磷渣在特種混凝土中的研究

梅飛 張雙艷 徐杰

摘要：粉煤灰、礦渣、硅灰等礦物摻合料有效地改善混凝土工作性、力學(xué)性能與耐久性，因此被廣泛應(yīng)用。本文主要介紹磷渣粉在混凝土中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：磷渣粉;粉煤灰;摻合料;混凝土

前言

磷礦渣是生產(chǎn)磷肥時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，磷礦渣粉具有較高的后期活性，在混凝土中摻用可以改善混凝土的性能。用磷礦渣粉在水利工程中作為混凝土摻和料，已在很多水庫(kù)大壩工程中應(yīng)用并積累了一定經(jīng)驗(yàn)并取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。研究磷渣磨細(xì)至一定細(xì)度的粉體，作為一種礦物摻合料制備機(jī)制砂混凝土，不但有利于緩解目前某些地區(qū)自然資源缺乏問(wèn)題，且可以將磷渣變廢為寶，有效保護(hù)了環(huán)境。

1磷渣的化學(xué)成分與礦物組成

磷渣的化學(xué)成分與?；郀t礦渣相近，不同之處是磷渣中二氧化硅和氧化鈣的含量較高，磷渣的潛在礦物相主要為假硅灰石和硅鈣石等，氟在磷渣中與硅鈣石形成固溶體槍晶石;其它次要礦物又分為以下幾種情況：主鈣磷渣可能含有硅酸二鈣;鋁磷渣可能含有黃長(zhǎng)石或鈣長(zhǎng)石;高磷磷渣含有較多的氟磷灰石。此外，磷渣中還含有少量結(jié)晶相，如石英、假灰石、方解石等。不是產(chǎn)地磷渣的化學(xué)組成不完全相同，其取決于電爐法制取黃磷時(shí)所用的磷礦石、硅石、焦碳等的組成與匹配有關(guān)。

2磷渣的活性與影響因素

2.1化學(xué)成分的影響

磷渣活性與其化學(xué)成分有直接關(guān)系。根據(jù)玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理論，硅、磷是網(wǎng)絡(luò)的形成體，且P205含量越高，則玻璃體的聚合度也越高。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)較穩(wěn)低，磷渣活性較低。鈣、鎂、鋁是網(wǎng)絡(luò)的改變體和調(diào)整體，其含量增加可以提高磷渣的活性。其中磷渣中氧化鋁一般以鋁酸鈣形式存在，在極性O(shè)H-作用下，鋁氧四面體和鋁氧八面體先于硅氧四面體被溶解分散，表現(xiàn)出早期活性。磷渣中MgO分布于玻璃體結(jié)構(gòu)空穴中，形成不均勻物相，使玻璃體微晶相無(wú)序化排列，有利于磷渣活性發(fā)揮。

2.2玻璃體含量的影響

除化學(xué)成分外，磷渣的活性與玻璃體的數(shù)量與結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)磷渣玻璃體含量通常在85%以上在化學(xué)成分相近時(shí)，磷渣玻璃體數(shù)量與結(jié)構(gòu)很大程度上取決于磷渣水淬程度。研究表明，磷渣玻璃體的硅氧四面體結(jié)構(gòu)單元中，橋氧離子通過(guò)Si-O鍵在頂端結(jié)合成空間網(wǎng)絡(luò)，而鈣離子、鎂離子等金屬離子則嵌布于網(wǎng)絡(luò)空隙中，在熔融狀況下的硅氧鍵產(chǎn)生很多斷點(diǎn)，也就是產(chǎn)生了很多具有自由頂點(diǎn)的末端四面體，在急冷處理會(huì)使上述熔融結(jié)構(gòu)被凍結(jié)下來(lái)，使?；自哂邢喈?dāng)數(shù)量的不穩(wěn)定末端四面體，具有很高的化學(xué)活性。

3磷礦渣粉對(duì)混凝土的影響

3.1磷礦渣粉和粉煤灰混摻對(duì)混凝土拌和物凝結(jié)時(shí)間和泌水率的影響

當(dāng)磷礦渣粉和粉煤灰采用不同比例混摻時(shí)，碾壓混凝土的初凝時(shí)間較單摻粉煤灰略有縮短，但對(duì)終凝時(shí)間無(wú)明顯影響;在常態(tài)混凝土中，對(duì)凝結(jié)時(shí)問(wèn)沒(méi)有明顯影響，但其泌水率隨著磷礦渣粉摻量的增加而逐漸減少。

3.2磷礦渣粉與粉煤灰混摻對(duì)混凝土力學(xué)、變形、抗?jié)B、耐久等性能的影響

3.2.1對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

隨著磷礦渣粉比側(cè)的增加，碾壓混凝土28d和90d的抗壓強(qiáng)度均有所提高，但提高幅度不大;在常態(tài)混凝土中，隨著磷礦渣粉比例的增加，抗壓強(qiáng)度也有增加的趨勢(shì)，但由于摻量較小其增加趨勢(shì)較碾壓混凝土小。對(duì)于碾壓混凝土和常態(tài)混凝土，有磷礦渣粉與粉煤灰混摻的混凝土軸心抗拉強(qiáng)度均較單摻粉煤灰略離。

3.2.2對(duì)混凝土不同齡期變形性能和耐久性能的影響

磷礦渡粉與粉煤灰混摻后對(duì)混凝土變形和耐久性的試驗(yàn)表明，混摻碾壓混凝土和常態(tài)混凝土28d和90d的極限拉伸值比單摻粉煤灰混凝土都增加了10%左右，而彈性模量均較單摻粉煤灰要大10%左右。

3.2.3對(duì)混凝土抗?jié)B性能和抗凍性能的影響

磷礦渣粉和粉煤灰混摻混凝土28d和90d的抗?jié)B性能和抗凍性能相近，抗凍性能比單摻粉煤灰有改善。

3.3磷礦渣粉和粉煤灰混摻對(duì)混凝土干縮的影響

為了比較混摻摻合料對(duì)混凝土干縮性能的影響，試驗(yàn)選用了單摻粉煤灰、粉煤灰和磷礦渣粉各50%混摻及單摻磷礦渣粉3種試驗(yàn)方案，分別進(jìn)行碾壓混凝土和常態(tài)混凝土的干縮試驗(yàn)，從7d和28d的干縮試驗(yàn)成果看出：在常態(tài)混凝土和碾壓混凝土中，單摻粉煤灰的混凝土干縮值攝大;采用粉煤灰和磷礦渣粉各50%混摻時(shí)，混凝±干縮有所減少;當(dāng)全部用磷礦渣粉替代粉煤灰后，混凝土的干縮值最小;常態(tài)混凝土比碾壓混凝土干縮值要大。

4磷渣粉在混凝土中應(yīng)用

磷渣粉在混凝土中應(yīng)用的研究，國(guó)內(nèi)外早在20世紀(jì)80年代就已開(kāi)始磷渣用作混凝土摻合料，不但可大幅度降低混凝土水化熱和絕熱溫升，提高混凝土極限拉伸值，同時(shí)其抗海水和硫酸鹽侵蝕能力優(yōu)良，混凝土抗?jié)B性能，抑制堿骨料反應(yīng)能力強(qiáng)，適于大體積混凝土工程應(yīng)用。磷渣粉與粉煤灰、礦渣微粉一樣用作礦物細(xì)摻料對(duì)混凝土拌合物有一定減水作用，能顯著改善混凝土及水泥石孔結(jié)構(gòu)，降低水泥石中Ca（OH）含量。

近年研究表明，磷渣粉配制的高性能混凝土具有良好工作性能和優(yōu)異耐久性能，用30%磷渣超細(xì)粉代替普通水泥制備混凝土的力學(xué)性能有明顯提高，且抗凍性、抗?jié)B性、耐磨性、抗碳化性和抗收縮性能均有不同程度改善，混凝土耐久性能有所提高。同時(shí)，磷渣粉比表面積由350m2/kg增至500m2/kg時(shí)，混凝土抗氯離子滲透能力和抗碳化能力明顯增強(qiáng)。此外，隨著磷渣粉在混凝土中摻量增大，混凝土抗凍性逐漸增強(qiáng)當(dāng)混凝土中磷渣摻量為40%時(shí)，混凝土50次凍融循環(huán)的相對(duì)動(dòng)彈性模量超出基準(zhǔn)混凝土149%，100-300次凍融循環(huán)的相對(duì)動(dòng)彈性模量均超出基準(zhǔn)混凝土。

5結(jié)語(yǔ)

磷渣在水泥和混凝土的應(yīng)用有許多優(yōu)勢(shì)，但其利用率卻遠(yuǎn)不及粉煤灰和礦渣，主要原因是由于磷渣水泥凝結(jié)時(shí)問(wèn)過(guò)于緩慢，早期強(qiáng)度偏低等，因此如何在實(shí)際生產(chǎn)中有效消除P205等有害成分的影響，仍需進(jìn)行大量研究工作。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，資料與環(huán)境日益成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。提高廢棄物再循環(huán)利用率，減少環(huán)境污染以及天然資源、能源的消耗，最大限度地消納工業(yè)廢棄物，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境和諧發(fā)展，已成為世界各國(guó)混凝土制造的發(fā)展要求。