磷渣粉对活性粉末混凝土性能的影响

周强武

(中铁五局集团有限公司测绘试验中心，贵州　贵阳　550001)



磷渣粉对活性粉末混凝土性能的影响

周强武

(中铁五局集团有限公司测绘试验中心，贵州贵阳550001)

研究了不同磷渣粉掺量对活性粉末混凝土力学性能及耐久性能的影响。结果表明：磷渣粉的掺入能有效改善RPC混凝土微结构，磷渣粉水化生成的水化产物C-S-H增加混凝土密实度，使得混凝土具有较好的力学性能及耐久性能。但随着磷渣粉掺入量的增加，水泥含量减少，导致体系中Ca(OH)2含量的减少，在弱碱环境下，抑制了磷渣粉的二次水化，活性粉末混凝土性能下降。在蒸汽养护条件下，磷渣粉掺入量为25%时，活性粉末混凝土抗压强度155.9MPa、抗折强度24.5MPa、弹性模量52.8 GPa、抗冻性能大于F500、氯离子渗透量22 C，满足科技基[2006]29号标准要求。

活性粉末混凝土；磷渣粉；强度；抗冻性能

活性粉末混凝土(RPC)具有超高强、低脆性、耐久性优异且具有应用前景广阔的新型超高强混凝土。目前RPC应用到我国铁路工程，RPC盖板在郑西客运专线、哈大客运专线、哈齐客专等工程已经应用。采用RPC制造的人行道挡板、盖板不仅具有高强度、高耐久性，而且质轻，可大大减轻桥面二期恒载，减轻安装难度[1]。由于传统RPC混凝土经济成分较高，为寻求降低成本，有学者研究大掺量矿物细粉掺合料RPC[2-3]，主要集中在采用粉煤灰、硅灰等，然而将磷渣粉掺入到活性粉末混凝土研究报道甚少[4]。

磷渣是电炉法制备黄磷时的工业副产品，淬冷磷渣90%以上都为玻璃体，主要成分是CaO和SiO2，两者含量在85%以上[5]，具有较高的潜在活性。RPC混凝土良好的力学性能和优异耐久性能与活性组分密切有关，本文采用磷渣粉等配制活性粉末混凝土，分析磷渣粉在蒸汽养护条件下对活性粉末混凝土抗压强度、抗折强度、弹性模量、抗冻性能及氯离子渗透量性能的影响，为磷渣粉配制活性粉末混凝土提供技术支撑。

1　实　验

1.1原材料

水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥熟料中C3A含量6.3%；磷渣粉：取自贵州某黄磷厂，比表面积390 m2/kg；硅灰：平均粒径0.1μM，比表面积21 m2/kg；石英砂：SiO298.2%，粒径1.0～0.63 mm、0.63～0.315 mm、0.315～0.16 mm、0.16～0 mm四个等级，其筛分试验按TB10210-2001进行；钢纤维：直径0.18～0.23 mm，长度12～14 mm，抗拉强度2861MPa；减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率大于30%；拌合水：自来水。

水泥、磷渣粉、硅灰的化学成分见表1。

表1　水泥、磷渣粉、硅灰的化学成分

1.2试件的制备及性能测试方法

RPC混凝土配合比见表2。将磷渣粉等物料按表2配比进行试验，搅拌后分别制成100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×300 mm、100 mm×100 mm×400 mm的立方块试件。成型后静停6 h，采用蒸汽养护，养护过程分为升温、恒温、降温三个阶段，升温速度不大于12℃/h，降温速度不大于15℃/h。恒温温度控制在80±5℃，恒温养护时间72 h。撤除保温设施时，控制试件表面温度与环境温度之差不超过20℃。蒸汽养护结束后拆模，放入环境温度为20℃室内进行自然养护，洒水养护7 d，龄期满28 d后即得到样品。

活性粉末混凝土抗压强度、抗折强度、弹性模量性能测试方法按GB/T50081-2002标准进行，抗折强度和抗压强度均不乘折减系数，抗冻性能及氯离子渗透量性能测试方法按GB/T 50082-2009标准进行。

表2　RPC混凝土配合比

2　结果与讨论

2.1磷渣粉对RPC混凝土强度的影响

不同磷渣粉掺量下RPC混凝土，经养护后试件抗压、抗折强度测试结果见图1。由图1可知，随着磷渣粉掺入量的增加，抗压强度、抗折强度呈上升趋势，随后呈下降趋势，磷渣粉掺入量25%时达到最大。主要是由于磷渣粉的掺入后增加体系中活性组分，水泥水化生成大量的C-S-H凝胶和Ca(OH)2[6]，Ca(OH)2刚好作为磷渣粉碱性激发剂，磷渣粉与Ca(OH)2发生火山灰反应[7]，形成浆体的初始结构。磷渣粉的火山灰反应消耗了Ca(OH)2形成大量的C-S-H凝胶，该凝胶中CaO/SiO2变小，CaO/SiO2比越小，组织结构越致密，改善了水泥石的微观结构，增强了水泥石的密实度[8-9]。在蒸汽养护条件下进一步激发磷渣粉潜在活性矿物，促使体系中生成更多的水化产物，这些水化产物填充于初始结构的空隙中，提高了结构的密实度和强度，使结构孔隙和微裂缝减少到最小极限[10]，微观结构得以改善，从而提高了活性粉末混凝土强度。但随着磷渣粉掺入量的增加，水泥组分减少，导致体系中Ca(OH)2含量的减少，在弱碱环境下，抑制了磷渣粉的二次水化，粉末混凝土强度随之降低。

图1　磷渣粉对强度的影响

2.2磷渣粉对RPC混凝土弹性模量的影响

不同磷渣粉掺量下RPC混凝土，经养护后试件弹性模量测试结果见图2。由图2可知，活性粉末混凝土弹性模量随磷渣粉掺入量增加呈上升趋势，随后下降。磷渣粉掺入量25%时弹性模量最大。混凝土弹性模量受其组成相及孔隙率的影响，混凝土的水胶比较低、强度越高、养护较好及龄期较长时，混凝土的弹性模量就越高[11]。随着磷渣粉掺入量的增加，体系中水化产物含量最大，提高了结构的密实度，也就降低内部孔隙率，从而提高活性粉末混凝土弹性模量。当磷渣粉掺入增大时，未水化的磷渣粉颗粒增加内部孔隙率，以致削弱混凝土的弹性模量。

图2　磷渣粉对弹性模量的影响

2.3磷渣粉对RPC混凝土抗冻性能的影响

不同磷渣粉掺量下RPC混凝土，经养护后试件抗冻性能测试结果见图3、图4(科技基〔2006〕29号标准要求抗冻性能大于F500，本试验只做到800次冻融循环)。

图3　磷渣粉对冻融循环质量变化的影响

图4　磷渣粉对冻融循环相对动弹模量的影响

由图3、图4可知，随着磷渣粉掺入，粉末混凝土冻融循环质量损失有所减少，但不明显，相对动弹模量有所提高，变化不显著，当磷渣粉掺入量为25%时较为理想。水泥石是典型的多相多孔材料[12]，由各种水化产物及残存熟料颗粒所构成的固相以及存在于孔隙中的水和空气组成。水泥与水反应时因产物体积小于反应物总体积而造成的气孔、加上混凝土拌和过程中陷入的空气气泡、以及水分蒸发残留的微孔对抗冻性能都有影响。磷渣粉吸收水泥石中孔隙中Ca(OH)2，生成更多的C-S-H凝胶，填充沉积在水泥凝胶孔和微裂缝中[13]，缩小了孔径，改变了形貌，水泥石孔隙率的减少，使活性粉末混凝土密实度增加，渗透性能也随之降低，水分很难迁移到邻近的孔隙中。在蒸汽养护条件下加速水化硬化过程中的物理化学反应，排除了气泡和多余的自由水。导致活性粉末混凝土孔隙率低，孔径小，可冻水少，这是活性粉末混凝土具有优异抗冻性能原因之一[14]。

2.4磷渣粉对RPC混凝土氯离子渗透量的影响

不同磷渣粉掺量下RPC混凝土，经养护后试件氯离子渗透量测试结果见图5。

图5　磷渣粉对氯离子渗透量的影响

由图5可知，活性粉末混凝土氯离子渗透量随磷渣粉掺入量增加呈下降趋势，随后上升。磷渣粉掺入量25%时氯离子渗透量最低。氯离子渗透量的大小，反应了混凝土渗透性的好坏。磷渣粉掺入有两个作用，一方面磷渣粉填充水泥颗粒之间及界面过渡区的空隙；另一方面随着磷渣粉水化进行，火山灰反应程度不断提高，生成的C-S-H产物在毛细管孔道中形成，堵塞孔道，使孔结构细化[14]，从而对混凝土产生填充、密实的作用，水和氯离子等侵蚀介质难以进入混凝土内部，也就大大提高了活性粉末混凝土抗氯离子渗透性能。当磷渣粉掺入量过高时，有未水化的磷渣粉颗粒存在[15]，增加结构孔隙率，活性粉末混凝土抗氯离子渗透性能随之减弱。

3　结　论

(1)磷渣粉掺入量为25%时，RPC混凝土的抗压强度155.9MPa、抗折强度24.5MPa、弹性模量52.8GPa、抗冻性能大于F500、氯离子渗透量22C，满足科技基〔2006〕29号标准要求。

(2)通过测定不同磷渣粉掺量下RPC混凝土的性能，表明磷渣粉水化产物C-S-H凝胶较好改善RPC混凝土内部微结构，使得RPC混凝土具有较好的力学性能及耐久性能。随着磷渣粉掺入量的增加，水泥组分减少，导致体系中Ca(OH)2含量的减少，在弱碱环境下，抑制了磷渣粉的二次水化，活性粉末混凝土性能受到影响。

[1]铁道部科学技术司.科技基[2006]29号,客运专线活性粉末混凝土(RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件[S].北京,2006.

[2]刘娟红,宋少民.大掺量矿物细粉掺合料活性粉末混凝土高温性能[J].北京工业大学学报,2012,38(8):1180-1184.

[3]未翠霞,宋少民.大掺量粉煤灰活性粉末混凝土耐久性研究[J].新型建筑材料,2005(9):27-29.

[4]肖文,彭艳周,周怡龙,等.热养护对含磷渣粉活性粉末混凝土强度的影响[J].建筑技术,2015,46(1):47-49.

[5]高旭伟,吴勇生.黄磷渣资源化利用的现状及发展趋势[J].中国资源综合利用,2010(1):28-30.

[6]孙国匡,席耀忠.波特兰水泥的水化机理[J].硅酸盐通报,1983(2):33-39.

[7]陈霞,杨华全,张建峰,高志扬.磷渣粉的火山灰活性激发及分析[J].混凝土,2015(10):82-86.

[8]吴敏,施惠生.矿物质掺合料对混凝土性能的影响[J].新型建筑材料,2007(5):10-13.

[9]刘娟红,王栋民.养护对矿物细粉活性粉末混凝土性能的影响[J].武汉理工大学学报,2009(7):100-103.

[10]Mehta P K.Study on Blended Portland Cements Containing Santorin Earth[J].Cement and Concrete Research,1981,11(4):507-518.

[11]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999:56-59.

[12]陆平.水泥材料科学导论[M].上海:同济大学出版社,1991:23-24.

[13]陈毅卓,阎贵平,安明喆.常规搅拌工艺条件下活性粉末混凝土抗压强度影响因素的研究[J].铁道建筑,2003,(3):44-48.

[14]刘娟红,宋少民.活性粉末混凝土配制、性能与微结构[M].北京:化学工业出版社,2013:158-159.

[15]邓海斌,王海龙,彭琪雯,等.钢渣粉硅灰混凝土的力学性能及耐久性研究[J].混凝土,2014(12):97-100.

Effects of Phosphorus Slag Powders on Performance of Reactive Powder Concrete

ZHOU Qiang-wu

(Surveying and Mapping Test Center,China Railway 5th Bureau Group Co.,Ltd.,Guizhou Guiyang 550001,China)

Effect of different phosphorus slag powder contents on mechanical properties and durability of reactive powder concrete was studied.The results indicated that the microstructure of reactive powder concretewasimproved effectively with the addition of phosphorous slag powder,and the density of the concretewasincreased bythe hydration product of phosphorous slag powders.The reactive powder concrete had better mechanical properties and durability.But with the increase of phosphorus slag powder admixture,the cement and calcium hydroxidecontent in the system decreased.The secondary hydration of phosphorus slag powder was inhibitedinweak base environment,resulting in the performance degradation of reactive powder concrete.After the steam curing condition,the reactive powder concrete with phosphorus slag powder 25% had better mechanical properties and durability as follows:the compressive strength of reactive powder concrete 155.9MPa,flexural strength 24.5MPa,elastic modulus 52.8 GPa,frost resistance more than F500,chloride ion penetration 22 C.It attained tothe technicalrequirementsof temporary technological terms reactive powder concretematerial on sidewalk baffle or coverfor passenger dedicated line.

reactive powder concrete;phosphorus slag powder;strength;frost resistance

周强武(1981-),男,工程师,主要从事混凝土原材及工程质量检测。

TU528

A

1001-9677(2016)011-0132-04