磷鈦石膏混合體系無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

孟維正，劉偉杰，曹新文，胡志超，李思江

(西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

中國(guó)磷石膏堆積量已達(dá)到500 Mt，鈦石膏堆積量已達(dá)130 Mt，磷、鈦石膏不但占用大量土地給工廠帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且隨風(fēng)飄散到空氣中更會(huì)危害人類身體健康。國(guó)內(nèi)外對(duì)磷石膏研究利用主要為充當(dāng)建材原料、生產(chǎn)水泥原料、農(nóng)作物肥料、水泥緩凝劑等方面；對(duì)鈦石膏的研究利用主要是充當(dāng)土壤改良劑、水泥緩凝劑、輕質(zhì)墻體等方面。鈦石膏作為道路填料在上海已有試點(diǎn)，磷石膏作為路基填料也有大量的研究。楊林等研究了摻加液黏劑、水泥石灰等穩(wěn)定土的力學(xué)收縮特性；徐曉東等研究了摻加偏高嶺土對(duì)水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度影響規(guī)律；宋亮研究了粉煤灰摻量對(duì)水泥穩(wěn)定路面回收料強(qiáng)度和干縮性能的影響。為了解決磷、鈦石膏造成的社會(huì)問(wèn)題，該文在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究改善其工程力學(xué)性質(zhì)的方案。研究步驟為：研發(fā)新型液黏劑；制定不同方案的液黏劑、摻加物(水泥、石灰、石膏)與磷、鈦混合石膏的配合比；對(duì)不同方案進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定最佳含水率及最大干密度；對(duì)不同方案配合比進(jìn)行飽水及未飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)，確定抗壓強(qiáng)度及水穩(wěn)定性；對(duì)某配合比進(jìn)行不同養(yǎng)生齡期的UCS試驗(yàn)；對(duì)某配合比進(jìn)行不同干濕循環(huán)次數(shù)的UCS試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用鈦石膏為生產(chǎn)鈦白粉過(guò)程中用石灰中和酸性廢水產(chǎn)生的固體廢渣，室外鈦石膏由于Fe2+的氧化，呈棕紅色，含水率為29%左右。鈦石膏的主要成分為CaSO4·2HO2，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，主要雜質(zhì)為硫酸鐵、氫氧化鐵、氫氧化鎂。風(fēng)干后鈦石膏粒徑較小，屬于粉土，以板狀、柱狀結(jié)構(gòu)為主，呈淺黃色。

表1 鈦石膏化學(xué)成分

試驗(yàn)用磷石膏為生產(chǎn)磷酸過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢渣。主要成分為CaSO4·2HO2，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。主要雜質(zhì)為磷酸鹽。磷石膏呈弱酸性，含水率為23%左右。天然磷石膏呈深灰色，風(fēng)干之后呈灰白色，粒徑較小，屬于粉土，以板狀結(jié)構(gòu)為主。

表2 磷石膏化學(xué)成分

原材料除磷鈦石膏外還有P.C.32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥、Ⅰ型液黏劑、Ⅱ型液黏劑、生石灰、半水石膏等。

2 試驗(yàn)方法及方案

根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定磷石膏混合鈦石膏復(fù)合體系各配合比的最佳含水率和最大干密度，按最佳含水率和最大干密度計(jì)算每個(gè)試塊需土質(zhì)量后制樣(按一定壓實(shí)度)，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

擊實(shí)試驗(yàn)選擇重型擊實(shí)方法和干土法。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制擊實(shí)曲線。制作直徑和高度均為5 cm的圓柱形試件，體積為98.2 cm3。每組編號(hào)制作12個(gè)試樣，其中6個(gè)試樣采用連續(xù)6 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件[(20±2) ℃，95%以上濕度]養(yǎng)生，第7 d飽水養(yǎng)生[(20±2) ℃，試件浸泡于水中，水面高于試件頂面5 cm]；6個(gè)試樣連續(xù)7 d在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件[(20±2) ℃，95%以上濕度]下養(yǎng)生。部分采取14、21、28 d養(yǎng)生齡期的試樣，每個(gè)齡期制作12個(gè)試樣。部分試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件[(20±2) ℃，95%以上濕度]下養(yǎng)生7 d后，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)(養(yǎng)生結(jié)束后飽水24 h然后烘箱烘干12 h為一次干濕循環(huán))。將養(yǎng)生結(jié)束后和干濕循環(huán)后的試件放在單軸壓力儀上加載，控制軸向加載速度為1 mm/min，記錄無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從壓碎試樣內(nèi)部取出代表性土樣，測(cè)含水率，記錄數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)土樣方案配合比見(jiàn)表3。每組液黏劑、水泥、石灰、石膏量按磷石膏、鈦石膏干土質(zhì)量和的百分比摻加，液黏劑按摻加的石灰水泥石膏質(zhì)量和的10%摻加。A為Ⅰ型液黏劑，A′為Ⅱ型液黏劑，C為水泥，L為石灰，L′為石灰不同百分比摻量對(duì)照組，G為半水石膏，T為鈦石膏，H為磷石膏鈦石膏質(zhì)量比1∶1的混合石膏，HH為磷石膏鈦石膏質(zhì)量比4∶1的混合石膏，K為水穩(wěn)定系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 最佳含水率及最大干密度

選磷石膏混合鈦石膏復(fù)合體系4個(gè)代表性編號(hào)(AC5H、ACL6H、ACL′5H、A′HH)的配合比進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，4組擊實(shí)曲線如圖1所示。

由圖1可知：最大干密度為1.61～1.62 g/cm3，最佳含水率為17.84%～20.15%。水泥、石灰、石膏、

表3 配合比方案及水穩(wěn)定性

圖1 擊實(shí)曲線

液黏劑的摻量對(duì)鈦石膏的最佳含水率及最大干密度影響較小，這是由于摻加量較少所致。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試塊按含水率18%，密度1.90 g/cm3，即按壓實(shí)度93%進(jìn)行制樣。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d飽水1 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度以qu表示，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度以qu′表示。ACT系列與ACH系列無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比如圖2所示。ACH系列與ACLH系列無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比如圖3所示。ACLH系列與其對(duì)比組結(jié)果見(jiàn)圖4。其余編號(hào)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4。

圖2 ACT與ACH系列強(qiáng)度對(duì)比

圖3 ACH與ACLH系列強(qiáng)度對(duì)比

圖4 ACLH與ACL′H強(qiáng)度對(duì)比

表4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2可知：摻加相同質(zhì)量比水泥，純鈦石膏強(qiáng)度要高于磷鈦混合石膏，由此可見(jiàn)相同壓實(shí)度時(shí)鈦石膏的強(qiáng)度高于磷石膏。由圖3可知：飽水和未飽水時(shí)，水泥石灰復(fù)摻的磷鈦混合石膏強(qiáng)度都與單摻水泥的強(qiáng)度接近，說(shuō)明用石灰摻量較少時(shí)，其改良效果與水泥相同。由圖4可知：磷鈦混合石膏中，等比例雙摻水泥石灰較雙摻水泥石灰(低百分比石灰)強(qiáng)度更高，說(shuō)明石灰摻量較多時(shí)，復(fù)摻效果優(yōu)于單摻。由圖2～4可知：每個(gè)編號(hào)的飽水強(qiáng)度線斜率都略微大于未飽水強(qiáng)度線，說(shuō)明摻量越大，水穩(wěn)定性越好。

產(chǎn)生上述差異的原因是水泥和石灰強(qiáng)化土質(zhì)過(guò)程的差異。水泥是先通過(guò)硅酸鹽和鋁酸鹽水化形成水泥漿，然后水泥漿中的Ca2+與土體中金屬離子發(fā)生離子置換，形成水泥土，凝結(jié)為空間網(wǎng)絡(luò)，空間網(wǎng)絡(luò)逐漸變密實(shí)現(xiàn)硬化，最后Ca(OH)2發(fā)生碳酸反應(yīng)，強(qiáng)度提高。石灰是先通過(guò)CaO水化，Ca2+與土體低價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生置換導(dǎo)致分子引力增大，形成小土團(tuán)，接著開(kāi)始火山灰反應(yīng)，土體密實(shí)度、強(qiáng)度水穩(wěn)性都有提高，最后熟石灰碳酸化增強(qiáng)土體強(qiáng)度。雙摻時(shí)，水泥中SiO2及Al2O3與石灰充分發(fā)生火山灰反應(yīng)，較單摻形成更高強(qiáng)度。

由表4可知：摻加干土重1%的半水石膏對(duì)磷鈦混合石膏飽水和未飽水的強(qiáng)度影響極小。磷石膏與鈦石膏質(zhì)量比為4∶1時(shí)的強(qiáng)度低于質(zhì)量比為1∶1時(shí)的強(qiáng)度。

對(duì)AC1H、AC3H、AC5H(僅摻加水泥和液黏劑)3個(gè)不同配合比(每個(gè)配合比6個(gè)試塊)進(jìn)行7、14、21、28 d連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)生；對(duì)AC1H、AC3H、AC5H(每個(gè)配合比6個(gè)試塊)進(jìn)行6、13、20、27 d連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后各飽水24 h。養(yǎng)生結(jié)束后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)圖5、6。由圖5、6可得：AC3H、AC5H強(qiáng)度與齡期呈乘冪函數(shù)式增長(zhǎng)，AC1H增長(zhǎng)幅度極小，其原因?yàn)樗嗍覔搅枯^少所致。AC3H和AC5H在14 d內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，14～28 d水穩(wěn)性較第7 d略有提高，水泥凝結(jié)完成度提高。

對(duì)AC1H、AC3H、AC5H(僅摻加水泥和液黏劑)標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生7 d后進(jìn)行3、6、9、12和15次干濕循環(huán)，然后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可得：水泥摻量為1%的磷鈦混合石膏組在干濕循環(huán)后，強(qiáng)度略有上漲；水泥摻量為3%的磷鈦混合石膏組干濕循環(huán)后強(qiáng)度上漲明顯，在干濕循環(huán)9次后，強(qiáng)度保持穩(wěn)定，干濕循環(huán)12次后強(qiáng)度略有下降；水泥摻量為5%的磷鈦混合石膏組干濕循環(huán)后強(qiáng)度上漲明顯，在干濕循環(huán)15次后仍有上漲趨勢(shì)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是7 d養(yǎng)護(hù)齡期下?lián)郊铀嗟牧租伝旌鲜嗤獠客翆影l(fā)生水化及碳酸反應(yīng)后形成較密網(wǎng)格阻礙了內(nèi)部土體水化及碳酸化等反應(yīng)，干濕循環(huán)為內(nèi)部土層提供了化學(xué)反應(yīng)和物理變化的條件，因此強(qiáng)度有所上升。

圖5 齡期與飽水ACH的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖6 齡期與未飽水ACH的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖7 干濕循環(huán)次數(shù)與ACH的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3.3 水穩(wěn)定性

為了比較各配合比改良效果優(yōu)劣，引入水穩(wěn)定性系數(shù)K(7 d齡期飽水后無(wú)側(cè)限強(qiáng)度與未飽水無(wú)側(cè)限強(qiáng)度之比)，各配合比水穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3前4個(gè)系列配合比水穩(wěn)定性結(jié)果可知，摻加水泥、石灰組水穩(wěn)定性較只摻加水泥組的磷鈦混合石膏復(fù)合體系水穩(wěn)定性系數(shù)更高，等比例摻加水泥石灰組較只摻加1%石灰的水泥石灰組水穩(wěn)定性系數(shù)更高。由于水泥石灰的結(jié)晶硬化作用與磷石膏鈦石膏形成共晶體，水穩(wěn)性有所提高；火山灰作用的膠凝物在微土團(tuán)外圍形成保護(hù)膜，減少了土間空隙，降低了滲透性，提高了磷、鈦混合石膏水穩(wěn)性。由表3后兩個(gè)系列配合比水穩(wěn)定性結(jié)果可知，石膏摻量對(duì)水穩(wěn)性影響甚微，即CaSO4濃度對(duì)水穩(wěn)定性影響甚微；Ⅱ型液黏劑對(duì)磷石膏的水穩(wěn)性改善效果優(yōu)于對(duì)鈦石膏。

4 結(jié)論

(1) 相同壓實(shí)度時(shí)，鈦石膏較磷石膏和磷鈦混合石膏無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高，磷、鈦混合石膏水泥石灰雙摻較單摻無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高。CaSO4純度對(duì)磷鈦混合石膏無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)沒(méi)有影響。

(2) 磷、鈦混合石膏水泥改良組，水泥摻量為3%及以上時(shí)，隨著齡期增長(zhǎng)，飽水和未飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度上漲明顯，水穩(wěn)性逐漸增強(qiáng)，水泥摻量為1%時(shí)不起作用。

(3) 磷、鈦混合石膏水泥改良組，水泥摻量為3%及以上時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量與干濕循環(huán)次數(shù)及水泥摻量成正比。

(4) 磷、鈦混合石膏水泥石灰雙摻較單摻水穩(wěn)性更好。CaSO4純度對(duì)磷鈦混合石膏無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度沒(méi)有影響。