磷渣粉在成都地區(qū)商品混凝土中的應(yīng)用研究

解 悅， 雷 英 強(qiáng)， 唐 毅， 丁 建 彤， 黃 印， 何 建 軍

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

受水泥減產(chǎn)、砂石限采等政策性因素影響，成都地區(qū)商品混凝土的生產(chǎn)成本逐年遞增。與2020年相比，2021年水泥價(jià)格由450元/t上漲至700元/t，主要標(biāo)號(hào)(C25～C40)混凝土價(jià)格上漲60～80元/m3。因此，需要采取有效手段降低混凝土的生產(chǎn)成本。目前，商品混凝土站多采用磨細(xì)灰、礦渣粉等摻合料優(yōu)化膠凝材料組成以減少水泥用量，但在其應(yīng)用過(guò)程中易受到產(chǎn)能、價(jià)格、質(zhì)量等條件限制。因此，仍需找到一種容易獲取且質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的礦物摻合料。

?；姞t磷渣粉(以下簡(jiǎn)稱磷渣粉)是以磷礦石為原料，焦炭和硅石作為助劑，經(jīng)共熔、水淬、粉磨等工序處理后得到的一種工業(yè)副產(chǎn)品，具有較高的火山灰活性。諸多研究表明：采用磷渣粉配制混凝土?xí)r，可優(yōu)化粉體顆粒級(jí)配、改善水泥石孔結(jié)構(gòu)、提升混凝土性能[1，2]。因此，摻磷渣粉混凝土(簡(jiǎn)稱GGPSC)已廣泛應(yīng)用于水電、道橋等工程[3，4]。但在上述工程中，磷渣粉多以單摻形式使用，其摻量一般為膠材總量的20%～50%。

成都地區(qū)周邊磷渣粉資源豐富，活性高且運(yùn)到價(jià)僅為400元/t左右。但由于成都地區(qū)商品混凝土站尚未掌握GGPSC的生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)，導(dǎo)致其還未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。基于商品混凝土的性能特點(diǎn)，從降低水泥用量的角度出發(fā)，采用磷渣粉等量替代部分水泥配制GGPSC并對(duì)其工作性能、力學(xué)性能進(jìn)行分析，提出了適用于成都地區(qū)的GGPSC推薦配合比，并對(duì)目前已進(jìn)行的研究過(guò)程和取得的磷渣粉應(yīng)用效果進(jìn)行了闡述。

2 原材料和試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥：亞?wèn)|P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，產(chǎn)自四川樂(lè)山。

磨細(xì)灰：產(chǎn)自四川眉山(其物理化學(xué)性能見(jiàn)表1)并滿足GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ級(jí)粉煤灰要求。磨細(xì)灰和F類(lèi)Ⅱ級(jí)灰的顆粒形貌見(jiàn)圖1，表觀形貌見(jiàn)圖1a，與F類(lèi)Ⅱ級(jí)粉煤灰相比情況見(jiàn)圖1b，磨細(xì)灰顆粒為棱角狀多面體，未見(jiàn)球形玻璃體顆粒。

表1 磨細(xì)灰物理化學(xué)性能表 /%

圖1 磨細(xì)灰和F類(lèi)Ⅱ級(jí)灰的顆粒形貌示意圖

磷渣粉：產(chǎn)自四川雅安(磷渣粉物理化學(xué)性能見(jiàn)表2)并滿足GB/T 26751-2011《用于水泥和混凝土中的?；姞t磷渣粉》中L85級(jí)要求。

表2 磷渣粉物理化學(xué)性能表

骨料：四川樂(lè)山產(chǎn)人工碎石，直徑為5～31.5 mm，連續(xù)級(jí)配，壓碎指標(biāo)為5.8%。

細(xì)骨料：四川樂(lè)山產(chǎn)人工砂，石粉含量為4.1%，細(xì)度模數(shù)為2.7；四川新津產(chǎn)天然河砂，含泥量為1.8%，細(xì)度模數(shù)為2.2。

外加劑：四川同舟化工產(chǎn)聚羧酸高效減水劑，固物含量為10%，含5‰緩凝組分。

2.2 試驗(yàn)方法

此次研究以商品混凝土站產(chǎn)量最大的C30和C35混凝土為研究對(duì)象。目前，商品混凝土站多采用單摻20%～25%磨細(xì)灰的摻合料方案，但由于磨細(xì)灰價(jià)格僅為200～250元/t，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)若以磷渣粉替代磨細(xì)灰會(huì)導(dǎo)致混凝土生產(chǎn)成本增加。因此，此次研究采用磷渣粉等量替代部分水泥而不改變?cè)心ゼ?xì)灰用量的雙摻摻合料方案。同時(shí)，為避免磷渣粉的緩凝、低早強(qiáng)效果對(duì)混凝土早期性能的影響，控制磷渣粉摻量在較低范圍：C30混凝土中為30～70 kg/m3，C35混凝土中為40～80 kg/m3，GGPSC試驗(yàn)配合比見(jiàn)表3。

表3 GGPSC試驗(yàn)配合比表

此外，考慮到在冬季低溫條件下磷渣粉可能會(huì)對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間及早期強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生額外的負(fù)面影響，因此，基于所推薦的磷渣粉用量進(jìn)行了不同養(yǎng)護(hù)條件的C30 GGPSC性能對(duì)比，不同養(yǎng)護(hù)條件下的GGPSC試驗(yàn)配合比見(jiàn)表4。

表4 不同養(yǎng)護(hù)條件下的GGPSC試驗(yàn)配合比表

3 結(jié)果與討論

3.1 GGPSC試拌結(jié)果分析

GGPSC拌合物工作性能見(jiàn)表5。由于磷渣粉需水量比為99%，其對(duì)拌合物工作性能的影響程度與水泥相同，因此，GGPSC拌合物的各項(xiàng)工作性能指標(biāo)與基準(zhǔn)組基本一致。但是，磷渣粉摻量的增加導(dǎo)致拌合物出現(xiàn)輕微泌水，其產(chǎn)生的可能原因：(1)水泥用量的減少導(dǎo)致前期水化反應(yīng)總用水量減少，自由水增加；(2)磷渣粉顆粒堆積孔隙率高于水泥，由此帶來(lái)更高的滲水能力[5]。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)增加減水劑中的保水組分克服泌水問(wèn)題。

表5 GGPSC拌合物工作性能表

不同磷渣粉摻量的混凝土強(qiáng)度見(jiàn)圖2。在3 d和7 d時(shí)，磷渣粉對(duì)水泥的替代性摻入導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度整體呈降低趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)至28 d，GGPSC強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求且達(dá)到甚至超過(guò)基準(zhǔn)組強(qiáng)度水平。此外，隨著磷渣粉摻量的增加，各標(biāo)號(hào)下的GGPSC強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加、后降低的規(guī)律。雖然磷渣粉28 d活性指數(shù)僅為87%，但GGPSC的實(shí)際強(qiáng)度表現(xiàn)卻不差。這是由于磷渣粉的火山灰反應(yīng)和微集料效應(yīng)能夠減少混凝土硬化漿體中的大孔(直徑>100 nm)和片狀氫氧化鈣(CH)數(shù)量，其優(yōu)化了微觀結(jié)構(gòu)并提高了致密程度。同時(shí)，磷渣粉可降低混凝土界面過(guò)渡區(qū)處的CH定向富集，增強(qiáng)了水泥石與骨料的粘結(jié)[6，7]。

圖2 不同磷渣粉摻量的混凝土強(qiáng)度示意圖

根據(jù)以上結(jié)果得知：C30和C35 GGPSC的最優(yōu)磷渣粉摻量分別為50 kg/m3和60 kg/m3。

進(jìn)一步對(duì)GGPSC與基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度比及其強(qiáng)度增長(zhǎng)率(以3 d強(qiáng)度為基準(zhǔn))進(jìn)行了分析，如GGPSC與基準(zhǔn)混凝土各齡期強(qiáng)度比及增長(zhǎng)率(表6)所示：C30 GGPSC的3 d強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相比降低了18%～23%，但隨著磷渣粉活性的不斷激發(fā)，至7 d時(shí)降幅縮小至10%～16%，養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)強(qiáng)度比達(dá)到97%～104%。與C30 GGPSC相比，C35 GGPSC的水泥用量更多，相同齡期下磷渣粉與水泥水化產(chǎn)物的火山灰反應(yīng)程度亦更高。因此，3 d、7 d時(shí)C35 GGPSC強(qiáng)度比僅分別降低了8%～18%和3%～5%，28 d時(shí)強(qiáng)度比為100%～104%。

從表6中還可以看出：與基準(zhǔn)混凝土相比，GGPSC具有更好的強(qiáng)度發(fā)展，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度更大。與高早期活性的礦渣粉等高鋁質(zhì)摻合料不同，高硅鈣、低鋁的化學(xué)組成特性使磷渣粉在后期具有更強(qiáng)的火山灰活性，在90 d乃至更長(zhǎng)齡期下活性指數(shù)甚至能超過(guò)100%[8，9]。

表6 GGPSC與基準(zhǔn)混凝土各齡期強(qiáng)度比及增長(zhǎng)率表

3.2 低溫對(duì)摻GGPSC性能的影響

不同養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土終凝時(shí)間和強(qiáng)度示意圖見(jiàn)圖3。低溫對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間和各齡期強(qiáng)度發(fā)展均有負(fù)面影響。相同齡期下，同養(yǎng)混凝土強(qiáng)度比與標(biāo)養(yǎng)相比降低了3%～9%。但養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，兩種養(yǎng)護(hù)條件下的GGPSC強(qiáng)度皆優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。由于磷渣粉中少量氟、磷化合物的緩凝作用和減水劑中的緩凝組分產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)，加劇了低溫對(duì)GGPSC早期性能的影響。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土終凝時(shí)間和強(qiáng)度示意圖

GGPSC性能可滿足冬季建工、市政行業(yè)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體的施工要求。但是，考慮到原材料和施工質(zhì)量波動(dòng)對(duì)混凝土性能的額外影響，建議在冬季減少或完全去掉減水劑中的緩凝組分；同時(shí)，將磷渣粉的推薦摻量在原基礎(chǔ)上減少10～20 kg/m3。

4 磷渣粉在成都地區(qū)商品混凝土站的應(yīng)用

2020年初至今，中國(guó)水電七局在成都地區(qū)多個(gè)房建、市政項(xiàng)目累積應(yīng)用磷渣粉2萬(wàn)余t，節(jié)約混凝土生產(chǎn)成本400余萬(wàn)元。在其應(yīng)用過(guò)程中，動(dòng)態(tài)調(diào)整了磷渣粉摻量以滿足不同工程類(lèi)型和結(jié)構(gòu)部位對(duì)混凝土早期性能的需求。例如，針對(duì)蓄熱快、散熱條件差的大體積混凝土，充分利用了磷渣粉的緩凝效果，通過(guò)增加磷渣粉用量降低了由于混凝土早期溫升過(guò)快引發(fā)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；針對(duì)梁板、支護(hù)等對(duì)早期強(qiáng)度要求高的部位，適量減少了磷渣粉用量以提升混凝土的早期強(qiáng)度，加快了施工進(jìn)度。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)分別采用30～70 kg/m3和40～80 kg/m3磷渣粉等量替代水泥配制的C30和C35混凝土，除較高摻量下存在輕微泌水外，其余工作性能無(wú)明顯變化。

(2)隨著磷渣粉摻量的增加，GGPSC早期強(qiáng)度略有下降，但其28 d強(qiáng)度超過(guò)基準(zhǔn)混凝土。此外，磷渣粉摻量越高，GGPSC后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率越高，高磷渣粉替代量下的GGPSC長(zhǎng)齡期強(qiáng)度發(fā)展會(huì)更加理想。

(3)與基準(zhǔn)混凝土相比，GGPSC早期力學(xué)性能受低溫條件的負(fù)面影響更大。因此，在冬季生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)外加劑中的緩凝組分進(jìn)行調(diào)整，以降低磷渣粉中氟、磷化合物和減水劑中緩凝組分產(chǎn)生的復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間和早期強(qiáng)度的影響。