磷石膏基层材料路用性能试验研究

   摘   要   

磷石膏是磷化工企业排放的一种石膏质固体废弃物，通过水泥改性后能够作为路用填料使用。为探究磷石膏制备基层材料的工程适用性，优化配比，通过室内试验和现场实践相结合的方法分析了改性磷石膏基层和磷石膏-水泥稳定碎石基层的路用性能。

研究表明：

(1)改性磷石膏基层的强度与水泥掺量正相关，但固化体的强度形成较为缓慢，当水泥掺量控制在7%~10%时可以较好地兼顾经济性和路用性能。

(2)骨料的加入使得磷石膏-水泥稳定碎石层更易于被压实，基层强度和刚度也得到了显著提升，28天抗压强度可以达到7MPa。

(3)磷石膏-水泥稳定碎石层的刚度较大，属于典型的半刚性基层，其28天抗压强度与碎石掺量相关性不大，但较高的碎石比例能够产生更高的早期强度。

磷石膏是湿法生产磷酸的副产物，主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，是一种可利用的石膏资源。然而，磷石膏中的杂质去除成本偏高，加之我国石膏矿产资源丰富，磷石膏资源化利用未得到有效的市场推广，其综合利用率仅30%~45%。由于产量巨大，我国约有6亿吨磷石膏被掩埋或者堆存，成为固体废弃物，对磷石膏资源化利用途径的探索具有重大意义。

我国《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中指出：固体废弃物的处置遵循“谁污染，谁治理”和“产销平衡”的原则，新增大宗固体废弃物综合利用率不低于60%。可见，在国家政策层面上，为磷渣固体废弃物寻找新出路也势在必行。

公路工程是交通工程的重要组成部分，其中路基、路面工程中涉及大体量的填料和基层材料，在固体废弃物规模化处理方面具有较好的前景。近年来，磷石膏改二灰层已被用于路面基层填筑，研究表明：磷石膏可以加速低活性二氧化硅的水化，使胶凝体系薄弱部位强度提高，此外，加入石膏后的二灰基层材料，不仅强度发展比普通二灰基层材料快，且后期强度还能够持续增长。然而，磷石膏改二灰层的磷石膏最优掺量仅在6%左右，磷渣只能作为小比例参料使用，消耗量十分有限，寻找大规模消耗磷石膏的途径，才是解决磷石膏资源化再利用的关键。在此背景下，以大掺量磷石膏矿渣水泥、大掺量磷石膏泡沫轻质土、高掺量磷石膏稳定红黏土以及富硅固废-磷石膏复合胶凝材料为代表的新型环保材料研发成为热点，但上述研究还多为实验室研究，并没有直接用于工程实践。

为进一步促进磷石膏基材料在公路工程中的应用，实现实验室研究向工程应用的转化，本文以具体工程试验段为依托，采用室内和现场试验相结合的方式，从材料配比、填料制备工艺和成品养护的角度分析了大掺量改性磷石膏稳定碎石层路用性能，以期为公路工程中磷石膏的资源化利用提供有益指导。

   01   磷石膏基填料制备   

室内实验使用的磷石膏取自湖北省大悟县黄麦岭二号尾矿库，陈化时间超过1年，为灰白色的潮湿松散块体，呈弱酸性(pH=5.5)。为保证材料性能得稳定，通过机械破碎和筛分(10目筛)，仅保留粒径小于2mm部分的磷石膏粉末进行室内实验，天然密度为2.12g/cm3.含水率为12.3%。固化所用水泥为华新水泥厂生产的硅酸盐水泥熟料，密度为3.21g/cm3.固化剂主要成分为硅酸钠。

硅酸盐水泥熟料和煅烧后磷石膏的矿物成分如表1所示。

由表1可知，磷石膏中CaO和SO3的占比之和为90.4%，可以推断所采样磷渣主要成分为二水石膏，主要杂质为石英，并夹杂少量的P2O5和MgO。

考虑到天然状态磷石膏呈湿润状态，当水泥投料过少时，磷石膏-水泥混合料(后文简称混合料)不易拌合均匀，经过多组尝试，初步确定了水泥掺量为5%~15%，固化剂掺量为0.5%~1%，若二水石膏不视为胶凝材料，混合料水灰比(水和水泥的质量比)控制在1~2.5时固化效果较好。

实验室内混合料可以采用一次性投料、拌合，工程上大体量的混合料则需要通过拌合塔制备，具体流程如下：(1)对原状磷石膏进行粉碎，测定含水率;(2)将水泥、磷石膏粉末干拌混合，在混合过程中采用喷淋的方式加入固化剂;(3)根据含水率和水灰比，在混合料中加入适量水搅拌至均匀后倒入填料仓备用;(4)混合料制备完成后不能长期贮存，制备完成应在12h内完成铺料，并在24h内完成碾压，并进行养护。

不同水泥掺量下新鲜混合料的塑、液限，最大干密度和最优含水率指标如表2所示，随着水泥熟料比例的增加，混合料塑、液限出现了小幅变化，但在本次试验的配比范围内(5%~15%)，最大干密度和最优含水率较为稳定，混合料最优含水率13.2%~13.5%，稍大于磷石膏的天然含水率，最大干密度1.762g/cm3~1.817g/cm3.在实验室内，可以通过压样法将含水率13.3%的混合料，压实为密度2.10g/cm3(干密度1.85g/cm3)的圆柱体标准试样进行实验。但工程实践时，考虑到磷石膏的天然含水率与最优含水率接近，养护过程中还会适量喷水保湿，因此拌合过程中未额外加水。

   02   磷石膏基填料的力学性能   

根据水泥掺量的不同，本次的磷渣固化试验分为6组，水泥掺量分别为0、5%、7%、10%、12%和15%，固化剂掺量均为1%。实验室内对自然养护1d、3d、7d、14d、21d和28d的固化体试样进行无侧限压缩试验，得到对应的强度增长曲线如图1所示。

由图1可知，经过压实后的混合料强度受水泥掺量影响不大，无侧限强度为0.7~0.8MPa，随着养护时间的增加，混合料中的水泥不断固化，强度逐渐形成，可以定义仅压实混合料的无侧限抗压强度为初始强度，固化后强度与初始强度之差为强度增量，即：

式中，∆σC为强度增量，σC,t为养护时间为t时试样的无侧限抗压强度，σC,0为初始强度。

相同养护条件下固化体无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加也会有显著的增加。其中，水泥掺量为5%的固化体28d抗压强度为3.25MPa，是原状磷渣的2.8倍，水泥掺量为7%的固化体28d抗压强度为3.95MPa，强度增加了0.70MPa，水泥掺量继续增加为10%和15%后，抗压强度则提高为4.25MPa和4.50MPa，强度的增加有明显减缓，综合考虑材料成本和路面基层对材料强度的要求，7%~10%水泥掺量的方案具有综合优势。

水泥固化体的强度形成较为缓慢，以水泥掺量为10%的实验组为例，根据式(1)，固化体的3天抗压强度增量0.88MPa，仅为28天强度增量3.47MPa的25%;7天强度增量约为28天强度增量的48%，这是磷渣中石膏对水泥缓凝作用的体现。

因此，除压实条件外，磷渣-水泥复合填料对养护时间和养护环境也有较高的要求，对于冬季、雨季施工宜根据现场实验，调整配合比和养护方案。

为验证室内试验方案的可靠性，在图2所示的实验路段A(位于湖北省孝感市大悟县，为厂区内部道路)采用了10%水泥和1%固化剂的方案进行路面下基层铺设，混合料制备时未额外加水，铺设厚度为12cm，施工过程中压实度要求大于95%，碾压完成后采用覆盖塑料膜的方式进行养护。

与室内试验相对应，现场在养护0d、3d、7d、14d、21d和28d后，采用水钻机取芯的方式取样，进行取样完整性、无侧限强度和变形模量(割线模量)的检测，结果如表3所示。

水钻取芯对路面基层的扰动较大，现场养护0天和3天后取样的完整性较差(如图2-(b)所示)，无法满足检测要求，因此表3中数据空缺，为此，现场设置了同条件养护试样作为对比。由表3可知，受取芯过程扰动的影响，取芯的无侧限强度和变形模量稍低于同条件养护试样，但整体变化规律一致，即改性磷石膏路面基层的早期强度偏低，但随着养护时间的增加，路面基层的强度和刚度有显著的增加，并逐渐趋于稳定。现场养护7天和28天后取芯得到的无侧限强度最小值分别为2.13MPa和3.52MPa，强度增幅为65%;变形模量分别为1.35GPa和1.77GPa，增幅为31%。

实验路段A于2022年4月完工后投入使用，根据现场使用情况，截至2023年12月，除路面出现少量车辙外，未报告有明显的路面灾害，考虑到材料成本低廉，改性磷石膏基层在填方材料不足的临时通行道路、工程便道的建设中具有较强的适用性和可推广性。

在实验路段A的工程实践过程中，也出现了一些问题值得探讨和分析。首先，12cm厚磷石膏基层的压实难度比较大，经过普通碾压设备多次碾压后其压实度仍低于95%，需要采用重载碾压才能保证基层的密实度满足规范要求;其次，采用薄层多次填筑压实时，又极易出现填料分层的现象，导致路面基层整体性不好。可见，改性磷石膏不适宜用在较厚的基层填筑中，这就限制了改性磷石膏填料在高级别公路和重载道路基层上的有效使用。

分析认为，由于改性磷石膏颗粒级配集中，加之填料中缺少粗、细骨料，当摊铺面积较大时难以有效压实。此外，磷石膏本身不是胶凝材料，改性过程中的水泥用量也较小，混合料缺少粘聚力，加之压实后表面粗糙度比较低，多次填筑时就容易出现分层。

   03   稳定碎石层的路用性能   

针对改性磷石膏路基难以有效压实的问题，工程中可以采用添加骨料(碎石料)的方法调整级配。为讨论磷石膏-水泥稳定碎石层的工程适用性，本文所设实验路段B(位于湖北省枝江市百里洲，为县乡道路改造项目，如图3所示)的路面基层就采用了磷石膏-水泥稳定碎石的方案，经过多次配合比试验检测，选择了如表4所示的四种配比(编号1-4)进行现场实验。碎石骨料中，1#料的粒径19.0~31.5mm，2#料的粒径9.5~19.0mm，3#料的粒径4.75~9.5mm。

实验路段B的路面基层较厚，铺设厚度为20~25cm，施工过程中压实度可以达到96%~98%，碾压完成后采用与实验路段A相同的覆盖塑料膜方式进行养护。现场在养护7d、14d、21d和28d后，采用水钻机取芯的方式取样，芯体的无侧限强度和变形模量检测结果如图4所示，图中的虚线为实验路段A的改性磷石膏方案(90%磷石膏+10%水泥)的现场试验数据。

由图4可知，相较于实验路段A水泥改性磷石膏方案，磷石膏-水泥稳定碎石层方案具有十分明显的优势，一方面基层强度和刚度得到了较为显著的提升，以强度和变形模量最小的方案3为例，其14天和28天抗压强度分别为5.3MPa和6.7MPa，为改性磷石膏方案的200%和181%。另一方面基层更易于被压实，分层碾压时基层的整体性也较好，施工更加便利。

如图4-(a)，就磷石膏-水泥稳定碎石层的具体方案而言，方案1和方案3的基层以磷石膏为主，其早期的强度和弹性模量相对较低，方案1的3天抗压强度为3.4MPa，但在7~21天阶段力学参数持续增加，21天抗压强度达到了6.9MPa，为其3天抗压强度的2倍，方案3的基层强度也有类似变化规律，但由于水泥掺量相对较低，3天和21天抗压强度分别为3.1MPa和6.4MPa。

方案2和方案4的基层以碎石为主，早期强度较方案1和方案3高，但强度随时间的增长速度相对较慢，方案2的3天抗压强度为5.5MPa较同条件下的方案1高出了2.1MPa，同时也达到了其28天抗压强度7.5MPa的73%，水泥掺量较少的方案4的3天抗压强度则达到了5.1MPa。虽然方案1、3和方案2、4的前期强度存在很大差别，但28天抗压强度则基本相同，约为7.0~7.5MPa。

从工程适用性的角度分析，以碎石为主的方案(方案2、4)具有更好的适用性，能更早的提供强度，但从经济性的角度，方案1、3所使用的材料造价更低，且相同工程量能够消纳更多的磷石膏，也具有一定的环保优势。

除强度外，基层刚度也是基层质量的重要控制因素，较大的基层刚度可以有效减小荷载作用下路面的车辙和弯沉变形，从而提高公路的使用寿命。如图4-(b)所示，相较于实验路段A的水泥改性磷石膏方案，实验路段B的磷石膏-水泥稳定碎石层方案能够提供更大的基层刚度，属于典型的半刚性基层。

综上所述，骨料的加如可以形成基层骨架，从而更加充分地发挥改性磷石膏填料的填充性能，因此，在强度和刚度上磷石膏-水泥稳定碎石层方案的路用性能优于水泥改性磷石膏层方案。

   04   结论   

(1)水泥改性磷石膏固化体无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加而增大，但当水泥掺量超过10%后，强度增加速度明显减缓，当水泥掺量为7%~10%时具有较好的经济性。水泥改性磷石膏固化体的强度形成较为缓慢，以水泥掺量为10%的实验组为例，固化体的3d抗压强度增量0.88MPa，仅为28d强度增量3.47MPa的25%;7d强度增量约为28d强度增量的48%，这是磷渣中石膏对水泥缓凝作用的体现。

(2)骨料的加入可以形成基层骨架，从而更加充分地发挥改性磷石膏的填充性能，磷石膏-水泥稳定碎石层更易于被压实，分层碾压时基层的整体性也更好，同时，基层强度和刚度得到了较为显著的提升，以方案3(30%碎石+70%改性磷石膏)为例，其14天和28天抗压强度分别为5.3MPa和6.7MPa，分别为10%水泥改性磷石膏方案的2倍和1.8倍。

(3)磷石膏-水泥稳定碎石层的刚度较大，属于典型的半刚性基层，其中，改性磷石膏占比为30%~70%时填料都具备较好的填筑和压实性能，基层的28天抗压强度受磷石膏掺量的影响不大，始终为7.0~7.5MPa。就磷石膏-水泥稳定碎石层的具体方案而言，虽然，较高的碎石比例可以提供更高的早期强度，但造价相对偏高，磷石膏的消纳能力也更小。

文章来源：《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》、冶金渣与尾矿，作者：程树范，曾卫新，殷源，杨春，郝才平转载此文出于传递更多信息，未进行任何商业应用。若有来源标注错误或侵犯了您的权益，请与我们联系，我们将及时更正!