磷渣粉在成都地区商品混凝土中的应用研究

解 悦， 雷 英 强， 唐 毅， 丁 建 彤， 黄 印， 何 建 军

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

受水泥减产、砂石限采等政策性因素影响，成都地区商品混凝土的生产成本逐年递增。与2020年相比，2021年水泥价格由450元/t上涨至700元/t，主要标号(C25～C40)混凝土价格上涨60～80元/m3。因此，需要采取有效手段降低混凝土的生产成本。目前，商品混凝土站多采用磨细灰、矿渣粉等掺合料优化胶凝材料组成以减少水泥用量，但在其应用过程中易受到产能、价格、质量等条件限制。因此，仍需找到一种容易获取且质优价廉的矿物掺合料。

粒化电炉磷渣粉(以下简称磷渣粉)是以磷矿石为原料，焦炭和硅石作为助剂，经共熔、水淬、粉磨等工序处理后得到的一种工业副产品，具有较高的火山灰活性。诸多研究表明：采用磷渣粉配制混凝土时，可优化粉体颗粒级配、改善水泥石孔结构、提升混凝土性能[1，2]。因此，掺磷渣粉混凝土(简称GGPSC)已广泛应用于水电、道桥等工程[3，4]。但在上述工程中，磷渣粉多以单掺形式使用，其掺量一般为胶材总量的20%～50%。

成都地区周边磷渣粉资源丰富，活性高且运到价仅为400元/t左右。但由于成都地区商品混凝土站尚未掌握GGPSC的生产及应用技术，导致其还未得到大规模推广应用。基于商品混凝土的性能特点，从降低水泥用量的角度出发，采用磷渣粉等量替代部分水泥配制GGPSC并对其工作性能、力学性能进行分析，提出了适用于成都地区的GGPSC推荐配合比，并对目前已进行的研究过程和取得的磷渣粉应用效果进行了阐述。

2 原材料和试验方法

2.1 原材料

水泥：亚东P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，产自四川乐山。

磨细灰：产自四川眉山(其物理化学性能见表1)并满足GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ级粉煤灰要求。磨细灰和F类Ⅱ级灰的颗粒形貌见图1，表观形貌见图1a，与F类Ⅱ级粉煤灰相比情况见图1b，磨细灰颗粒为棱角状多面体，未见球形玻璃体颗粒。

表1 磨细灰物理化学性能表 /%

图1 磨细灰和F类Ⅱ级灰的颗粒形貌示意图

磷渣粉：产自四川雅安(磷渣粉物理化学性能见表2)并满足GB/T 26751-2011《用于水泥和混凝土中的粒化电炉磷渣粉》中L85级要求。

表2 磷渣粉物理化学性能表

骨料：四川乐山产人工碎石，直径为5～31.5 mm，连续级配，压碎指标为5.8%。

细骨料：四川乐山产人工砂，石粉含量为4.1%，细度模数为2.7；四川新津产天然河砂，含泥量为1.8%，细度模数为2.2。

外加剂：四川同舟化工产聚羧酸高效减水剂，固物含量为10%，含5‰缓凝组分。

2.2 试验方法

此次研究以商品混凝土站产量最大的C30和C35混凝土为研究对象。目前，商品混凝土站多采用单掺20%～25%磨细灰的掺合料方案，但由于磨细灰价格仅为200～250元/t，在配合比设计时若以磷渣粉替代磨细灰会导致混凝土生产成本增加。因此，此次研究采用磷渣粉等量替代部分水泥而不改变原有磨细灰用量的双掺掺合料方案。同时，为避免磷渣粉的缓凝、低早强效果对混凝土早期性能的影响，控制磷渣粉掺量在较低范围：C30混凝土中为30～70 kg/m3，C35混凝土中为40～80 kg/m3，GGPSC试验配合比见表3。

表3 GGPSC试验配合比表

此外，考虑到在冬季低温条件下磷渣粉可能会对混凝土凝结时间及早期强度发展产生额外的负面影响，因此，基于所推荐的磷渣粉用量进行了不同养护条件的C30 GGPSC性能对比，不同养护条件下的GGPSC试验配合比见表4。

表4 不同养护条件下的GGPSC试验配合比表

3 结果与讨论

3.1 GGPSC试拌结果分析

GGPSC拌合物工作性能见表5。由于磷渣粉需水量比为99%，其对拌合物工作性能的影响程度与水泥相同，因此，GGPSC拌合物的各项工作性能指标与基准组基本一致。但是，磷渣粉掺量的增加导致拌合物出现轻微泌水，其产生的可能原因：(1)水泥用量的减少导致前期水化反应总用水量减少，自由水增加；(2)磷渣粉颗粒堆积孔隙率高于水泥，由此带来更高的渗水能力[5]。但在实际生产过程中，可以通过增加减水剂中的保水组分克服泌水问题。

表5 GGPSC拌合物工作性能表

不同磷渣粉掺量的混凝土强度见图2。在3 d和7 d时，磷渣粉对水泥的替代性掺入导致混凝土强度整体呈降低趋势。养护至28 d，GGPSC强度均满足设计要求且达到甚至超过基准组强度水平。此外，随着磷渣粉掺量的增加，各标号下的GGPSC强度呈现出先增加、后降低的规律。虽然磷渣粉28 d活性指数仅为87%，但GGPSC的实际强度表现却不差。这是由于磷渣粉的火山灰反应和微集料效应能够减少混凝土硬化浆体中的大孔(直径>100 nm)和片状氢氧化钙(CH)数量，其优化了微观结构并提高了致密程度。同时，磷渣粉可降低混凝土界面过渡区处的CH定向富集，增强了水泥石与骨料的粘结[6，7]。

图2 不同磷渣粉掺量的混凝土强度示意图

根据以上结果得知：C30和C35 GGPSC的最优磷渣粉掺量分别为50 kg/m3和60 kg/m3。

进一步对GGPSC与基准混凝土强度比及其强度增长率(以3 d强度为基准)进行了分析，如GGPSC与基准混凝土各龄期强度比及增长率(表6)所示：C30 GGPSC的3 d强度与基准组相比降低了18%～23%，但随着磷渣粉活性的不断激发，至7 d时降幅缩小至10%～16%，养护至28 d时强度比达到97%～104%。与C30 GGPSC相比，C35 GGPSC的水泥用量更多，相同龄期下磷渣粉与水泥水化产物的火山灰反应程度亦更高。因此，3 d、7 d时C35 GGPSC强度比仅分别降低了8%～18%和3%～5%，28 d时强度比为100%～104%。

从表6中还可以看出：与基准混凝土相比，GGPSC具有更好的强度发展，且随着养护龄期的增加强度增长幅度更大。与高早期活性的矿渣粉等高铝质掺合料不同，高硅钙、低铝的化学组成特性使磷渣粉在后期具有更强的火山灰活性，在90 d乃至更长龄期下活性指数甚至能超过100%[8，9]。

表6 GGPSC与基准混凝土各龄期强度比及增长率表

3.2 低温对掺GGPSC性能的影响

不同养护条件下的混凝土终凝时间和强度示意图见图3。低温对混凝土凝结时间和各龄期强度发展均有负面影响。相同龄期下，同养混凝土强度比与标养相比降低了3%～9%。但养护至28 d时，两种养护条件下的GGPSC强度皆优于基准混凝土。由于磷渣粉中少量氟、磷化合物的缓凝作用和减水剂中的缓凝组分产生复合效应，加剧了低温对GGPSC早期性能的影响。

图3 不同养护条件下的混凝土终凝时间和强度示意图

GGPSC性能可满足冬季建工、市政行业对混凝土结构实体的施工要求。但是，考虑到原材料和施工质量波动对混凝土性能的额外影响，建议在冬季减少或完全去掉减水剂中的缓凝组分；同时，将磷渣粉的推荐掺量在原基础上减少10～20 kg/m3。

4 磷渣粉在成都地区商品混凝土站的应用

2020年初至今，中国水电七局在成都地区多个房建、市政项目累积应用磷渣粉2万余t，节约混凝土生产成本400余万元。在其应用过程中，动态调整了磷渣粉掺量以满足不同工程类型和结构部位对混凝土早期性能的需求。例如，针对蓄热快、散热条件差的大体积混凝土，充分利用了磷渣粉的缓凝效果，通过增加磷渣粉用量降低了由于混凝土早期温升过快引发的开裂风险；针对梁板、支护等对早期强度要求高的部位，适量减少了磷渣粉用量以提升混凝土的早期强度，加快了施工进度。

5 结 语

(1)分别采用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，除较高掺量下存在轻微泌水外，其余工作性能无明显变化。

(2)随着磷渣粉掺量的增加，GGPSC早期强度略有下降，但其28 d强度超过基准混凝土。此外，磷渣粉掺量越高，GGPSC后期强度增长率越高，高磷渣粉替代量下的GGPSC长龄期强度发展会更加理想。

(3)与基准混凝土相比，GGPSC早期力学性能受低温条件的负面影响更大。因此，在冬季生产时，应对外加剂中的缓凝组分进行调整，以降低磷渣粉中氟、磷化合物和减水剂中缓凝组分产生的复合效应对混凝土凝结时间和早期强度的影响。