磷渣粉在成都地區商品混凝土中的應用研究

解 悅， 雷 英 強， 唐 毅， 丁 建 彤， 黃 印， 何 建 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

受水泥減產、砂石限采等政策性因素影響，成都地區商品混凝土的生產成本逐年遞增。與2020年相比，2021年水泥價格由450元/t上漲至700元/t，主要標號(C25～C40)混凝土價格上漲60～80元/m3。因此，需要采取有效手段降低混凝土的生產成本。目前，商品混凝土站多采用磨細灰、礦渣粉等摻合料優化膠凝材料組成以減少水泥用量，但在其應用過程中易受到產能、價格、質量等條件限制。因此，仍需找到一種容易獲取且質優價廉的礦物摻合料。

粒化電爐磷渣粉(以下簡稱磷渣粉)是以磷礦石為原料，焦炭和硅石作為助劑，經共熔、水淬、粉磨等工序處理后得到的一種工業副產品，具有較高的火山灰活性。諸多研究表明：采用磷渣粉配制混凝土時，可優化粉體顆粒級配、改善水泥石孔結構、提升混凝土性能[1，2]。因此，摻磷渣粉混凝土(簡稱GGPSC)已廣泛應用于水電、道橋等工程[3，4]。但在上述工程中，磷渣粉多以單摻形式使用，其摻量一般為膠材總量的20%～50%。

成都地區周邊磷渣粉資源豐富，活性高且運到價僅為400元/t左右。但由于成都地區商品混凝土站尚未掌握GGPSC的生產及應用技術，導致其還未得到大規模推廣應用。基于商品混凝土的性能特點，從降低水泥用量的角度出發，采用磷渣粉等量替代部分水泥配制GGPSC并對其工作性能、力學性能進行分析，提出了適用于成都地區的GGPSC推薦配合比，并對目前已進行的研究過程和取得的磷渣粉應用效果進行了闡述。

2 原材料和試驗方法

2.1 原材料

水泥：亞東P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，產自四川樂山。

磨細灰：產自四川眉山(其物理化學性能見表1)并滿足GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ級粉煤灰要求。磨細灰和F類Ⅱ級灰的顆粒形貌見圖1，表觀形貌見圖1a，與F類Ⅱ級粉煤灰相比情況見圖1b，磨細灰顆粒為棱角狀多面體，未見球形玻璃體顆粒。

表1 磨細灰物理化學性能表 /%

圖1 磨細灰和F類Ⅱ級灰的顆粒形貌示意圖

磷渣粉：產自四川雅安(磷渣粉物理化學性能見表2)并滿足GB/T 26751-2011《用于水泥和混凝土中的粒化電爐磷渣粉》中L85級要求。

表2 磷渣粉物理化學性能表

骨料：四川樂山產人工碎石，直徑為5～31.5 mm，連續級配，壓碎指標為5.8%。

細骨料：四川樂山產人工砂，石粉含量為4.1%，細度模數為2.7；四川新津產天然河砂，含泥量為1.8%，細度模數為2.2。

外加劑：四川同舟化工產聚羧酸高效減水劑，固物含量為10%，含5‰緩凝組分。

2.2 試驗方法

此次研究以商品混凝土站產量最大的C30和C35混凝土為研究對象。目前，商品混凝土站多采用單摻20%～25%磨細灰的摻合料方案，但由于磨細灰價格僅為200～250元/t，在配合比設計時若以磷渣粉替代磨細灰會導致混凝土生產成本增加。因此，此次研究采用磷渣粉等量替代部分水泥而不改變原有磨細灰用量的雙摻摻合料方案。同時，為避免磷渣粉的緩凝、低早強效果對混凝土早期性能的影響，控制磷渣粉摻量在較低范圍：C30混凝土中為30～70 kg/m3，C35混凝土中為40～80 kg/m3，GGPSC試驗配合比見表3。

表3 GGPSC試驗配合比表

此外，考慮到在冬季低溫條件下磷渣粉可能會對混凝土凝結時間及早期強度發展產生額外的負面影響，因此，基于所推薦的磷渣粉用量進行了不同養護條件的C30 GGPSC性能對比，不同養護條件下的GGPSC試驗配合比見表4。

表4 不同養護條件下的GGPSC試驗配合比表

3 結果與討論

3.1 GGPSC試拌結果分析

GGPSC拌合物工作性能見表5。由于磷渣粉需水量比為99%，其對拌合物工作性能的影響程度與水泥相同，因此，GGPSC拌合物的各項工作性能指標與基準組基本一致。但是，磷渣粉摻量的增加導致拌合物出現輕微泌水，其產生的可能原因：(1)水泥用量的減少導致前期水化反應總用水量減少，自由水增加；(2)磷渣粉顆粒堆積孔隙率高于水泥，由此帶來更高的滲水能力[5]。但在實際生產過程中，可以通過增加減水劑中的保水組分克服泌水問題。

表5 GGPSC拌合物工作性能表

不同磷渣粉摻量的混凝土強度見圖2。在3 d和7 d時，磷渣粉對水泥的替代性摻入導致混凝土強度整體呈降低趨勢。養護至28 d，GGPSC強度均滿足設計要求且達到甚至超過基準組強度水平。此外，隨著磷渣粉摻量的增加，各標號下的GGPSC強度呈現出先增加、后降低的規律。雖然磷渣粉28 d活性指數僅為87%，但GGPSC的實際強度表現卻不差。這是由于磷渣粉的火山灰反應和微集料效應能夠減少混凝土硬化漿體中的大孔(直徑>100 nm)和片狀氫氧化鈣(CH)數量，其優化了微觀結構并提高了致密程度。同時，磷渣粉可降低混凝土界面過渡區處的CH定向富集，增強了水泥石與骨料的粘結[6，7]。

圖2 不同磷渣粉摻量的混凝土強度示意圖

根據以上結果得知：C30和C35 GGPSC的最優磷渣粉摻量分別為50 kg/m3和60 kg/m3。

進一步對GGPSC與基準混凝土強度比及其強度增長率(以3 d強度為基準)進行了分析，如GGPSC與基準混凝土各齡期強度比及增長率(表6)所示：C30 GGPSC的3 d強度與基準組相比降低了18%～23%，但隨著磷渣粉活性的不斷激發，至7 d時降幅縮小至10%～16%，養護至28 d時強度比達到97%～104%。與C30 GGPSC相比，C35 GGPSC的水泥用量更多，相同齡期下磷渣粉與水泥水化產物的火山灰反應程度亦更高。因此，3 d、7 d時C35 GGPSC強度比僅分別降低了8%～18%和3%～5%，28 d時強度比為100%～104%。

從表6中還可以看出：與基準混凝土相比，GGPSC具有更好的強度發展，且隨著養護齡期的增加強度增長幅度更大。與高早期活性的礦渣粉等高鋁質摻合料不同，高硅鈣、低鋁的化學組成特性使磷渣粉在后期具有更強的火山灰活性，在90 d乃至更長齡期下活性指數甚至能超過100%[8，9]。

表6 GGPSC與基準混凝土各齡期強度比及增長率表

3.2 低溫對摻GGPSC性能的影響

不同養護條件下的混凝土終凝時間和強度示意圖見圖3。低溫對混凝土凝結時間和各齡期強度發展均有負面影響。相同齡期下，同養混凝土強度比與標養相比降低了3%～9%。但養護至28 d時，兩種養護條件下的GGPSC強度皆優于基準混凝土。由于磷渣粉中少量氟、磷化合物的緩凝作用和減水劑中的緩凝組分產生復合效應，加劇了低溫對GGPSC早期性能的影響。

圖3 不同養護條件下的混凝土終凝時間和強度示意圖

GGPSC性能可滿足冬季建工、市政行業對混凝土結構實體的施工要求。但是，考慮到原材料和施工質量波動對混凝土性能的額外影響，建議在冬季減少或完全去掉減水劑中的緩凝組分；同時，將磷渣粉的推薦摻量在原基礎上減少10～20 kg/m3。

4 磷渣粉在成都地區商品混凝土站的應用

2020年初至今，中國水電七局在成都地區多個房建、市政項目累積應用磷渣粉2萬余t，節約混凝土生產成本400余萬元。在其應用過程中，動態調整了磷渣粉摻量以滿足不同工程類型和結構部位對混凝土早期性能的需求。例如，針對蓄熱快、散熱條件差的大體積混凝土，充分利用了磷渣粉的緩凝效果，通過增加磷渣粉用量降低了由于混凝土早期溫升過快引發的開裂風險；針對梁板、支護等對早期強度要求高的部位，適量減少了磷渣粉用量以提升混凝土的早期強度，加快了施工進度。

5 結 語

(1)分別采用30～70 kg/m3和40～80 kg/m3磷渣粉等量替代水泥配制的C30和C35混凝土，除較高摻量下存在輕微泌水外，其余工作性能無明顯變化。

(2)隨著磷渣粉摻量的增加，GGPSC早期強度略有下降，但其28 d強度超過基準混凝土。此外，磷渣粉摻量越高，GGPSC后期強度增長率越高，高磷渣粉替代量下的GGPSC長齡期強度發展會更加理想。

(3)與基準混凝土相比，GGPSC早期力學性能受低溫條件的負面影響更大。因此，在冬季生產時，應對外加劑中的緩凝組分進行調整，以降低磷渣粉中氟、磷化合物和減水劑中緩凝組分產生的復合效應對混凝土凝結時間和早期強度的影響。