浅析磷矿渣作为掺合料在碾压混凝土中的运用

1、浅析磷矿渣作为掺合料在碾压混凝土中的运用摘要：磷矿渣掺入混凝土后，混凝土热峰值减小，后期强度增加，混凝土极限拉伸值增大，有利于减少混凝土温度裂缝，保证混凝土耐久性；同时可充分利用外加剂的特殊性能延长混凝土初、终凝时间，降低大体积混凝土施工强度，有利于新老混凝土层间结合。关键词：碾压混凝土磷矿渣运用前景1贵州省磷矿渣生产、资源分布情况贵州磷矿资源十分丰富，有很多家黄磷生产企业，生产规模比较大的有：贵州黔能天和磷业有限公司、贵州开磷集团磷业公司、贵州瓮福黄磷有限公司，这些企业每制取一吨黄磷大约排放出810吨的磷矿渣，全省每年磷矿渣的排放量大约在150万吨200万吨之间，并且还在逐年增加，故磷矿渣储

2、量较大。磷矿渣作为一种工业废渣，大量采用露天堆放，占用土地资源，环境污染日趋严重，越来越引起人们的重视，尤其磷矿渣中的活性化学物质，更引起很多工程技术工作者的广泛关注，磷矿渣综合利用势在必行。贵州磷矿渣的主要生产、资源分布情况如下：贵州黔能天和磷业有限公司：天和磷业有限公司位于开阳县天和镇，目前存储磷矿渣约1000万吨；该公司共有7台大炉和3台小炉，具备年产磷矿渣约4550万吨的生产能力。贵州开磷集团磷业公司：位于息峰县小寨坝，1989年正式投产，目前储藏磷矿渣60万吨，拥有一条加工磷矿渣7万吨的球磨设备。磷矿渣部分供应在息峰水泥厂作混合材使用，四川重庆一些商家准备在该厂进行磷矿渣开发。该公司

3、有2台大炉，具备年产磷矿渣约6万吨的生产能力。贵州瓮福黄磷有限公司：位于福泉市郊，目前储藏磷矿渣约30万吨。该公司有1台提炼黄磷的电炉，年产磷矿渣5万吨左右，每4小时排放磷矿渣一次。2磷矿渣理化分析黄磷厂生产黄磷时，采用磷矿石（主原料）、焦碳（还原剂）、硅石（助熔剂）破碎烘干后按比例入炉煨烧“段烧温度达1400c左右），提炼出约10%黄磷，排出的剩余物刚出炉时呈黑色凝胶熔融状态，温度在13501500C,经过水淬后，成为粒状磷矿渣（粒径约5mm）,其外观呈青灰色或灰白色，P2O5含量越高颜色越深。磷矿渣的物理性质松散容重1100kg/m3,比重2.9左右。磷矿渣化学成分磷矿渣的化学成分主要有S

4、iO2、CaO、P2O5、AI2O3、MgO等，其中的SiO2、CaOAI2O3为活性物质，掺入水泥或混凝土中能和水泥水化产物继续发生二次水化反应，提高水泥或混凝土的后期强度，磷矿渣的质量通常用质量系数K的大小来衡量， 而磷矿渣中的P2O5则对水泥或混凝土产生危害， 故我国于1986年制定了 用于水泥中的粒化电炉磷矿渣GB6645-86国家标准，其技术规定为：质量系数K=（CaO+MgO+Al20c/（SiO2+P2O5）1.10；电炉磷矿渣中P2O53.5;体积密度1.3kg/L（指干基,松散容重）。磷矿渣活性在于水淬急冷后活性成分的玻璃体含量，其玻璃体结构为C2AS-C3s2。玻璃质的结构

5、主要由CaO/SiO2的改变而相应产生变化，磷矿渣中的CaO起到网络的作用，硅酸盐的聚合程度随着CaO的增加而改变，桥氧键断裂，化学键能降低，产生的断点氧又被Ca2+以非桥氧键连接起来。即=Si-O-Si=+Ca-O-=Si-O-Ca-O-Si=。磷矿渣的水硬活性高低与化学成分有关，活性高低用质量系数大小来评定，但必须在磷矿渣水淬充分时才具有较好的潜在活性规律。磷矿渣的矿化机理：水泥厂生产水泥时，用电炉磷矿渣配料，代替部分石灰石和粘土，具有加快熟料煨烧，降低热耗的矿化作用。这是由于电炉磷矿渣中含有P2O5和F-等矿化离子，能降低液相粘度和液相生成温度，促进固相反应，加速C2s对CaO的吸收和C

6、3s结晶矿物的形成。磷矿渣是由大量表面光滑的玻璃体组成,所以其需水比不大， 基本上不增加混凝土用水量。 又由于磷矿渣含有较高白活性物质SiO2和CaO,易于生成C-S-H凝胶，所以磷矿渣的抗压强度高，特别是后期强度。3磷矿渣作碾压混凝土掺和料工程运用实例磷矿渣在建材系统水泥生产行业中作混合材的应用技术已经成熟， 随着对磷矿渣认识的深入， 在水利水电工程中作为碾压混凝土掺合料也得到应用，如云南大朝山水电站工程均有过使用实例，积累了一定经验并取得较好的技术经济效果。大朝山电站就地取材，在国内首次采用凝灰岩(混合磨细为混凝土掺合料，通过在大朝山水电站使用(1)根据试验资料，碾压混凝土强度随着11.4

7、MPa,90d为26.616.5MPa。(2)掺和料掺量4070%时，碾压混凝土0.820.70(X10-4);90d劈拉强度达2.231.45MPa。(3)混凝土强度随着龄期的增长而增加，并随其掺和料掺量的增加混凝土后期强度增长速率增大。根据试验数据综合分析，NP掺量50%时，R90/R28为1.38;NP掺量60%时，R90/R28为1.42。(4)碾压混凝土干缩变形随着NP掺量的增加而有所增大，在0.5水胶比50%60%掺量90d干缩变形为3.804.32X10-4。(5)碾压碎水灰比0.500.53,NP掺量5065%,抗渗强度90d龄期均S12;抗冻指标90d龄期均F100。4磷矿渣

8、作碾压混凝土掺合料试验论证为了使贵州境内的磷矿渣得到有效的综合利用，我们以索风营电站工程为依托，针对索风营工程碾压混凝土坝施工特点，结合云南大朝山电站的成功应用经验，拟采用磷矿渣(压和常态混凝土掺合料应用于工程中。由于磷矿渣和粉煤灰均具有活性，同时掺入混凝土中使二次水化变得更加复杂，且二者颗粒结构不同，比重也相差较大，在混凝土中和水泥、外加剂等材料能否相容，还需要进一步进行试验论证，以保证大坝混凝土结构物的安全。论证试验采用索风营工程使用的原材料，进行单掺粉煤灰、单掺磷矿渣、复掺粉煤灰和磷矿渣，并进行不同掺量对比试验方N)和磷矿渣(P)各50%NP掺合料获得的试验结果得出以下几点结论：NP掺量

9、的增加而降低，掺量4070%时，28d为20.028d、90d极限拉伸值可分别达到0.720.61(X10-4)与P)和粉煤灰(F)复掺作为碾步论证磷矿渣作为混凝土掺合料的可行性。4.1试验用原材料试验选用贵州水泥厂生产的普通硅酸盐的磷矿渣并经加工磨细后进行试验。粉煤灰：其品质检测成果见表42.5水泥、凯里电厂粉煤灰、贵州开磷集团有限责任公司出产表 1粉煤灰品质检测成果1。磷矿渣：试验针对磷矿渣用作混凝土掺合检测项目比重烧失量需水比SO3%细度含水率28 天抗压强度比%测值2.364.0940.896.90.2870料进行，故先对贵州黔能天和磷业有限公司、贵州开磷集团磷业公司及贵州瓮福黄磷有限

10、公司三家黄磷厂出产的磷矿渣现场进行实地随机取样，经磨细后检测主要物理性能指标，并选择个不同掺量进行水泥胶砂强度对比试验。试验结果统计列于表目家一项二细度% 比重水比WWS%抗折弓 1 度 MPa抗压弓 1 度 MPa抗折强度比抗压强度比7d28d90d7d28d90d7d28d90d7d28d90d/07.69.09.4 45.663.072.0100100100100100100TH19.0 2.96102602.44.98.5 10.426.953.031.6 54.490.4 22.842.773.6KL15.2 2.91102602.85.79.0 11.929.557.036.8 6

11、3.395.7 26.146.879.2WF21.2 2.92100602.6:5.28.5 11.329.758.334.2 57.890.4 24.847.181.0TH19.0 2.96101305.78.19.9 29.151.469.875.0 90.0 105.3 63.881.696.9KL15.2 2.91101305.78.29.8 29.451.370.575.0 91.1 104.3 64.581.497.9WF21.2 2.9299305.78.29.9 29.852.472.075.0 91.1 105.3 65.483.2100注：1、TH黔能天和磷业有 F艮公司，

12、KL开阳磷业有限公百,WF-瓮福黄磷厂；2表中数据为10个样品的平均值细后作为试验用样品，其品质检测结果列于表4.2复合掺合料对混凝土拌和物性能的影响4.2.1FP掺合料对碾压混凝土拌和物凝结时间的影响3。检测项目比重烧失量需水比SO3%MgO% 细度 含水率28 天抗压强度比测值2.791.31001.800.7518.30.3479注：磷矿渣评定标准参照粉煤灰标准 DL/T5055-1996,细度用 0.045mm 筛。总掺量50%,QH-R20掺量0.8%,DH9掺量6/万，混凝土Vc值控制510s,取得的两种掺合料不同比例碾压混凝土凝结时间见图1。由图1看出：当掺合料采用不同比例复掺时

13、，碾压混凝土初凝时间较单掺粉煤灰略有缩短， 终凝时间无明显影响。4.2.2FP不同比例掺合料对硬化混凝土强度的影响表2磷矿渣物理品质检测结果(平均值)统计22。经过取样检测和分析，优选贵州开磷集团磷业公司出产的磷矿渣经磨表 3 磷矿渣品质检测成果不同掺合料比例和碾压混凝土凝结时间关系曲线案的试验研究，从碾压混凝土各种力学、变形、抗渗、耐久、热学等性能方面进一试验采用条件与测定碾压混凝土拌和物凝结时间，取得的两种掺合料不同比例碾压混凝土抗压强度成5磷矿渣用作碾压混凝土掺和料技术可靠性分析国内外利用磷矿渣作为混凝土掺合料有成功的经验可借鉴，用于工程时，对磷矿渣的现场质量控制，可根据工程情况参照国标

14、用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T18046-2000）、用于水泥中的粒化电炉磷矿渣（GB6645-1986）、水工混凝土掺用粉煤灰技术规范（GB1596-96）和硅酸盐水泥专业标准BQ11008-1988等，制定工程质量控制标准。磷矿渣水淬后为粒状物质，需磨细后进行使用，磨得越细，其活性越得到充分发挥，但磨得过细将增加加工成本，经济效益得不到体现，应从技术、经济两方面考虑找出适宜的磷矿渣比表面积，从改善、提高混凝土综合性能。果列于表4。图 1 不同掺合料比例和碾压硅凝结时间关系曲线试验成果表明，两种掺合料不同比例复掺，当磷矿渣比例由0%逐步变化到100%时，混凝土拌和物含气量无明显

15、改变，但拌和物的工作性能逐步变差；硬化后混凝土的抗压强度随着磷矿渣比例的加大而升高，当磷矿渣比例由0%逐步变化到100%时，28天抗压强度由21.8MPa增大为26.1MPa,相差4.3MPa,90天抗压强度由31.3MPa增大为36.9MPa,相差5.6MPa。不同方案（单掺和复掺）对硬化混凝土性能的影响根据以上碾压混凝土拌和物试验成果，分析选择合适的试验参表 4FP 不同比例 I 治料碾回蹒土向 ES 虽度潮颌课F:PVc(s)含气拌和物工作性抗压 5S 度 MPaR28R90|100:07.33.3包裹、植聚性好21.831.380:206.53.2包裹、粘聚性好22.132.160:4

16、07.83.1包裹、粘聚性好22.433.850:508.03.2包裹、粘聚性好22.834.145:557.53.3包裹、 粘聚性较女:23.234.740:607.13.1包裹、 粘聚性较女:24.534.833.3:66.76.93.1包裹、 粘聚性一用-25.235.320:806.73.1包裹、 粘聚性一曲上 25.935.70:1007.53.0包裹、 粘聚性较隽:26.136.9数，确定以单掺粉煤灰和粉煤灰与磷矿渣比例为5050复掺作为试验方案，进行不同掺合料掺量下不同龄期混凝土力学、变形、抗渗、抗冻、干缩、热学等性能指标的对比试验。分别见表5表8。表 5 掺 FP 碾压混凝土拌

17、和物及硬化后力学、变形性能试验成果试验编号 Z1胶出级配用水量kg/m3砂第QH-R20(%)DH91/万掺合料掺量Vc(S)含气量力学、变形性能试验成果抗压弓圉度 MPa抗压弹*MGPa 极限拉伸值 M。轴拉强度 MPa7d28d90d180d 28d90d28d90d28d90dDB-1530.52二94390.86F55%7.0 4.213.821.529.937.3 29.841.30.650.791.682.46DB-1540.52二94400.86二 27.5%+P27.5%15.7 3.814.121.530.839.3 33.742.40.690.811.792.70DB-15

18、60.55三88320.76F60%4.03.29.215.223.831.2 28.033.90.590.751.502.21DB-1590.55三85320.76F30%+P30%4.03.011.216.426.234.5 28.439.20.600.771.592.58备注F粉煤灰 P磷矿渣根据取得的试验结果得出以下结论表 6 碾压混凝土抗渗、抗冻性能试验成果磷矿渣和粉煤灰按不同比例复掺，混凝土28天、90天抗压强度较单掺粉煤灰的均有所提高，但提高幅度不大。采用不同比例的粉煤灰和磷矿渣进行复掺，磷矿渣比例为总掺量的0试验编号掺合料掺量90 天抗渗性能抗冻性能28 天才 一目对动弹模量（

19、）90 天相对动弹模量（）25 次50 次75 次 100 次25 次50 次75 次100办150 次DB-153F55%加压至 1.0MPa 寸未出现渗水86.981.971.154.188.884.080.675.6/DB-154F27.5%+P27.5%加压至 1.0MPa 寸未出现渗水92.989.381.970.792.287.684.082.6/DB-156F60%用压至 0.7MPaB 寸 3 个出现渗水64.842.4/85.469.9/DB-159F30%+P30%用压至 0.8MPa 寸 3 个出现渗水70.249.6/86.076.8/DB-160F15%/75.151

20、.734.4/90.685.274.562.1/DB-161F7.5%+P7.5%/88.083.576.870.191.987.486.580.2/注F粉煤灰 P磷矿渣50%范围，碾压混凝土的工作性好，包裹充分，振动时泛浆快，振后混凝土塑弹性好，当比例超过总掺量的50%后，工作性变差，骨料有分离现象，震动泛浆慢，且混凝土不易振捣密实；在不同掺合料掺量下，采用粉煤灰和磷矿渣1:1进行复掺时，不同龄期碾压混凝土抗压强度、劈拉强度、轴拉强度、极限拉伸值和单掺粉煤灰比较，均有不同程度的提高，但弹性模量却有不同程度增大。采用粉煤灰和磷矿渣11进行复掺时，混凝土抗渗和抗冻性能和单掺粉煤灰比较，均略有提高

21、。采用粉煤灰和磷矿渣各50%复掺时，不同掺量下混凝土干缩值均比单掺粉煤灰者小。表7碾压混凝土干缩性能试验成果表8碾压混凝土热学性能试验成果试验编号指标,卜加物掺量干缩（x10-6）3d7d14d28d60d90dL2-2F52%+MgO3%44901361642021224L2-6F26%+P26%+MgO3%46811221511911 212L3-2F57%+MgO3%31671231711961 207L3-6二 28.5%+P28.5%+MgO3%2960117167 1921 204备注：F 一粉煤灰 P 一磷矿渣MgO 一氧化镁试验编号水胶比指标掺合料掺量（）热学性能（系数）导温

22、m2/h导热 KJ/m.h.C比热 KJ/kg.C线膨胀 x10-6aL2-20.50F52%+MgO3%0.00337.760.9635.67L2-60.50 F26%+P26%+MgO3%0.00358.070.9385.66L3-20.55F57%+MgO3%0.00358.040.965.61L3-60.55 F28.5%+P28.5%+MgO3%0.00368.250.9355.50备注：F 粉煤灰 P磷矿渣 MgO氧化镁根据磷矿渣在其它工程中的使用经验，因磷矿渣比重大，掺在混凝土中对混凝土的工作性有不利影响，且由于磷矿渣活性较高，掺入混凝土中将提高混凝土后期强度。故在应用前应根据工

23、程设计和施工要求确定合适的掺加方法及掺量。根据以往云南昭通渔洞水库和大朝山电站工程运用磷矿渣经验，磷矿渣各项物理性能指标按GB1596-96水工混凝土掺用粉煤灰技术规范n级粉煤灰标椎进行控制是可行的。6磷矿渣用作碾压混凝土掺和料经济性分析目前贵州省磷矿渣的应用还只是停留在水泥生产领域作为一种补充混合材料，耗量有限，在水利水电工程方面尚待开发和应用。根据磷矿渣在云南渔洞水库工程和云南大朝山水电站工程的应用情况来看，磷矿渣掺合料具有较高的后期活性，在混凝土中掺用，可大掺量替代水泥，降低水化温升，对大坝的温控防裂有利，在技术上是可行的；作为一种工业废渣，原料价格低，并可就近选址加工，经济效益显著。家

24、规划的12个水电基地之一。乌江干流规划建设10个梯级电站， 其中9个在贵州境内，规划总装机容量七百七十四点五万千瓦。清水河位于黔中地区，目前共规划开发大花水、下坝、格里桥、脚渡河等四个梯级电站，流域开发总装机为32.6万千瓦。近两年来，贵州省内的构皮滩、思林、光照、三板溪3个100300万千瓦级的电站和省际界河南盘江上的平班电站先后开工。目前，省内乌江上的沙沱、北盘江上的董箸、马马岩3座共约200万千瓦左右的大型电站尚未开始建设。今后一个时期，国家将在贵州投资近三百亿元进行水电开发。水电开发中的重要建筑物一一拦河大坝大多采用相对比较成熟的碾压混凝土筑坝技术。由于粉煤灰在碾压混凝土中的掺量较大，贵州境内符合混凝土标准的粉煤灰资源短缺，故粉煤灰需从省外调入，增加了工程成本。为此，为了有效解决因碾压混凝土中掺和料资源严重不足给工程施工带来的被动局面，我们赏识采用磷矿渣部分取代粉煤灰进行碾压混凝土性能研究。综合利用贵州境内的磷矿渣资源，以利降低工程成本