粒化电炉磷渣粉在水下混凝土中的应用

张昌军

摘要 磷渣是电炉法制取黄磷时得到的一种工业废渣，经冷淬成粒、粉磨烘干后得到磷渣粉。磷渣的主要成分是硅酸盐和铝酸盐玻璃体，具有较高的矿物活性。为充分利用地域资源，制备绿色低碳的高性能混凝土，现以黑水河特大桥桩基水下混凝土配合比设计及浇筑为背景，从原材料情况、主桥桩基混凝土配合比设计、浇筑等方面介绍磷渣粉在混凝土中的应用，具有较好的社会效益以及经济效益。

关键词 磷渣；固体废弃物；磷渣粉；磷渣混凝土；强度；和易性；凝结时间

中图分类号 TU528.041文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0105-03

0 引言

磷渣是电炉法制取黄磷时得到的一种经冷淬处理后的工业废渣，是一种固体废弃物。磷渣的主要成分是硅酸盐和铝酸盐玻璃体，玻璃体含量在85%～90%，另外还含有少量细小晶体，结晶相中存在假硅灰石、石英、方解石、氟化钙、硅酸二钙和硅酸三钙等，因此磷渣具有较高的矿物活性。

粒化电炉磷渣粉为用电炉法制黄磷时所得到的以硅酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒、磨细加工制成的粉末，简称磷渣粉。目前我国黄磷产能主要分布在水电资源和磷矿资源相对集中的省份，即云贵川，而四川主要分布在攀西、雅安地区。据统计，每生产1 t黄磷要产生8～10 t的磷渣。我国每年产生的磷渣约800万吨，基本上没有得到有效利用，作为废渣堆积如山，不仅占用大量土地，而且其中含有的少量磷酸根离子和氟离子也会随雨水渗入地下，严重污染环境。

1 项目概况

G4216线宁南至攀枝花段高速公路ZCB1-1标段位于宁南县境内，起讫桩号为K263+120～K268+034，全长为4.9 km。

沿江高速攀宁段ZCB1-1项目经理部主要包含宁南枢纽互通、横山隧道、黑水河特大桥、黑水河隧道和少量路基。其中，黑水河特大桥为该合同段控制性工程，是主跨550 m的钢桁梁悬索桥；宁南岸为重力锚碇、攀枝花岸为隧道式锚碇（锚碇长度60 m）；主塔高度分别为103 m、140 m，主塔设置二道横梁，主缆共计61股，每股127丝镀锌铝高强度钢丝。该桥位于多条断裂带之间，地震烈度为Ⅷ度，山谷间风场复杂且风力较大、场地局促，对放索场、牵引系统、钢桁梁拼装场地布置提出了极高的要求和极高的技术难度；桩基深度60 m和70 m，主要持力层为白云岩碎裂层，白云岩强度极高，桩基施工难度极大。

2 原材料基本情况

2.1 水泥

该项目使用四川省宁南县白鹤滩水泥有限责任公司生产的普通硅酸盐水泥，代号为P.O 42.5。水泥性能检测结果表明，水泥各项性能指标符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）对普通硅酸盐水泥的有关规定[1]。水泥混凝土配合比试拌所用水泥的检测结果如表1所示。

2.2 磷渣粉

该项目采用会东金烨磷渣综合利用有限公司生产的L85级磷渣粉，年产量100万吨。磷渣粉检测结果表明，各项性能指标符合《用于水泥和混凝土中的粒化电炉磷渣粉》（GB/T 26751—2011）的有关规定[2]。水泥混凝土配合比试拌所用磷渣粉的检测结果如表2所示。

2.3 粗、细集料

该项目采用黑泥沟料场生产的粗细集料。黑泥沟料场配备了一台鄂破、两台圆锥破和两台制砂机，日产量4 000 t，其中砂1 500 t、5～10 mm碎石500 t、10～20 mm碎石1 000 t、16～26.5 mm碎石1 000 t。粗、細集料检测指标均满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）的有关规定[3]。水泥混凝土配合比试拌所用砂、碎石的检测结果分别如表3～4所示。

2.4 减水剂

该项目使用攀枝花市吉源科技有限责任公司生产的JY-PC-02型缓凝型高性能减水剂。减水剂检测结果表明，各项性能指标均符合《混凝土外加剂》（GB 8076—2008）的有关规定[4]。水泥混凝土配合比试拌所用高效缓凝减水剂的检测结果如表5所示。

2.5 水

该项目混凝土生产用水为井水。生产用水检测结果符合《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006）的有关规定。水泥混凝土配合比试拌所用水的检测结果如表6所示。

3 配合比设计及试验

该项目水泥混凝土配合比首先由项目总工组织工程处、机料处、合同处及试验室召开混凝土配合比设计交底会，确定该项目需用到的配合比标号及相关要求。试验室依据设计文件收集相关技术要求，进行料源考查，准备相应原材料，设计C35水下混凝土的配合比，并对掺磷渣粉配合比[5]与纯水泥配合比进行对比。

C35水下混凝土配合比设计依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）及设计文件进行，设计坍落度为200±20 mm，计算得到的配合比如下：

（1）基准配合比计算的试拌材料用量：水∶水泥∶磷渣粉∶砂∶碎石∶减水剂=155∶318∶79∶778∶1 120∶3.97；碎石5～10 mm∶10～20 mm∶16～25 mm=112∶448∶560。

（2）在基准配合比的基础上水胶比值减少0.03，砂率减少1%：水∶水泥∶磷渣粉∶砂∶碎石∶减水剂=155∶326∶82∶755∶1 132∶4.08；碎石5～10 mm∶10～20 mm∶16～25 mm=113∶453∶566。

（3）在基准配合比的基础上水胶比值增加0.03，砂率增加1%：水∶水泥∶磷渣粉∶砂∶碎石∶减水剂=155∶282∶70∶816∶1 127∶3.52；碎石5～10 mm∶10～20 mm∶16～25 mm=113∶451∶563。

（4）C35水下混凝土纯水泥配合比的设计步骤与掺磷渣粉配合比设计一致。为增强对比性，掺磷渣粉与纯水泥的配合比、水胶比、用水量、砂率、粗集料掺配比例、设计容重、外加剂掺量均保持一致。配合比试验结果汇总如表7所示。

1号配合比，混凝土拌和物初始坍落度为200 mm，扩展度为570 mm，容重2 460 kg/m3，含气量为2.4%；和易性良好、黏聚性良好、无泌水、含砂量（中），2 h坍落度、扩展度无损失；初凝时间为13 h27 min，终凝时间为15 h19 min。

2号配合比，混凝土拌和物初始坍落度为210 mm，扩展度为610 mm，容重2 460 kg/m3，含气量为2.8%；和易性良好、黏聚性良好、无泌水、含砂量（中），2 h坍落度、扩展度无损失；初凝时间为14 h16 min，终凝时间为17 h01 min。

3号配合比，混凝土拌和物初始坍落度为180 mm，扩展度为520 mm，容重2 440 kg/m3，含气量为2.2%；和易性良好、黏聚性良好、无泌水、含砂量（中），2 h坍落度、扩展度无损失；初凝时间为14 h43 min，终凝时间为17 h21 min。

4号配合比，混凝土拌和物初始坍落度为185 mm，扩展度为500 mm，容重2 480 kg/m3，含气量为2.3%；和易性良好、黏聚性良好、无泌水、含砂量（中），2 h坍落度、扩展度无损失；初凝时间为8 h43 min，终凝时间为11 h16 min。

5号配合比，混凝土拌和物初始坍落度为185 mm，扩展度为530 mm，容重2 470 kg/m3，含气量为2.6%；和易性良好、黏聚性良好、无泌水、含砂量（中），2 h坍落度、扩展度无损失；初凝时间为9 h13 min，终凝时间为11 h33 min。

6号配合比，混凝土拌和物初始坍落度为170 mm，扩展度为480 mm，容重2 470 kg/m3，含气量为2.1%；和易性良好、黏聚性良好、无泌水、含砂量（中），2 h坍落度、扩展度无损失；初凝时间为9 h46 min，终凝时间为12 h25 min。

4 试验结果分析

根据试拌试验可以得出，2号配合比工作性、强度各项指标均满足设计施工要求；掺入磷渣粉能有效延长混凝土凝结时间，有利于桩基及大体积混凝土的施工控制；掺入磷渣粉后，混凝土工作性能较纯水泥配合比有较大提升；掺入磷渣粉后，混凝土7 d强度较28 d强度的增长幅度更大，混凝土28 d强度相对于纯水泥的配合比有小幅增长。

5 施工情况

黑水河大桥桩基混凝土现场浇筑坍落度控制在200±20 mm。混凝土拌和完成后，首先在拌和站对拌出的混凝土进行坍落度试验及混凝土试件取样，为保证混凝土质量，未经检验或检验不合格的混凝土，不允许用于浇筑；检测合格后的混凝土方可出站前往施工场地，因到达施工场地的运输距离较长，混凝土到达现场后，需对混凝土状态进行二次确认；然后对坍落度进行检测，混凝土工作性、和易性均满足要求后，方可进行混凝土浇筑。

因拌和站距离浇筑现场较远，且途经国道、码口镇街道和居民区，存在路线不畅致使浇筑不顺利以及发生安全风险的可能。因此，在浇筑前应提前安排车辆检查道路情况，并在浇筑过程中巡查道路情况，同时可与交通主管部门协调限制通行问题，保证浇筑的顺利进行。

灌注过程中，应严格控制导管埋深（按照规范要求控制在2～6 m），防止导管提漏或埋管过深拔不出而出现断桩。浇筑过程中溢出的泥浆可通过排水沟引至泥浆池内。

桩身混凝土灌注顶面为护筒顶面位置，为保证桩顶混凝土强度，在即将浇筑至桩顶时，应跟随浇筑进度挖除桩顶表面的浮浆，直至表面能看见骨料且无浮浆。

目前，黑水河大桥桩基均已完成施工，混凝土浇筑顺利，无异常情况发生。

6 结论

通过掺入磷渣粉，能改善混凝土的工作性能。水下混凝土具有更好的工作性，混凝土初终凝时间延长，能有效地减少因设备故障、道路拥堵等造成的施工风险。强度和良好的耐久性均满足设计及规范要求，适合水下混凝土及大体积混凝土施工；磷渣粉相对于粉煤灰来源单一，质量更加稳定可靠，活性更高；磷渣粉的掺入，节约了施工成本，减少了环境污染，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]栗静静， 叶建雄， 石拥军. 磷渣掺和料对混凝土力学性能影响的试验研究[J]. 粉煤灰， 2007（4）： 3-6.

[2]陆生发. 磷渣混凝土的力学和抗冻性试验研究[J]. 新型建筑材料， 2017（9）： 26-28+32.

[3]刘秋美， 曹建新. 混凝土生产绿色化的途径——磷渣的使用[J]. 贵州化工， 2007（5）： 5-9.

[4]解悅， 雷英强， 唐毅， 等. 磷渣粉在成都地区商品混凝土中的应用研究[J]. 四川水力发电， 2022（2）： 85-89.

[5]谢莎莎， 董芸， 陈霞. 掺粉煤灰和磷渣混凝土的性能试验研究[J]. 人民长江， 2011（4）： 86-88+106.