磷渣自密实堆石混凝土道路支挡结构工程应用研究*

张咏富 李将伟 白明举 许世勇 朱伟胜 吉晓莉

(1.贵州省都匀公路管理局 都匀 558000； 2.湖北利民建设工程咨询有限公司 襄阳 441100； 3.武汉理工大学材料科学与工程学院 武汉 430070)

常见的磷渣为粒化电炉磷渣，是用电炉法制取黄磷时得到的以硅酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒而得的玻璃质矿物[1]。中国是世界上主要的磷矿产地之一，中国磷矿储量仅次于摩洛哥和西撒哈拉地区，位居世界第二[2],我国磷渣的年排放量达600万～800万t。我国多数黄磷生产企业将磷渣作为废渣堆放，在堆放过程中，磷渣中的P2O5和其他有害成分会在雨水的淋溶下渗入地下造成土壤及地下水污染。此外，废弃磷渣中的某些成分还可能会导致放射性污染[3]，因此，磷渣的合理处置与综合利用具有很高的社会经济和生态环境效益[4]。目前国内外关于磷渣的再利用有很多途径，如利用磷渣制备陶瓷材料、微晶玻璃，但其利用效率一直不高。由于磷渣具有较高的潜在水硬活性，将其用作水泥混合材料和混凝土矿物掺和料是大量利用磷渣的有效途径[5-6]。这不仅可以减少磷渣堆放所占用的土地，降低废弃磷渣对环境的污染, 还可以解决西南地区粉煤灰供应紧张的问题[7]。

本文采用磷渣粉作为掺和料研制高流动性的自密实混凝土[8]，浇筑在相互嵌锁的堆石间，并在重力式挡土墙结构中进行工程应用试验。结果表明，自密实堆石混凝土充分发挥石料之间的嵌锁作用，在减少胶凝材料用量的同时提高了混凝土结构的稳定性，有助于解决混凝土生命周期碳排放与环境污染问题[9]。

1 磷渣自密实堆石混凝土配合比设计

1.1 试验材料与方法

本试验选用海螺P·O42.5水泥，II级粉煤灰，碎石为4.75～9.5，9.5～16 mm 2种粒径，表观密度为2 710 kg/m3，砂选用细度模数为3.01、表观密度为2 700 kg/m3的贵州地区山砂，磷渣由本地磷矿企业的废弃磷渣粉磨而成，其表观密度为2 800 kg/m3，减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

新拌和自密实混凝土工作性能按照JGJ/T283-2012 《自密实混凝土应用技术规程》 的相关标准测试，测量T500、扩展度、J环扩展度等；混凝土抗压强度试件的养护和检测均参照JTG E30-2005 《公路工程水泥混凝土试验规程》 中相关规范执行。

1.2 磷渣掺量对自密实混凝土的影响

本实验使用磷渣和粉煤灰互掺代替40%的水泥，试验设置了15%，20%，25%，30% 4组不同磷渣掺量，其对自密实混凝土性能的影响见表1。

表1 不同磷渣掺量的试验结果

由表1可见，随着磷渣对粉煤灰的取代，混凝土的工作性能得到一定改善，流动性增加。这主要是因为磷渣粉是碎屑状玻璃体，在混凝土中掺入细度较高的磷渣粉可以起到改善工作性能的作用，有利于降低拌和物的泌水程度，增强其和易性[10]。

随着磷渣掺量增加，混凝土早期强度逐渐降低，后期强度逐渐增加。磷渣掺量为25%时，28 d强度达到最大值，随后降低,如图1所示。磷渣中少量[PO4]3-和F-与水泥水化析出的Ca(OH)2反应，生成难溶的氟羟磷灰石和磷酸钙，在水泥熟料颗粒表面生成保护性薄膜,延长凝结时间。另一方面，磷渣的掺入导致混凝土水化早期C-S-H凝胶的形貌，这是混凝土早期强度较低的因素之一[11-13]。磷渣的活性系数高于普通的粉煤灰, 因此，其后期强度有一定的增长。但磷渣掺量过大会对混凝土的强度产生负作用，以28 d强度为考察指标，磷渣掺量以不超过25%为宜。

图1 磷渣掺量对自密实混凝土力学性能的影响

1.3 磷渣自密实混凝土配合比优化

粗集料级配对混凝土工作性能和力学性能的影响分别见图2、图3。由图2可见，随着较细粗骨料(5～10 mm)的增多，T500增大。相同的粗集料含量下，较细的粗集料含量增加，粗集料相对比表面积增大。粗集料吸水率增大，且需要更多浆体包裹粗集料，而导致骨料之间的浆体层变薄，流动阻力变大，速度变慢。当比例为80∶20时，坍落扩展度和J环扩展度达到峰值，间隙通过性最好(坍落扩展度和J环扩展度之差最小)。若比例加大到90∶10 时，虽然粗集料的比表面积减少，富余砂浆增多，但是粗粒径骨料的增多加大了粗集料间的屈服应力，骨料堆积严重，间隙通过性差，不利于自密实。

图2 粗集料级配对混凝土工作性能的影响

图3 粗集料级配对混凝土力学性能的影响

由图3可见，自密实混凝土的强度在级配为75∶25时达到最高值，当级配上升到80∶20时强度略降，故确定粗集料的最佳级配为80∶20。

不同砂率对应的混凝土工作性能和力学性能测试结果见图4和图5。

图4 砂率对混凝土工作性能的影响

图5 砂率对混凝土力学性能的影响

由图4、图5可见，在相同的粗集料体积率下，随着砂率的增加，T500测试结果呈增加趋势。这是因为实验所用的砂含粉量较高，有一定的吸水性，砂含量增加，流动性会变差。随着粗集料体积率的增加，混凝土流动需要克服的屈服应力更大，流动性降低，T500增加的趋势更加明显。混凝土坍落扩展度和J环扩展度随砂率的上升呈现先增后减的趋势，因为当砂率过小时，没有充分润滑粗集料，混凝土内部存在较大的屈服应力。随着砂含量增加，混凝土内部屈服应力减小，包裹性更好，有利于混凝土流动。砂率过大时，一方面砂的吸水效应变得更加明显，另一方面砂率变大导致胶凝材料用量变小，导致润滑集料的浆体变薄，难以充分裹携集料流动，因此砂率为46%时混凝土工作性能和强度最佳，因此确定最佳砂率为46%。

2 C30磷渣自密实堆石混凝土支挡结构实例

G354瓮安高粱坪至草塘公路改扩建工程全长10 km，按二级公路标准建设。本次应用的K2+585-K2+715试验段挡墙，墙厚2 050 mm，墙高4～6 m，工程量为1 680 m3，混凝土设计强度为C30,混凝土配合比见表2。

表2 自密实混凝土配合比

1) 模板准备。采用工程塑料模板,外侧采用钢管水平定位支撑，内侧钢筋拉条固定。模板固定后具有足够承载能力、刚度和稳定性，能承受浇筑自密实混凝土的侧压力和施工过程中产生的荷载。

2) 堆石入仓。堆石料径在300～800 mm之间，完整、质地坚硬、无剥落层和裂纹的石料放置入仓，自由堆积，靠近模板部位的采用人工码放，遵循“下大上小，中大外小”的堆放原则。

3) 混凝土浇筑。混凝土用挖掘机挖斗从堆石体表面浇筑，利用其优越的流动性能、抗离析性能和填注性能将堆石空隙充填密实，无须振捣。浇注过程中每一段挡墙的浇注点均匀布置于整个仓面。

4) 脱模、养护。堆石混凝土浇筑完成后进行拆模，在浇筑完毕6～18 h内开始洒水养护，保持表面湿润。

3 C30磷渣自密实堆石混凝土支挡结构的质量检验

模板拆除后对其外观质量进行检验。检验结果显示:混凝土表面光滑,无蜂窝麻面、大气孔等缺陷。浇筑前取混凝土制作试件，测定其7 d和28 d强度，数据见表3。其7 d和28 d强度平均值分别为29.1 MPa和39.2 MPa，满足C30混凝土的要求。

表3 现场留样试块强度

28 d后测量混凝土挡墙的回弹强度，每隔10 m测量3个高度不同区域的回弹强度，并根据JGJ/T 23-2011标准进行换算，各测区平均回弹值和混凝土强度值见表4。回弹换算后的强度与现场留样的强度值相符，满足工程要求。28 d时，采用雷达法测试混凝土的密实度，雷达波衰减规律说明混凝土的密实性良好。

表4 各测区平均回弹值和混凝土强度值 MPa

4 磷渣自密实堆石混凝土经济效益分析

G354瓮安高粱坪至草塘公路改扩建工程地处贵州山区，多处需要支挡结构加固，使用磷渣自密实堆石混凝土代替普通混凝土进行支挡结构的浇筑施工，不仅节约材料成本，加快施工，且节约人力，经济效益显著。磷渣自密实堆石混凝土的原材料成本见表5。与普通混凝土挡墙的成本对比见表6。

表5 G354瓮安高粱坪至草塘公路改扩建工程材料价格

表6 C30混凝土挡墙材料费用对比

由表6可见，磷渣自密实混凝土比普通混凝土造价低10.7元/m3，降低了成本。本次堆石混凝土试验段工程量共1 680 m3，实际浇筑过程中共使用混凝土690 m3，经换算后挡墙成本为124.4元/m3，比普通混凝土降低了76.2元/m3，共节省成本128 016元。

5 结论

1) 磷渣的掺入可以增强自密实混凝土的流动性，有助于改善混凝土工作性；磷渣自密实混凝土的早期强度会随着磷渣含量的上升而下降，但其后期强度略高于普通混凝土。

2) 磷渣自密实混凝土的工作性能随粗集料级配的变化发生变化，当粗集料粗细骨料的比值为8∶2时，工作性能最佳；随着砂率的增加，混凝土工作性能先增后降，当砂率为46%时混凝土工作性最优。

3) 采用试验优选的C30磷渣自密实混凝土进行堆石混凝土支挡结构的施工，充分发挥了自密实混凝土良好的工作性能，在保证施工质量的前提下，明显提高了工程的施工效率，加快了工程进度，无论是外观还是强度均优于普通混凝土。

4) 经济性方面，单方磷渣自密实混凝土比普通混凝土低10.9元/m3，结合堆石混凝土技术可以节省76.4元/m3，具有巨大的经济效益。