磷尾礦粉對混凝土力學性能的影響

卜娜蕊，江 偉，呂浩璋，白潤山

（1.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000）

隨著我國工業的迅速發展，產生了大量的工業廢棄料，磷尾礦就是其中之一［1-2］。我國磷尾礦資源位居世界第二，據統計截至2021 年我國磷尾礦儲存量為37.55×109t。根據不完全統計，我國磷尾礦的利用率約為10%左右，如此低的利用率必定將造成大量的磷尾礦堆積。大量的磷尾礦堆積會造成以下危害：占用大量的國土資源，磷尾礦中的一些有害元素（如P）會對土壤和水資源造成一定的污染。如何處理磷尾礦成為一個迫在眉睫的問題。

由于磷尾礦的主要成分和河砂的主要成分一樣,磷尾礦粉作為一種新的材料可以適當地替代河砂，添加到混凝土中，從而運用到建筑材料上。如，姜立龍等［3］研究了以磷尾礦粉作為膠凝材料所制備的不同強度等級混凝土的性能，證明了適量地加入磷尾礦粉可以改善混凝土的相關性能。本文在前人的研究基礎上，探究0.075 mm 以下的磷尾礦粉替代適量的河砂對混凝土力學性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為水泥（河北省張家口市橋東區姚家莊村，水泥相關的化學成分和相關的其他性能分別見表1 和表2）、混凝土中的粗骨料（河北省張家口市正大玄武巖碎石廠，碎石粒徑為5 mm～31.5 mm，碎石堆積密度為1 550 kg/m3,表觀密度為2 640 kg/m3，碎石中的含泥量為0.2%）、混凝土中的細骨料（選自河北省張家口市赤城縣天然河砂，河砂粒徑為0.15 mm～4.75 mm，砂的細度模數為3.2，堆積密度為1 490 kg/m3，表觀密度為2 640 kg/m3，河砂中的含泥量為0.65%）、磷尾礦（河北省張家口市礬山鎮，磷尾礦無毒無輻射，磷尾礦的礦物組成見表3，化學成分見表4。研磨后的磷尾礦的粒徑分布見表5）。試驗中所選用的減水劑為聚羧酸減水劑和自來水。

表1 水泥的主要化學成分

表2 水泥的其他性能

表3 磷尾礦的相關礦物組成

表4 磷尾礦化學成分

表5 磷尾礦粉的粒徑分布

1.2 混凝土配合比設計

混凝土配合比參照JFJ55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行設計，本文設計的混凝土強度為C40，水灰比為0.4，采用磷尾礦粉分別以6%、12%、18%和24%替代河砂加入到混凝土中，從而設置不同的組別。每個組別中水泥、碎石等材料保持質量不變，只改變磷尾礦粉替代河砂的用量，具體配合比見表6。

表6 混凝土配合比設計

2 混凝土試塊檢測

試塊制作好后，立即帶模放入恒溫恒濕的養護室中進行養護，24 h 后，對試塊進行脫模，然后繼續放在恒溫恒濕的養護室中進行養護。按照GB/T 50107—2010《混凝土強度檢測評定標準》對混凝土分別進行7 d 和28 d 強度檢測。

3 實驗結果及分析

根據所設計的混凝土配合比，對每個組別混凝土的拌合物性能以及強度進行測試，摻入磷尾礦粉對C40 混凝土的拌合物性能以及強度的影響見表7。

表7 磷尾礦粉對C40 混凝土的拌合物性能以及強度的影響

由表7 可以看出：在水灰比保持不變的情況下，適量的磷尾礦粉的加入改變了混凝土的塌落度并且使混凝土的和易性保持良好［4］。混凝土的塌落度隨著磷尾礦粉的加入，呈先上升趨勢后下降趨勢；混凝土的和易性隨著磷尾礦粉的加入，先變好后逐漸變差。當摻入12%的磷尾礦粉時，混凝土的塌落度達到最大，此時混凝土的和易性達到最佳。導致混凝土塌落度增大、和易性變好的原因主要是適量磷尾礦粉的加入，起到了物理填充的作用，改變了混凝土的顆粒級配［5］。當摻入18%的磷尾礦粉時，混凝土的塌落度與和易性均比摻入12%的多磷尾礦粉時有所下降，此時混凝土的塌落度為205 mm、和易性一般。當摻入24%的磷尾礦粉時，混凝土的塌落度最小，此時混凝土的和易性較差。導致混凝土塌落度減小和和易性變差的原因主要是過多磷尾礦粉的加入使混凝土需水量增加，而本文保持用水的質量不變，故出現混凝土的塌落度減小、和易性變差。

混凝土的抗壓強度隨著磷尾礦粉的摻入先增大后減小，與混凝土的塌落度變化規律類似。當摻入6%的磷尾礦粉時，7 d 齡期混凝土的抗壓強度達到最大值，相對于同齡期基準組（1 組）混凝土強度提高了12.2%。當摻入12%的磷尾礦粉時，28 d 齡期混凝土的抗壓強度達到最大值，相對于同齡期基準期混凝土強度提高了11.0%。當分別以6%、12%、18%、24%的磷尾礦粉替代河砂摻入到混凝土中時，28 d齡期混凝土的抗壓強度均比同齡期基準組混凝土的強度要高.

由表7 可知，摻入適量磷尾礦粉的混凝土抗壓強度變化和塌落度變化規律基本保持一致。適量的磷尾礦粉替代河砂加入到混凝土中改變了混凝土的級配，使得混凝土的強度提高。7 d 齡期混凝土強度最高增長了12.2%，28 d 齡期混凝土的強度最高增長了11.0%。但過多的磷尾礦粉替代河砂加入到混凝土中，導致混凝土需水量增加，從而混凝土的塌落度減小、和易性變差、強度減弱。

4 結論

本研究得出如下結論。

（1）適量的磷尾礦粉摻入到混凝土中，混凝土的塌落度先增大后減小，混凝土的和易性變化規律和塌落度變化規律一致，也是先增大后減小。

（2）適量的磷尾礦粉摻入到混凝土中，7 d 混凝土的抗壓強度無明顯變化；28 d 混凝土的抗壓強度都是隨著磷尾礦粉的摻加先增大后減小，且28 d 混凝土的抗壓強度比基準組強度要高。當摻入6%的磷尾礦粉時，7 d 混凝土的強度達到最大值，相對于同齡期基準組混凝土強度提高了12.2%。當摻入12%的磷尾礦粉時，28 d 混凝土的強度達到最大值，相對于同齡期基準期混凝土強度提高了11.0%。

（3）適量的磷尾礦粉摻入到混凝土中，可以改善混凝土的力學性能，磷尾礦粉可以作為礦物摻合料加入到混凝土中。