增大，且需要更多漿體包裹粗集料，而導(dǎo)致骨料之間的漿體層變薄，流動(dòng)阻力變大，速度變慢。當(dāng)比例為80∶20時(shí)，坍落擴(kuò)展度和J環(huán)擴(kuò)展度達(dá)到峰值，間隙通過性最好(坍落擴(kuò)展度和J環(huán)擴(kuò)展度之差最小)。若比例加大到90∶10 時(shí)，雖然粗集料的比表面積減少，富余砂漿增多，但是粗粒徑骨料的增多加大了粗集料間的屈服應(yīng)力，骨料堆積嚴(yán)重，間隙通過性差，不利于自密實(shí)。

圖2 粗集料級(jí)配對(duì)混凝土工作性能的影響

圖3 粗集料級(jí)配對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由圖3可見，自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度在級(jí)配為75∶25時(shí)達(dá)到最高值，當(dāng)級(jí)配上升到80∶20時(shí)強(qiáng)度略降，故確定粗集料的最佳級(jí)配為80∶20。

不同砂率對(duì)應(yīng)的混凝土工作性能和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 砂率對(duì)混凝土工作性能的影響

圖5 砂率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

由圖4、圖5可見，在相同的粗集料體積率下，隨著砂率的增加，T500測(cè)試結(jié)果呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用的砂含粉量較高，有一定的吸水性，砂含量增加，流動(dòng)性會(huì)變差。隨著粗集料體積率的增加，混凝土流動(dòng)需要克服的屈服應(yīng)力更大，流動(dòng)性降低，T500增加的趨勢(shì)更加明顯?；炷撂鋽U(kuò)展度和J環(huán)擴(kuò)展度隨砂率的上升呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)砂率過小時(shí)，沒有充分潤(rùn)滑粗集料，混凝土內(nèi)部存在較大的屈服應(yīng)力。隨著砂含量增加，混凝土內(nèi)部屈服應(yīng)力減小，包裹性更好，有利于混凝土流動(dòng)。砂率過大時(shí)，一方面砂的吸水效應(yīng)變得更加明顯，另一方面砂率變大導(dǎo)致膠凝材料用量變小，導(dǎo)致潤(rùn)滑集料的漿體變薄，難以充分裹攜集料流動(dòng)，因此砂率為46%時(shí)混凝土工作性能和強(qiáng)度最佳，因此確定最佳砂率為46%。

2 C30磷渣自密實(shí)堆石混凝土支擋結(jié)構(gòu)實(shí)例

G354甕安高粱坪至草塘公路改擴(kuò)建工程全長(zhǎng)10 km，按二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。本次應(yīng)用的K2+585-K2+715試驗(yàn)段擋墻，墻厚2 050 mm，墻高4～6 m，工程量為1 680 m3，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30,混凝土配合比見表2。

表2 自密實(shí)混凝土配合比

1) 模板準(zhǔn)備。采用工程塑料模板,外側(cè)采用鋼管水平定位支撐，內(nèi)側(cè)鋼筋拉條固定。模板固定后具有足夠承載能力、剛度和穩(wěn)定性，能承受澆筑自密實(shí)混凝土的側(cè)壓力和施工過程中產(chǎn)生的荷載。

2) 堆石入倉(cāng)。堆石料徑在300～800 mm之間，完整、質(zhì)地堅(jiān)硬、無剝落層和裂紋的石料放置入倉(cāng)，自由堆積，靠近模板部位的采用人工碼放，遵循“下大上小，中大外小”的堆放原則。

3) 混凝土澆筑?；炷劣猛诰驒C(jī)挖斗從堆石體表面澆筑，利用其優(yōu)越的流動(dòng)性能、抗離析性能和填注性能將堆石空隙充填密實(shí)，無須振搗。澆注過程中每一段擋墻的澆注點(diǎn)均勻布置于整個(gè)倉(cāng)面。

4) 脫模、養(yǎng)護(hù)。堆石混凝土澆筑完成后進(jìn)行拆模，在澆筑完畢6～18 h內(nèi)開始灑水養(yǎng)護(hù)，保持表面濕潤(rùn)。

3 C30磷渣自密實(shí)堆石混凝土支擋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢驗(yàn)

模板拆除后對(duì)其外觀質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示:混凝土表面光滑,無蜂窩麻面、大氣孔等缺陷。澆筑前取混凝土制作試件，測(cè)定其7 d和28 d強(qiáng)度，數(shù)據(jù)見表3。其7 d和28 d強(qiáng)度平均值分別為29.1 MPa和39.2 MPa，滿足C30混凝土的要求。

表3 現(xiàn)場(chǎng)留樣試塊強(qiáng)度

28 d后測(cè)量混凝土擋墻的回彈強(qiáng)度，每隔10 m測(cè)量3個(gè)高度不同區(qū)域的回彈強(qiáng)度，并根據(jù)JGJ/T 23-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算，各測(cè)區(qū)平均回彈值和混凝土強(qiáng)度值見表4?；貜棑Q算后的強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)留樣的強(qiáng)度值相符，滿足工程要求。28 d時(shí)，采用雷達(dá)法測(cè)試混凝土的密實(shí)度，雷達(dá)波衰減規(guī)律說明混凝土的密實(shí)性良好。

表4 各測(cè)區(qū)平均回彈值和混凝土強(qiáng)度值 MPa

4 磷渣自密實(shí)堆石混凝土經(jīng)濟(jì)效益分析

G354甕安高粱坪至草塘公路改擴(kuò)建工程地處貴州山區(qū)，多處需要支擋結(jié)構(gòu)加固，使用磷渣自密實(shí)堆石混凝土代替普通混凝土進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)的澆筑施工，不僅節(jié)約材料成本，加快施工，且節(jié)約人力，經(jīng)濟(jì)效益顯著。磷渣自密實(shí)堆石混凝土的原材料成本見表5。與普通混凝土擋墻的成本對(duì)比見表6。

表5 G354甕安高粱坪至草塘公路改擴(kuò)建工程材料價(jià)格

表6 C30混凝土擋墻材料費(fèi)用對(duì)比

由表6可見，磷渣自密實(shí)混凝土比普通混凝土造價(jià)低10.7元/m3，降低了成本。本次堆石混凝土試驗(yàn)段工程量共1 680 m3，實(shí)際澆筑過程中共使用混凝土690 m3，經(jīng)換算后擋墻成本為124.4元/m3，比普通混凝土降低了76.2元/m3，共節(jié)省成本128 016元。

5 結(jié)論

1) 磷渣的摻入可以增強(qiáng)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，有助于改善混凝土工作性；磷渣自密實(shí)混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)隨著磷渣含量的上升而下降，但其后期強(qiáng)度略高于普通混凝土。

2) 磷渣自密實(shí)混凝土的工作性能隨粗集料級(jí)配的變化發(fā)生變化，當(dāng)粗集料粗細(xì)骨料的比值為8∶2時(shí)，工作性能最佳；隨著砂率的增加，混凝土工作性能先增后降，當(dāng)砂率為46%時(shí)混凝土工作性最優(yōu)。

3) 采用試驗(yàn)優(yōu)選的C30磷渣自密實(shí)混凝土進(jìn)行堆石混凝土支擋結(jié)構(gòu)的施工，充分發(fā)揮了自密實(shí)混凝土良好的工作性能，在保證施工質(zhì)量的前提下，明顯提高了工程的施工效率，加快了工程進(jìn)度，無論是外觀還是強(qiáng)度均優(yōu)于普通混凝土。

4) 經(jīng)濟(jì)性方面，單方磷渣自密實(shí)混凝土比普通混凝土低10.9元/m3，結(jié)合堆石混凝土技術(shù)可以節(jié)省76.4元/m3，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。