磷矿渣粉煤灰双掺混凝土配合比试验研究

刘尚菊

（中国水利水电第八工程局有限公司 长沙市 410007）

随着中国经济的持续快速增长，水利水电工程规模也不断扩大，混凝土用量逐年增加，其重要组成部分-粉煤灰的消耗也以惊人的速度增长。构皮滩水电站位于我国西南地区，而地处西南地区的贵州省磷矿石资源丰富，用磷矿石的弃渣磨细作为混凝土的掺合料，替代粉煤灰是解决粉煤灰短缺的唯一重要研究方向。试验结果表明：掺磷矿渣粉的混凝土具有和易性好、早期水化热低、后期强度高、极限拉伸值较大、耐久性能好等优点。在水工混凝土推广应用磷矿渣粉，一方面可取代粉煤灰、降低材料成本，一方面可减轻磷矿渣粉作为废料堆积而引起的环境污染，具有很高的社会经济价值。

1 原材料

1.1 水 泥

试验用水泥为贵州江电葛洲坝水泥有限责任公司生产的中热硅酸盐P· MH42.5水泥，以下简称P·MH42.5水泥，不同磷矿渣粉掺量时对水泥水化热性能影响见表1。

水化热试验结果表明：胶材水化热随试验龄期的增长而增加；在同龄期情况下，胶材水化热随磷矿渣粉掺量的增加而显著降低。

表1 不同磷矿渣粉掺量时对水泥水化热性能影响

1.2 粉煤灰及磷矿渣粉

磷矿渣粉和粉煤灰联合掺用做为混凝土掺合料，也是西部水电大开发值得研究的一个课题，试验用粉煤灰为贵州凯里电厂准Ⅰ级粉煤灰、贵州瓮安瓮福黄磷有限责任公司生产的磷矿渣粉，磷矿渣粉物理品质检验成果分别见表2。

表2 磷矿渣粉物理品质试验成果表

结果表明：两种掺合料品质较好，检测各项性能指标均满足相应的标准要求。凯里电厂粉煤灰除需水比满足DL/T5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》Ⅱ级灰标准外，其它各项检测指标均达Ⅰ级灰标准。磷矿渣粉密度大于粉煤灰，两种掺合料的细度、需水比基本相当。

化学成份检验结果见表3，不同磷矿渣粉水泥胶砂强度比见表4。

表1～表4的检测结果表明：磷矿渣粉的掺量在15.0%～30.0%时，28d的抗压、抗折胶砂强度比基本接近。

表3 磷矿渣粉化学成分分析 %

表4 不同掺量的磷矿渣粉胶砂强度比

1.3 砂石骨料

采用构皮滩烂泥沟碎石场人工生产的砂、碎石骨料。

1.4 外加剂

采用江苏博特新材料有限公司生产的JM-Ⅱ高效减水剂，上海麦斯特有限公司生产的Micro202引气剂，凯里粉煤灰与磷矿渣粉的掺合比例为1∶1进行外加剂与水泥、掺合料的适应性试验。试验成果列于表5。

表5 外加剂适应性试验成果

试验结果表明外加剂与水泥不同掺量的掺合料相容性良好，未出现快凝、假凝、泌水大等不良现象，安定性合格；但凝结时间有较多的延长，这是由于磷矿渣粉含有P2O5，对净浆凝结时间有一定影响，减水剂的掺入对净浆也有缓凝作用。

2 混凝土拌和物性能

2.1 掺合料不同掺配比例对混凝土性能影响

作为混凝土掺合料，磷矿渣粉与粉煤灰由于其化学成份和颗粒形态不同，使其在混凝土中的活性效应及凝结硬化过程、微观结构有一定的差别，因此，作为复掺使用，其掺配比例对混凝土性能的影响需引起关注，本次试验采用三级配，坍落度按（4.0～6.0）cm控制，含气量按4.0%～5.5%控制，固定掺合料总掺量，改变磷矿渣粉和粉煤灰的掺配比例，进行混凝土拌和物性能、强度等试验，试验结果见表6。

从试验结果来看：在水胶比相同情况下，随磷矿渣粉含量的增加混凝土强度有增加的趋势，且复合掺合料不同掺配比例对混凝土拌合物塌落度、含气量无显著影响。

表6 掺合料不同掺配比例混凝土性能试验结果表

2.2 混凝土凝结时间试验

磷矿渣粉的掺入使水泥的凝结时间延长，缓凝高效减水剂的加入使磷矿渣粉混凝土具有更长的凝结时间。为满足施工要求，试验采用江苏博特新材料有限公司为掺磷矿渣粉混凝土特点改进生产的JM-Ⅱ高效减水剂，粗骨料级配为50∶30∶20，磷矿渣粉与粉煤灰总掺量30%（掺合比例1∶1）；试验温度：（21～25）℃，混凝土初凝时间在8h40min至9h12min之间，终凝时间在12h25min至13h之间。试验结果表明：减水剂在0.6%掺量下，改进型JM-Ⅱ高效减水剂拌制的混凝土凝结时间能满足浇筑要求，但如果施工温度高于25℃，应督促厂家适当延长凝结时间。

2.3 混凝土拌和物停放时间与坍落度、含气量损失关系

为了解磷矿渣粉混凝土保塑性及含气量随时间延长的损失情况，便于拌和现场混凝土机口控制，并确保入仓混凝土具有合适的工作度和满足设计要求的耐久性。试验采用三级配水胶比0.50混凝土，粉煤灰与磷矿渣粉总掺量30%（掺合比例为1∶1），JM-Ⅱ高效减水剂掺0.6%、Micro202引气剂掺1.0/万，混凝土坍落度控制在（5.0～7.0）cm，含气量控制3.0%～5.0%进行试验，试验结果表明：30min、60min、90 min混凝土坍落度损失率分别为19.2%、34.2%、58.9%，30min、60min、90min混凝土含气量损失率分别为32.0%、46.0%、64.0%，均能满足现场施工要求。

3 混凝土水灰比与强度的关系

在试验中，采用6∶4的二级配，粉煤灰与磷矿渣粉比例为1∶1，掺合料总掺量30%，混凝土陷度控制在（4.0～6.0）cm，含气量控制在3.0%～5.0%，水胶比与混凝土强度关系试验结果见表7、表8。

表7 水胶比与混凝土强度关系试验成果表

表8 水灰比与强度回归曲线表

试验研究结果表明：胶水比与抗压强度有良好的线性关系。

4 混凝土力学性能试验

根据配合比参数选择试验成果，针对各设计强度等级拟选择的混凝土配合比进行全面性能试验。试验研究成果列于表9、表10。

由表9、表10试验研究结果表明，所选择的配合比其混凝土性能均可满足设计要求。在水胶比、总掺合料相同的情况下，混凝土强度随单掺磷矿渣粉含量增加而增加，掺磷矿渣粉比复掺粉煤灰和磷矿渣粉28d强度可提高16%左右，90d强度可提高15%左右，由此表明磷矿渣粉的活性，不管是早期还是后期均高于粉煤灰。20%磷矿渣粉掺量情况下，28d极限拉伸1.01×10-4，90d极限拉伸值达1.23× 10-4。

表9 混凝土性能试验成果表一

表10 混凝土性能试验成果表二

5 混凝土耐久性能

5.1 混凝土抗冻性能试验

粉煤灰与磷矿渣粉各掺15%时，水灰比在0.45～ 0.50情况下，混凝土抗冻试验结果均远大于F200的设计要求，混凝土抗冻试验结果见表10。

5.2 混凝土干缩性能试验

为探索掺入磷矿渣粉对混凝土干缩变形的影响，本次试验选取0.5水胶比测试不同掺合料及其比例的干缩率，试验结果列于表11。从表中可看出：粉煤灰、磷矿渣粉双掺与单掺磷矿渣粉在0.50的水胶比，其干缩变形量基本相当；单掺30%的粉煤灰与单掺30%磷矿渣粉干缩率接近，由此表明：磷矿渣粉的掺入相比单掺粉煤灰不会增加混凝土干缩。

表11 混凝土干缩性能试验成果表

6 结 语

相同龄期情况下，磷矿渣粉胶凝材水化热随磷矿渣粉掺量的增加而减少，随磷矿渣粉掺量的提高，磷矿渣粉胶凝材水化热值显著降低。

磷矿渣粉由于含有P2O5，对混凝土凝结时间有一定影响，本次试验复掺磷矿渣粉和粉煤灰的同时，掺江苏博特新材料有限公司生产的JM-Ⅱ高效减水剂，混凝土初凝时间在（8～9）h之间，终凝时间在12 h左右，满足施工要求，混凝土和易性良好。

在水胶比、总掺合料相同的情况下，混凝土强度随单掺磷矿渣粉含量增加而增加，掺磷矿渣粉比复掺粉煤灰和磷矿渣粉28d强度可提高16.0%左右，90d强度可提高15.0%左右，由此表明磷矿渣粉的活性，不管是早期还是后期均高于粉煤灰。28d极限拉伸1.01×10-4，90d极限拉伸值达1.23×10-4。

粉煤灰与磷矿渣粉在1∶1的掺量时，水灰比在0.45～0.50情况下，混凝土抗冻试验结果均远大于F200的设计要求；粉煤灰、磷矿渣粉双掺与单掺磷矿渣粉在0.50的水胶比，其干缩变形量基本相当；单掺30.0%的粉煤灰与单掺30.0%磷矿渣粉干缩率接近，由此表明：磷矿渣粉的掺入相比单掺粉煤灰不会增加混凝土干缩。

1 宋军伟，方坤河.复掺磷渣、粉煤灰及硅灰的砂浆配合比优化研究[J].混凝土，2006（4）.