（材料学专业论文）磷渣粉在混凝土中的应用研究.pdf

贵州大学工程硕士论文磷渣粉在混凝十中的应用研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究在做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：壶! l 缸羹日期：! q q 2 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定)、 p f 二：蠢1 一， 论文作者签名：主! i 投i 导师签名：! 銎：；! 苦赫：2 鲤2 生亟旦论文作者签名：丑4 j e 唼导师签名：。幺二二二_ 二日挈：垫盟l 笙! l 旦 ； 贵州天学工程硕士论文磷渣耪在混凝士中的应用研究 摘要 磷渣是电炉法制备黄磷时的工业副产品，在黄磷的制备过程中，利用焦炭和 硅石作为还原剂和成渣剂，使磷矿石中的钙和二氧化硅化合，形成熔融炉渣，将 之排出后，经高压水淬急冷，即为粒化电炉磷渣，简称磷渣。主要成分是c a o 和 s i 0 2 ，平均含量在8 0 以上，此外，还含有少量的t i 0 2 、f e 2 0 3 、p 2 0 5 、m g o 、f 、 k 2 0 和n a 2 0 等。每生产1 吨黄磷就会排出8 l o 吨磷渣。目前，我国磷渣的排放 量较大，以我国现有黄磷生产能力计，磷渣的年排放量达到5 0 0 万吨以上，整个 贵州省大约每年产生2 5 0 万吨磷渣，并且逐年递增。若磷渣的任意排放和堆放， 会对环境造成污染以及浪费土地，而且磷渣中的p 2 0 5 和其它有害元素会在雨水的 冲淋下会渗入地下，造成土壤污染及地下水污染。 对磷渣粉掺量、磷渣细度和不同激发剂对混凝土抗压强度影响迸行了实验， 结果表明：磷渣粉掺量越高，混凝土的抗压强度越低；但磷渣粉比表面积增大， 抗压强度增强。且磷渣粉掺量为2 0 、比表面积为6 1 2n r k g 的混凝土抗压强度最 大；在使用激发剂激发磷渣活性时，采用天然石膏、1 2 0 c 烧石膏、5 5 0 c 烧石膏、 磷石膏、5 5 0 3 2 烧石膏与生石灰粉以及生石灰粉激发剂来提高磷渣混凝土的 强度，其中外掺磷渣含量8 的5 5 0 烧石膏对7 d 、2 8 d 的抗压强度的提高最大。 对不掺磷渣粉和掺2 0 磷渣粉( 外掺磷渣含量的8 5 5 0 3 2 烧石膏作激发剂) 混凝土的拌合物性能、力学性能、抗冻性能、抗渗性能、收缩性能进行实验研究。 结果表明：激发剂磷渣混凝土拌合物的坍落度、扩展度提高，泌水率减少，使混 凝土的工作性能得到改善。并且激发剂磷渣混凝土的凝结时间延长，这对大体积 混凝土、远距离运输的混凝土和高气温下施工的混凝土是很有利的； 掺入磷渣粉和激发剂后，能显著地改善硬化磷渣混凝土浆体的孔结构，使大 孔减少，小孔增多，磷渣粉浆体的c a ( o h ) 2 显著减少，c s h 增多，结构致密。 激发剂磷渣混凝土2 8 d 的立方体抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉 强度等都已超过基准混凝土的。抗冻性能、抗渗性能、抗收缩性能等均有不同程 度的改善，混凝土的耐久性也得以提高；极限拉伸值较大，早期弹模较低，这有利 于提高水工大体积混凝土的抗裂性能；早期干缩较大，因此，加强磷渣混凝土的 早期养护非常重要。 贵州大学丁程硕士论文 磷渣粉在混凝士中的应用研究 贵州的磷渣在混凝土中应用研究还处于起步阶段，若能有效研发出贵州当地 磷渣粉在混凝土中的合理使用，不仅解决因磷渣的堆放而占用大量的土地问题， 还可以享受国家减免税收政策，变废为宝，更大大解决了土地污染问题，社会效 益显著。 关键词：磷渣粉：掺量：细度；激发剂；活性激发；力学性能；耐久性 4 贵州大学工程硕士论文 磷渣粉在混凝士中的应用研究 a b s t r a c t t h ep h o s p h o r o u ss l a g ( p s ) i st h a te l e c t r i cf u r n a c el e g a li n s t i t u t i o n sp r e p a r e st h e i n d u s t r yb y - p r o d u c tt i m ey e l l o wp h o s p h o r u s ，i nt h ep r o c e s so ft h ey e l l o wp h o s p h o r u s p r e p a r a t i o n , t h ea g e n tm a k i n gu s eo fc o k ea n dt h es i l i c at ob ear e d u c e ra n dr e a d y - m a d e ar e s i d u e ，t h eq u e e nu s e sc a l c i u ma n ds i l i c o nd i o x i d ec h e m i c a lc o m b i n a t i o ni n p h o s p h o r u so r e ，f o r m ss i x - z o n e - p a s ss l a g ，t h a ti sd i s c h a r g e d , b yt h a tt h eh i g h - h a n d e d w a t e rq u e n c h i n ge m e r g e n c yi sc o l d ，b et ob eag r a n u l a t i o ne l e c t r i cf l l r n a c ep h o s p h o r u s r e s i d u e ，b ec a l l e dt h ep h o s p h o r u sr e s i d u ef o r s h o r t t h es t a p l ei sc a oa n ds i 0 2 ，s h a r e s c o n t e n t sa b o v e8 0 ，c o n t a i n saf e wt i 0 2 ，f e 2 0 3 ，p 2 0 5 ，m g o ，f ，k 2 0a n dn a 2 0e t e b e s i d e s e a c ht h ey e l l o wp h o s p h o r u sp r o d u c i n gi to n l yi sc a p a b l et od ot h er e s i d u e d i s c h a r g i n g8 1 0 t p s ，a tp r e s e n t , o u rc o u n t r y p sb l o w o f fa m o u n t s 嗽o u rc o u n t r y m o r e , t h el a n dc o n t a m i n a t i n g 鹤w e l la sb e i n ge x t r a v a g a n tt ot h ee n v i r o n m e n t t h a tp 2 0 s a n do t h e rh a r m f u le l e m e n ti np si sa b l et os t r a i nd o w ni nt h er a i n w a t e rr u s h i n gi sa b l e t os e e pi n t og r o u n d ，b r i n g sa b o u ts o i lc o n t a m i n a t i n gr e a c h i n gu n d e r g r o u n dp o l l u t i o n s t u d yp h o s p h o r o u ss l a gp o w d e ra d u l t e r a t e sa m o u n t s ，p h o s p h o r o u ss l a gt h i n d e g r e ea n dt h ed i f f e r e n te x c i t a n ta f f e c tt h ee x p e r i m e n th a v i n gb e e ni np r o g r e s st o c o n c r e t ec o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，t h ee x p e r i m e n tb e a rf r u i ti n d i c a t e st ot h ep h o s p h o r u s o f i g i n a l l t h eh e i g h ta f f e c t i n g ，a d u l t e r a t i n ga m o u n t st oi n c r e a s e ，c o m p r e s s i o ns t r e n g t h a m o u n t sa n dt h i nd e g r e ea r ea d u l t e r a t e db yp h o s p h o r o u ss l a gr e d u c e ，s p e c i f i cs u r f a c e a r e ae l l h a n c c s ，t h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t hs t r e n g t h e n sac o m p r e s s i o ns t r e n g t hm a i n l y p h o s p h o r o u ss l a gp o w d e ra d u l t e r a t e sa m o u n t sb e i n g2 0 ，s p e c i f i cs u r f a e ea r e ai st h a t 6 1 2m z k g p h o s p h o r o u ss l a g p o w d e rs t i r s a n dm i x e st h ec o n c r e t em a k i n gr e s i s t i n t e n s i t yo fp r e s s u r e w h e nu s i n ga ne x c i t a n tt oa r o u s ep h o s p h o r o u ss l a ga c t i v i t y , t h e r i s em i x i n gn a t u r a lg u p s e ，1 2 0 f e v e r g u p s e ，5 5 0 f e v e rg u p s e ，p h o s p h o r u sg u p s e ， 5 5 0 e x c i t a n t ss u c ha sb u r n i n gg u p s e + l i f el i m ep o w d e ra n dg r o w i n gl i m ep o w d e r b e i n ga b l et oi m p r o v ep h o s p h o r o u ss l a gc o n c r e t ei n t e n s i t y ，m i xc o n t e n t sp h o s p h o r o u s s l a g8 t sn a t u r a lg u p s ec o m p r e s s i o ns t r e n g t h st o7 d 2 8 da m o n gt h e mi sm a x i m a l t h et h e s i sc a l t i e so u tc o n t r a s ts t u d i e so nt h ev a r i o u sf u n c t i o na d u l t e r a t i n gt h e p h o s p h o r o u ss l a gp o w d e rc o n c r e t ea n da d u l t e r a t i n g2 0 p h o s p h o r o u ss l a gp o w d e r ( t h e o u t s i d ea d u l t e r a t e s8 g u p s eo f p h o s p h o r o u s s l a gc o n t e n t sd o i n ga ne x c i t a n t ) c o n c r e t e f r e e z e st h ef u n c t i o n ，t h ei m p e r v i o u sf u n c t i o n ，c o n t r a c t sa ne x p e r i m e n ti n c l u d i n gt h a t 5 贵州人学工程硕士论文磷渣粉在混凝七中的应用研究 t h ec o n c r e t es t i r r i n ga n dm i x i n gt h es m a l ls i d ed o o rt t l i n gf u n c t i o n ，t h em e c h a n i c s f u n c t i o n ，r e s i s t i n g e x p e r i m e n tr e s e a r c hi si n d i c a t e d ：m i xp h o s p h o r o u ss l a gp o w d e r a n dt h ee x c i t a n tq u e e ni nt h ec o l l c r e t e , t h ec o n c r e t es t i r sa n dm i x e sc o l l a p s i n ga g r e e i n g w e l lw i t l iat h i n gt h a ta s s u r e ds o u r c eo fl i f ed e g r e e ，e x p a n s i o nd e g r e ei m p r o v e ，h e w e e p i n gr a t er e d u c t i o n , m a k e sa s e r v i c eb e h a v i o u rg e ti m p r o v e m e n t t h ec o n c r e t es e t t i n g t i m ep r o l o n g sb u t ，t h i si sa d v a n t a g e o u st ot h ec o n c r e t eb e i n gu n d e rc o n s t r u c t i o nu n d e r b i gv o l u m ec o n c r e t e s ，r e m o t et h ec o n c r e t et r a n s p o r t i n ga n dt h eh e i g h ta i rt e m p e r a t u r e ； a f t e rm i x i n gp h o s p h o r o u ss l a gp o w d e ra n dt h ee x c i t a n t , c a ni m p r o v et h eh o l es t r u c t u r e h a r d e n i n gt h el l l i c kf l u i db o d y ，m a k eb i gh o l ed e c r e a s e ，p i n h o l ei n c r e a s eb yn o t a b l y , t h ep h o s p h o r o u ss l a gp o w d e rt h i c kf l u i db o d yc a ( o h ) 2n o t a b l ed e c r e a s e s ，c - s - h i n c r e a s eb y ，s t r u c t u r ei sc o m p a c t t h ec o n e r e t o2 8 dc u b e sc o m p r e s s i o ns t t e n g t h ， r e s i s t i n gt ob r e a kt h ei n t e n s i t y ，t h ea x l ec e n t r ec o m p r e s s i o nm e n g t hu p ，s p l i t t i n go f f a t e n s i l es t r e n g t ha n ds oo ne x c c c da l la l r e a d yt h ec r i t e r i o nc o n c r e t e s w h o s er e s i s t i n gt o f r e e z et h ef u n c t i o n 。t h ei m p e r v i o u sf u n c t i o n ，r e s i s t i n gt oc o n t r a c taf i m c t i o na n d o n h a sa n di m p r o v e m e n tt ov a r y i n gd e g r e e se q u a l l y ，t h ec o n c r e t ed u r a b i l i t yi sa l s o m a n a g e dt oi m p r o v e ；t h ev a l u et h el i m i ti ss t r e t c h e di sb i g g e r ，t h ee a r l yp h a s eb a l l m o d e li sl o w e r , t h i sf u n c t i o nb e n e f i c i a lt oi m p r o v i n gb i gi r r i g a t i o nw o r k sv o l u m e c o n c r e t e sr e s i s t i n gc r a c k i n g ；e a r l yp h a s es h r i n k sw i t hn or e s e tc o m p a r a t i v e l yb i g ， r e i n f o r c i n gt h e r e f o r e t h eg u i z h o up h o s p h o r o u ss l a gi si ns t a r t i n gp h a s ei nc o n c r e t em i d d l ea p p l i c a t i o n s t u d y , i fr a t i o n a lu s ei nb e i n ga b l et oh a v e 趾e f f e c tt o 鲥喇e f f l u e n c eg u i z h o ul o c a l p h o s p h o r o u ss l a gp o w d e ri nt h ec o n c r e t e ，n o to n l yr e s o l v i n gt h el a n dp r o b l e m o c c u p y i n gag r e a tq u a n t i t yb e c a u s eo fp h o s p h o r o u ss l a gh o l d - u p ，c a ne n j o yc o u n t r y r e d u c i n go rr e m i t t i n g t a x e s p o l i c y ，c h a n g eu s e l e s sf o rt r e a s u r e , t h ep r o b l e m c o n t a m i n a t i n g ，s o c i a lb e n e f i t sh a v i n gr e s o l v e dl a n dm o r eg r e a t l ya r en o t a b l e k e yw o r d s ：p h o s p h o r o u ss l a g ；a d u l t e r a t e sa m o u n t s ；t h i nd e g r e e ；e x c i t a n ta f f e c tt h e e x p e r i m e n t ；a c t i v a t i o n ；t h em e c h a n i c sf u n c t i o n ；d u r a b i l i t y 6 贵州大学工程硕t 论文 磷渣粉在混凝十中的应用研究 第一章绪论 1 1 磷渣的产生与应用 1 1 1 黄磷工业的简介 我国黄磷生产始于1 9 4 2 年，2 0 世纪8 0 年代后期得到了迅速发展。据统计【l l ， 2 0 0 2 年我国的黄磷生产能力已达9 8 4 9 万吨实际生产量达6 9 3 9 万吨，成为世界上 第一大黄磷生产和出口国，2 0 0 5 年仅云贵川鄂4 省的黄磷生产能力就为8 5 万- - 9 0 万吨。目前，我国有黄磷生产厂1 3 0 多家，主要集中在云南、贵州、四川、湖南、 广西等省。其中，云南省的生产能力最大，2 0 0 2 年底黄磷生产能力达到4 0 万吨， 年，占全国总生产能力的4 0 6 1 。贵州省的黄磷生产能力仅次于云南省，据调查， 2 0 0 0 年的黄磷生产能力为2 1 3 万吨，占全国总生产能力的2 4 5 。近年来，湖北 省的黄磷生产能力增长较快，2 0 0 0 年的黄磷生产能力为1 2 万吨，新增企业主要分 布在资源丰富的宜昌和保康等磷矿区。四川省2 0 0 0 年的黄磷总生产能力为1 4 7 万吨。此外，湖南和广西的黄磷总生产能力也都在l 万吨以上【2 1 。 】 1 1 2 磷渣的产生及排放现状 磷渣是电炉制取黄磷过程中产生的一种工业废渣，在用电炉法制取黄磷时， 所得到的以硅酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷，即为粒化电炉磷渣，简称磷渣。 其化学反应式为： c a 3 ( p 0 4 h + 3 s i 0 2 + 5 c - - 3 c a s i 0 3 + 2 p + 5 c o 式中，焦碳( c ) 作为磷的还原剂，石英砂和生成的c a o 结合，成为易熔炉 渣( c a s i 0 3 ) 。磷渣离炉前呈熔融状态，温度在1 3 5 0 - 1 4 0 0 之间，经过水淬后， 成为颗粒状磷渣，粒径在o 5 5 m m 之间，堆密度为o 8 - - - 1 o t m 3 。磷渣通常为黄白 色或灰白色，如含磷量较高时，则呈灰黑色，急冷后的粒状磷渣主要为玻璃体结 构，若将高温熔融渣自然慢冷，则成为块状磷渣，硬度较大。通常每生产一吨黄 磷大约产生8 - 1 0 吨磷渣，3 0 0 0 m 3 的尾气，用电1 4 0 0 0 k w h ，消耗矿物约1 4 吨 2 1 。 1 1 3 磷渣的化学成分、矿物组成、结构 磷渣外观呈细颗粒状，为多孔结构，磷渣基本不含有毒物质。表1 2 是国内 2 3 个厂磷渣化学成分统计3 1 。国内外磷渣的主要化学成分见表1 3 1 4 1 。 7 贵州大学工程硕士论文磷渣粉在混凝七中的戍用研究 表1 3国内外磷渣的主要化学成分v t 由表1 2 可知，磷渣的主要成分为s i 0 2 ，c a o ，a 1 2 0 3 等化合物，此外还含有少 量f e a 0 3 ，p 2 0 s ，m g o ，f ，k 2 0 ，n a 2 0 等。其中s i 0 2 和c a o 总量一般在8 5 以上，且 c a o 的含量大于s i 0 2 。磷渣中a 1 2 0 3 含量大多小于5 。受黄磷生产工艺的影响，我 国磷渣中的p 2 0 5 含量一般小于3 5 ，但很难小于l 。磷渣的化学成分、玻璃相含 量与矿渣接近，但是磷渣中的a 1 2 0 3 含量明显低于矿渣，这是导致磷渣的活性不如 矿渣的原因之一。 由表1 3 可知，各个厂家由于生产条件不一样，成分波动较大，这取决于生产 黄磷时所用磷矿石、硅石、焦炭的化学组成和配比关系。磷矿石中c a o 含量高低 直接决定了磷渣的c a o 含量，硅石与原矿石的配比量主要影响磷渣的s i 0 2 含量和 s i 0 2 c a o 值。由表l 和表2 可知，贵州四个地方的磷渣c a o 含量都高于全国2 3 个黄磷厂所排的磷渣c a o 含量平均统计值( 4 5 8 4 ) ，s i 0 2 c a o 值也相对较高。 磷渣的矿物组成与磷渣产出状态密切相关。只有急冷的磷渣才有活性，对于 贵州人学工程硕士论文 磷渣粉在混凝士中的应用研究 慢冷的磷渣是没有活性的。块状磷渣的主要矿物组成为环硅灰石、枪晶石、硅钙 石，副矿物有磷灰石、金红石等。急冷粒状电炉磷渣以玻璃态为主，潜在矿物相 为硅灰石和枪晶石，此外还有部分结晶相，如石英、假硅灰石、方解石及氟化钙 等。块状磷渣结构稳定，活性极低，而粒状磷渣的玻璃体结构使其具有较高的潜 在活性。磷渣的活性是磷渣在建筑材料中得以应用的主要基础 4 1 。 1 1 4 磷渣的研究与应用现状 1 1 4 1 磷渣在水泥工业中的应用 磷渣在水泥工业中的应用主要包括以下两方面：一作为水泥原料煅烧水泥熟 料；二作为水泥混合材，制磷渣硅酸盐水泥、少熟料磷渣水泥、无熟料磷渣水泥 及白色硅酸盐水泥等。我国已制定了用于水泥中的粒化电炉磷渣的国家标准 g b 6 6 4 5 8 6 。标准对磷渣的技术要求为：磷渣的质量系数k 术1 1 0 ，p z 0 5 丰3 5 ， 松散密度：卜1 3 0 0 k g m 3 ，磷渣中不应出现磷泥等外来夹杂物，不应出现元素磷氧化 时冒白烟的现象。 ( 1 ) 磷渣作为水泥的混合材 磷渣作为混合材取代部分熟料生产磷渣硅酸盐水泥，一方面可以节约资源和能 源，减少对环境的污染；另一方面，能够改善硅酸盐水泥的某些性能，如需水量 小，水化热低，分层、泌水现象轻，抗渗性好、后期强度增进快等优点。但实践 表明，当磷渣掺入量量大于2 0 0 6 时，就会使水泥凝结时间延长，早期强度降低，限 制了磷渣的有效利用。磷渣早期活性较低及磷渣中可溶性p 2 0 5 对水泥水化速率的 影响，是造成磷渣硅酸盐水泥早期性能差的主要原因。磷渣作为水泥混合材大量 应用时，活性激发剂的种类和掺量选取非常重要【2 】。 ( 2 ) 磷渣作矿化剂 用磷渣配料煅烧水泥熟料，可以改善生料的易烧性，降低熟料的烧成温度和烧 成热耗，同时提高熟料的强度。这是因为磷渣中含有f 、p 2 0 5 等矿化离子，能够 降低液相生成温度和粘度，促进固相反应；磷渣玻璃体中所含的c s 微晶体具有晶 核诱导作用，加速了c 3 s 的形成；石灰石用量的减少，降低了熟料烧成的热耗：f 、 p 2 0 5 固溶于熟料矿物中，增加了熟料矿物的活性，提高了熟料矿物的强度1 5 1 。 ( 3 ) 磷渣配制生料 将磷渣用于配料的作用机理归于4 点；易烧、矿化、稳定、促硬。研究了磷渣 9 贵州人学工程硕士论文磷渣粉在混凝士中的应用研究 对硅酸盐水泥熟料形成反应动力学的影响。结果表明，磷渣掺量为5 和1 0 时， 熟料形成反应的表观活化能分别下降了5 7 k j m 0 1 和7 1 k j n i o l ，熟料烧成温度则下 降了7 0 和9 0 左右。实践表明，当原料选择不合理和磷渣掺量有过高时，会导 致熟料矿物相发生变化，影响熟料的性能。同时磷渣中p 2 0 5 含量过高时，回影响 水泥熟料的煅烧，固溶于熟料中的p 2 0 5 还会导致c 3 s 的分解和b c 2 s 转换为? - c 3 s ， 致使熟料强度下降，凝结时间延长。因此，有资料认为 5 1 ，用磷渣配料时，应根据 磷渣中p 2 0 5 的含量确定生料中磷渣的最佳掺量。固溶于熟料中的p 2 0 5 含量应不超 过0 4 ，磷渣在生料中适宜掺量为6 8 。水泥厂一般根据具体情况，通过试验 确定配料方案及磷渣的掺量。 ( 4 ) 磷渣作白水泥生产原料 磷渣、石灰石、高岭土三组分配制的生料，经回转窑进行高温煅烧，可制成 白度大于8 0 的白色硅酸盐水泥，该工艺已被前苏联列为专利技术。 ( 5 ) 磷渣生产低熟料磷渣水泥 用磷渣作主要组分，配以适量的硅酸盐水泥熟料、高温石膏、经粉磨制成低 熟料磷渣水泥。这种水泥水化热低，后期强度稳定增长，抗侵蚀能力强，不仅适 用于水工混凝土，也适用于生产混凝土蒸养制品，如水泥电杆、砌块等 ( 6 ) 用磷渣生产抗硫酸盐水泥 磷渣可用来生产抗硫酸盐硅酸盐水泥。生料中掺入磷渣，熟料中阿利特和中 间物减少，这不仅是由于磷渣中的p 2 0 5 和氟的作用改变了矿物的形成过程，而且 还由于其中含a 1 2 0 3 量少、窑料的硅率提高和熟料中熔融矿物计算含量减少的缘 故。 1 4 1 2 磷渣在混凝土中的应用 ( 1 ) 磷渣做活性骨料 磷渣可做具有火山灰性的骨料使用。作细骨料是与水泥调制制成砌筑砂浆， 与水泥、碎石一起浇筑混凝土，做粗骨料是用磷渣碎块与部分碎石、砂子、水泥 浇筑混凝土，磷渣无论作为粗骨料或细骨料配制砂浆和混凝土，其强度与耐久性， 均优于非活性骨料。 ( 2 j 磷渣作为混凝土掺合料 磷渣作为混凝土掺合料，有以下好处f 扣8 】：大幅度降低混凝土的水化热和绝 热温升；降低混凝土的弹性模量，提高混凝土极限拉伸值；混凝土的后期 1 0 贵州大学工程硕士论文 磷渣粉在混凝士中的应用研究 强度高，强度增长率大；磷渣的缓凝作用可满足大体积混凝土施工的需要； 磷渣混凝土具有优良的抗海水和硫酸盐侵蚀的能力；提高混凝土的抗渗能力； 抑制混凝土的碱骨料反应等。 1 9 9 4 年，云南昭通渔洞水库大坝工程中，选用了磷渣作为混凝土掺合料，基 础混凝土磷渣掺量为5 0 ；水位变化区域混凝土，采用0 5 0 水胶比时，磷渣掺量为 4 0 ；过渡层、砌石混凝土，采用0 5 5 水胶比时，磷渣掺量达6 0 ，1 9 9 7 年，云南大 朝山水电站工程中，采用了凝灰岩和磷渣各5 0 0 , 6 混磨作为混凝土掺合料。c 1 5 三级 配碾压混凝土中，磷渣与凝灰岩的复合掺量为6 5 ；c 2 0 二级配碾压混凝土中， 磷渣与凝灰岩的复合掺量为5 0 ；2 0 0 3 年，在贵州省索风营水电站混凝土试验中， 采用了磷渣和粉煤灰各5 0 复掺作为混凝土掺合料，在c 2 0 二级配碾压混凝土中， 磷渣与粉煤灰的复合掺量为5 5 ；c 1 5 三级配混凝土中，磷渣与粉煤灰的复合掺 量为6 0 【9 】。 与粉煤灰、矿渣微粉一样，磷渣超细粉可用作矿物细掺料配制混凝土。研究 表明【肌1 3 1 ，磷渣超细粉的混凝土拌合物有流化作用和减水作用；对混凝土有显著 的增强效应。水化产物分析和微观结构研究表明，磷渣超细粉能显著的改善混凝 土中水泥石的孔结构，降低水泥石中c a ( o h ) 2 的含量。目前，磷渣超细粉作为矿物 细掺料配制混凝土的研究较少。 1 4 1 3 磷渣的其它应用 磷渣可替代部分或全部石灰石和粘土用于熔制钠钙普通瓶罐玻璃，但当玻璃中 c a o 全部由磷渣引入时，玻璃的化学稳定性有所下斛1 4 】，磷渣还可用于熔制饰面 玻璃和微晶玻璃【1 5 , 1 6 ；利用磷渣生产粘土烧结砖，可以使烧结温度降低1 5 0 ( 2 ，节 约大量的能源，而且砖的各项性能指标都有所提甜。利用磷渣还可以生产出性 能优良的彩色地板砖，与普通大理石相比，具有抗压、抗折强度高、耐磨且成本 低廉、济济效益显著的特点f 1 8 】。磷矿渣的硅、钙含量高，经研磨后可作硅钙肥出 售。在农业生产中配合农家肥作为底肥，起疏松、调节土壤作用，增加庄稼钙质 吸收，从而起到壮杆、防倒的作用。磷渣制耐火保温纤维即矿渣棉、陶瓷釉料的 配制也有较好的经济效益。近年新开发的磷渣制水玻璃、白炭黑、硅酸钙等技术 又使磷渣综合利用得到进一步发展，经济效益又有较明显的提高；磷渣作为改良 酸性水稻田地也有一些应用1 9 1 。 贵州大学工程硕士论文磷渣粉在混凝士中的应用研究 1 2 混凝土的概述 1 2 1 混凝土的可持续发展 可持续发展是社会经济发展的根本性战略，它要求在大力发展经济的同时，要解 决好经济、环境、资源、人口和社会等的协调性。由此，在工业生产领域，其具 体目标主要着重于五大方面 2 0 l ： 乱最大限度地综合利用自然资源和能源： b 尽可能地提高生产效率，降低能耗，降低各项消耗： e 极力保护环境，维护生态平衡，消除或尽量减少环境污染： d 消除或最低限度地产生废渣、废料、废水、废气； e 组织无废生产，实现生态工业系统，在各工业部门完成环保内循环和三废 自净的基础上，建立跨行业的区域性仿生群乐体，解决全社会的环保和生态平衡 系统问题。 我国建筑业是一个非常大的产业，在国民经济五个生产部门中据第三位。建 筑业所耗用的钢材、水泥和木材分别约占全国总耗用量的2 5 、7 0 和2 2 ，化 学建材作为新型建材正异军突起，成为第四大建材。我国正处于发展时期，正从 一个农业大国向工业国家转变，今后若干我们都将致力于解决逐步城市化人口的 住房问题和大量的城镇建设阀题，还将面临城市交通、城市大型公用设施和国家 重点建设工程等重大项目。任务之重，必将加大对建筑工程材料的需求量和加速推 动建筑工程材料工业的发展。 水泥混凝土作为一种最大宗的传统的建筑工程材料，其发展已有一百七十多 年历史了。水泥混凝土在各种工程中的应用，打破了只有传统的秦砖汉瓦才能创 造建筑文明的历史格局。一百多年来，以水泥混凝土为主要建筑材料的各种建筑 物( 构筑物) 不断标新立意，代表和反映着各时代、各地域的文化背景、建筑风 格和建筑水平。可以毫不夸张地说，没有高技术的水泥混凝土，标志着现代文明 的各种建筑物( 构筑物) 是无法建成的。 混凝土在建筑、市政、桥梁、地下、水利、海洋、核工业，军事等众多工程 领域都发挥着其它材料所无法替代的作用和功能。多年来混凝土也一直被人们当 作是一种相对于钢材、木材等建筑材料来说，适用范围广，价格便宜，易浇注成 型，力学性能较稳定，比较耐久，有时还可以有效地利用一些工业固体废料的节 贵州大学工程硕士论文磷渣粉在混凝七中的应用研究 能型建筑材料。据统计，每吨混凝土消耗的能量仅为砖的1 6 , 钢材的1 2 0 , 玻璃 的1 2 8 ，铝材的1 1 7 0 ，因此，作为节能材料，混凝土一直受到人们更多的重视。但 自从以水泥混凝土为主要建筑材料的建筑物及构筑物开始出现人们所未曾预料到 的破坏，尤其是当人们开始意识到人类毫无节制地滥用地球资源和能源，以致开 始出现危急时，当发展与环境保护、发展与能源节约、发展与资源节省放在一起 综合考虑( 也即可持续发展) ，力求协调发展之时，混凝土材料科学界也开始进 行反思。 水泥是混凝土的主要原材料，一般每l m 3 混凝土中水泥用量在2 0 0 5 0 0 k g m 3 。从1 8 8 6 年，美国首先用回转窑煅烧熟料，使波特兰水泥进入大规模的工业化 生产以来，水泥工业就开始严重污染环境，不仅产出大量粉尘，还排放有害气体 ( c 0 2 、n o x 和s 0 2 ) 与有毒物质，其中c 0 2 是主要的温室气体。生产1 吨水泥熟 料燃烧生成c 0 2 3 0 0 4 5 0k g ，由c a c 0 3 分解产生4 8 7c 0 2 ，两者合计共7 8 7 9 3 7 k g ，在能耗较大情况下，生产i t 熟料约排放i tc 0 2 。2 0 0 3 年我国水泥的产量达到 8 6 2 亿t ，由此造成的环境污染非常严重。+ 因此，改变水泥品种，降低单方混凝土中水泥用量，将大大减少由于混凝土越 来越大量需求带来的温室气体排放和粉尘污染。特别是在混凝土强度和耐久性要 求都越来越高的今天，想方设法降低混凝土中的水泥用量是十分有意义的。磷渣 的掺入不仅能够降低混凝土的水化热、减少收缩开裂的趋势，而且对混凝土的绿 色化生产具有积极的作用。 鉴于对混凝土耐久性的重视，j g j 5 5 - - 2 0 0 0 普通混凝土配合比设计规程对 混凝土的最小水泥用量按照混凝土使用时所处的环境条件，考虑其满足耐久性要 求所必要的水灰比和水泥用量值提出了要求。中国土木工程学会高强混凝土委员 会编制的高强混凝土结构设计与施工指南规定，配制c 5 0 和c 6 0 高强混凝土 所用的水泥量不宣大于4 5 0 k m 3 ，水泥和掺和料的胶凝材料总量不宜大于5 5 0 k m 3 ，配制c 7 0 和c 8 0 高强混凝土所用的水泥量不宜大于5 0 0k g m 3 ，水泥和掺和 料的胶凝材料总量不宜大于6 0 0k g m 3 。 因此从强度和耐久性考虑，一般混凝土中水泥的用量在2 0 0 5 0 0k m 3 。从 配制绿色混凝土的角度考虑，就应该尽量提高胶凝材料中矿物掺和料( 磨细磷渣) 的活性和掺加比例，尽量减少水泥的用量。 贵州大学工程硕士论文磷渣粉在混凝土中的应用研究 在每l m 3 混凝土中少用1 0k g 水泥，就意味着一个工程可以节约上千、上万吨 的水泥，意味着为绿色环境做出了一份贡献【”。 从调整水泥产业结构、提高水泥质量、提高水泥品种方面还有很多工作可作， 如生产环保型胶凝材料，就是按高性能混凝土需要生产的高性能胶凝材料，较少 地使用熟料和大量利用工业废料，在不增加熟料产量的前提下，增加优质水泥的 产量。 1 2 2 混凝土的发展方向 组成钢筋混凝土主要材料之一的混凝土的发展方向是高强、轻质、耐久( 抗 磨损、抗冻融、抗渗) 、抗灾( 地震、风、火) 、抗爆、抗裂和易于成型等。目前 国内常用的混凝土强度等级为2 0 4 0 n m m 2 ，国外常用的强度等级为6 0 n m m 2 。在实 验内，我国制成l o o n 砌2 以上混凝土，在工程应用中将达到8 0 n m m 2 。高效能减 水剂更加促进了混凝土强度的提高。近年来国外采用附加减水剂的方法已制成强 度2 0 0 n m2 以上混凝土。改善混凝土性能的另一个重要方面是减轻混凝土的自重。 从2 0 世纪6 0 年代以来。轻骨料( 陶粒、浮石等) 混凝土和多孔( 主要是加气) 混凝土得到迅速发展，其重度一般为1 4 - 1 8l ( g m2 ，而普通混凝土的重度为2 5 i ( n m 3 用轻集料混凝土制作墙、板时，不但可以承重，而且建筑物理性能也优于普通混凝 土。 1 高性能混凝土( h p c ) 高性能混凝土有高的强度、高的流动性与优异的耐久性等多方面的优越性能。 从强度而言，抗压强度大于c 5 0 的混凝土即属于高强混凝土，提高混凝土的强度 是发展高层建筑、高耸结构、大跨度结构的重要措施。采用高强混凝土，可以减 小截面尺寸，减轻自重，因而可获得较大的经济效益，而且，高强混凝土一般也 具有良好的耐久性。我国己制成c 1 0 0 的混凝土。 在我国为提高温凝土强度采用的主要措施有【2 1 l ：( 1 ) 合理利用高效减水剂，采 用优质骨料、优质水泥，利用优质掺合料，如优质磨细粉煤灰、硅灰、天然沸石或 超细矿渣。采用高效减水剂以降低水灰比是获得高强及高流动性混凝土的主要技 术措施；( 2 ) 采用强度等级为4 2 5 ，5 2 5 ，6 2 5 的硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥及 相应的外加剂，这是中国建筑材料科学研究院制备高性能混凝土的主要技术措施； ( 3 ) 以矿渣、碱组分及骨料制备碱矿渣高强度混凝土。 高强混凝土具有优良的物理力学性能及良好的耐久性，其主要缺点是延性较差。 1 4 贵州大学工程硕士论文磷渣粉在混凝土中的虑用研究 而在高强混凝土中加入适量钢纤维后制成的纤维增强高强混凝土，其抗拉、抗弯、 抗剪强度均有提高，其韧性( 延性) 和抗疲劳、抗冲击等性能则能有大幅度提高。 此外，在高层建筑的高强混凝土柱中，也可采用x 形配筋、劲性钢筋或钢管混凝 土等结构方面的措施来改善高强混凝土柱的延性和抗震性能。 2 活性微粉混凝土 普通混凝土的级配曲线是连续的，而活性微粉混凝土的级配曲线是不连续的台 阶形曲线，其骨料粒径很小，近于水泥颗粒的尺寸。活性微粉混凝土的水灰比可 低到o 1 5 ，需加入大量的超塑化剂，以改善其工作度。活性微粉混凝士的价格比 常用混凝土稍高，但大大低于钢材，可将其设计成细长或薄壁的结构，以扩大建 筑使用的自由度。在加拿大s h e r b r o o k 已设计建造了一座跨度为6 0 m 、高3 a 7 m 的 b 2 0 0 级活性微粉混凝土的人行摩托车用预应力桁架桥1 2 2 。 3 低强混凝土 美国混凝土学会( a c l ) 2 2 9 委员会，提出了在配料、运送、浇筑方面可控制 的低强混凝土【翊，其抗压强度为8 m p a 或更低。这种材料可用于基础、桩基的填、 垫、隔离及作路基或填充孔洞之用，也可用于地下构造，在一些特定情况下，可 用其调整混凝土的相对密度、工作度、抗压强度、弹性模量等性能指标，而且不 易产生收缩裂缝。荷兰一座隧洞工程中曾采用了低强度砂浆( 1 0 w - s t r e n g t hm o r t a r ， l s m ) ，其组分为：水泥1 5 0 k g m 3 ，砂；1 0 8 0 k g i n 3 ，水5 7 0 k g m 3 ，超塑化剂 6 k g m 3 ，膨润土3