磷尾矿粉对混凝土力学性能的影响

卜娜蕊，江 伟，吕浩璋，白润山

（1.河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000）

随着我国工业的迅速发展，产生了大量的工业废弃料，磷尾矿就是其中之一［1-2］。我国磷尾矿资源位居世界第二，据统计截至2021 年我国磷尾矿储存量为37.55×109t。根据不完全统计，我国磷尾矿的利用率约为10%左右，如此低的利用率必定将造成大量的磷尾矿堆积。大量的磷尾矿堆积会造成以下危害：占用大量的国土资源，磷尾矿中的一些有害元素（如P）会对土壤和水资源造成一定的污染。如何处理磷尾矿成为一个迫在眉睫的问题。

由于磷尾矿的主要成分和河砂的主要成分一样,磷尾矿粉作为一种新的材料可以适当地替代河砂，添加到混凝土中，从而运用到建筑材料上。如，姜立龙等［3］研究了以磷尾矿粉作为胶凝材料所制备的不同强度等级混凝土的性能，证明了适量地加入磷尾矿粉可以改善混凝土的相关性能。本文在前人的研究基础上，探究0.075 mm 以下的磷尾矿粉替代适量的河砂对混凝土力学性能的影响。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料为水泥（河北省张家口市桥东区姚家庄村，水泥相关的化学成分和相关的其他性能分别见表1 和表2）、混凝土中的粗骨料（河北省张家口市正大玄武岩碎石厂，碎石粒径为5 mm～31.5 mm，碎石堆积密度为1 550 kg/m3,表观密度为2 640 kg/m3，碎石中的含泥量为0.2%）、混凝土中的细骨料（选自河北省张家口市赤城县天然河砂，河砂粒径为0.15 mm～4.75 mm，砂的细度模数为3.2，堆积密度为1 490 kg/m3，表观密度为2 640 kg/m3，河砂中的含泥量为0.65%）、磷尾矿（河北省张家口市矾山镇，磷尾矿无毒无辐射，磷尾矿的矿物组成见表3，化学成分见表4。研磨后的磷尾矿的粒径分布见表5）。试验中所选用的减水剂为聚羧酸减水剂和自来水。

表1 水泥的主要化学成分

表2 水泥的其他性能

表3 磷尾矿的相关矿物组成

表4 磷尾矿化学成分

表5 磷尾矿粉的粒径分布

1.2 混凝土配合比设计

混凝土配合比参照JFJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行设计，本文设计的混凝土强度为C40，水灰比为0.4，采用磷尾矿粉分别以6%、12%、18%和24%替代河砂加入到混凝土中，从而设置不同的组别。每个组别中水泥、碎石等材料保持质量不变，只改变磷尾矿粉替代河砂的用量，具体配合比见表6。

表6 混凝土配合比设计

2 混凝土试块检测

试块制作好后，立即带模放入恒温恒湿的养护室中进行养护，24 h 后，对试块进行脱模，然后继续放在恒温恒湿的养护室中进行养护。按照GB/T 50107—2010《混凝土强度检测评定标准》对混凝土分别进行7 d 和28 d 强度检测。

3 实验结果及分析

根据所设计的混凝土配合比，对每个组别混凝土的拌合物性能以及强度进行测试，掺入磷尾矿粉对C40 混凝土的拌合物性能以及强度的影响见表7。

表7 磷尾矿粉对C40 混凝土的拌合物性能以及强度的影响

由表7 可以看出：在水灰比保持不变的情况下，适量的磷尾矿粉的加入改变了混凝土的塌落度并且使混凝土的和易性保持良好［4］。混凝土的塌落度随着磷尾矿粉的加入，呈先上升趋势后下降趋势；混凝土的和易性随着磷尾矿粉的加入，先变好后逐渐变差。当掺入12%的磷尾矿粉时，混凝土的塌落度达到最大，此时混凝土的和易性达到最佳。导致混凝土塌落度增大、和易性变好的原因主要是适量磷尾矿粉的加入，起到了物理填充的作用，改变了混凝土的颗粒级配［5］。当掺入18%的磷尾矿粉时，混凝土的塌落度与和易性均比掺入12%的多磷尾矿粉时有所下降，此时混凝土的塌落度为205 mm、和易性一般。当掺入24%的磷尾矿粉时，混凝土的塌落度最小，此时混凝土的和易性较差。导致混凝土塌落度减小和和易性变差的原因主要是过多磷尾矿粉的加入使混凝土需水量增加，而本文保持用水的质量不变，故出现混凝土的塌落度减小、和易性变差。

混凝土的抗压强度随着磷尾矿粉的掺入先增大后减小，与混凝土的塌落度变化规律类似。当掺入6%的磷尾矿粉时，7 d 龄期混凝土的抗压强度达到最大值，相对于同龄期基准组（1 组）混凝土强度提高了12.2%。当掺入12%的磷尾矿粉时，28 d 龄期混凝土的抗压强度达到最大值，相对于同龄期基准期混凝土强度提高了11.0%。当分别以6%、12%、18%、24%的磷尾矿粉替代河砂掺入到混凝土中时，28 d龄期混凝土的抗压强度均比同龄期基准组混凝土的强度要高.

由表7 可知，掺入适量磷尾矿粉的混凝土抗压强度变化和塌落度变化规律基本保持一致。适量的磷尾矿粉替代河砂加入到混凝土中改变了混凝土的级配，使得混凝土的强度提高。7 d 龄期混凝土强度最高增长了12.2%，28 d 龄期混凝土的强度最高增长了11.0%。但过多的磷尾矿粉替代河砂加入到混凝土中，导致混凝土需水量增加，从而混凝土的塌落度减小、和易性变差、强度减弱。

4 结论

本研究得出如下结论。

（1）适量的磷尾矿粉掺入到混凝土中，混凝土的塌落度先增大后减小，混凝土的和易性变化规律和塌落度变化规律一致，也是先增大后减小。

（2）适量的磷尾矿粉掺入到混凝土中，7 d 混凝土的抗压强度无明显变化；28 d 混凝土的抗压强度都是随着磷尾矿粉的掺加先增大后减小，且28 d 混凝土的抗压强度比基准组强度要高。当掺入6%的磷尾矿粉时，7 d 混凝土的强度达到最大值，相对于同龄期基准组混凝土强度提高了12.2%。当掺入12%的磷尾矿粉时，28 d 混凝土的强度达到最大值，相对于同龄期基准期混凝土强度提高了11.0%。

（3）适量的磷尾矿粉掺入到混凝土中，可以改善混凝土的力学性能，磷尾矿粉可以作为矿物掺合料加入到混凝土中。