瀝青膠結(jié)磷石膏粉的防水性能及應(yīng)用研究

曹林濤，湯 文，韓尚宇

(1. 湖北文理學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2. 武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430070；3. 南昌航空大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330063)

磷石膏是磷化工產(chǎn)業(yè)中濕法生產(chǎn)磷酸的固體廢棄物，通常被大規(guī)模地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)上改良土地[1]、工業(yè)上聯(lián)產(chǎn)水泥和水泥緩凝劑[2-3]等.但是其復(fù)雜的預(yù)處理措施和高昂成本限制了更多形式的應(yīng)用[4]，其更多是用山谷進(jìn)行堆存.磷石膏固廢堆場儲量越積越多，其滲濾液對自然環(huán)境的影響越來越大.堆場防水防滲多采用高密度聚乙烯膜或厚實黏土進(jìn)行表層封水與基礎(chǔ)防滲處置[5-6].但由于堆場存在沉降變形，需考慮堆場表面封水與基礎(chǔ)防滲措施的變形適應(yīng)性.做好堆場表面封水有助于通過分流地表徑流而減少內(nèi)部滲濾液處置量，這也提供了瀝青基防水材料的應(yīng)用空間.

瀝青膠砂與細(xì)粒式瀝青混合料已被廣泛應(yīng)用于水工結(jié)構(gòu)的防水防滲.澆筑式瀝青混合料與SMA(瀝青瑪碲脂碎石混合料)都具備良好的防水防滲性能.已有研究嘗試?yán)昧资嗑ы毟男詾r青，但發(fā)現(xiàn)瀝青與磷石膏反應(yīng)更多的是物理變化[7]，這表明磷石膏粉基本可以發(fā)揮類似石灰石礦粉的空隙填充功能.文獻(xiàn)[8-10]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青膠漿比例影響其拉伸強(qiáng)度、疲勞壽命等性能.通過膠粉混合物的性能試驗研究瀝青與磷石膏粉的合適比例，對于堆場表面防水、基礎(chǔ)防滲及農(nóng)村公路與水利設(shè)施的防水防滲具有重要意義.

1 材料和方法

1.1 試驗材料

基礎(chǔ)瀝青選取山東某廠AH-90與AH-110的混合瀝青，材料屬性見表1的基礎(chǔ)欄.磷石膏粉末取自襄陽尹集化工產(chǎn)業(yè)園某堆場，外觀灰白色，有結(jié)塊，主要成分是硫酸鈣，并含磷與氟等雜質(zhì)；pH值為2.5～4.5，天然含水率為25%，密度為2.26 g/cm3，滲透系數(shù)為2.2×10?4cm/s.

表1 瀝青與混合物常規(guī)指標(biāo)測試結(jié)果

1.2 試樣處理

加熱瀝青至流動態(tài)，將在150 ℃烘箱內(nèi)烘干的磷石膏粉末按照比例置入熱瀝青內(nèi)攪拌均勻，作為備用混合物.根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[11]，參考其中的瀝青測試方法準(zhǔn)備好針入度、軟化點與延度的測試試樣.混合物中瀝青含量分別為90%，70%和50%，粉膠比對應(yīng)為0.11，0.43和1.0.

1.2.1 飛散試驗

根據(jù)熱拌狀態(tài)，采用不同方式制成試樣.具體是，對于流淌態(tài)混合物直接澆筑在馬歇爾試模內(nèi)；對于松散態(tài)混合物采用馬歇爾方法擊實成型(雙面各50次)，試樣脫模后備用.

1.2.2 滲水試驗

把加熱的膠粉混合物鋪筑在干凈的混凝土地坪上，表面成直徑35～40 cm圓形.其中，松散態(tài)混合物用鍋鏟平整并用橡膠錘適當(dāng)處置；流淌態(tài)混合物由距離地表10 cm高度傾倒至地表并流淌，平整、冷卻后備用.

1.2.3 小梁彎折試驗

采用水泥膠砂強(qiáng)度試驗的試模制成棱柱試樣，尺寸40 mm×40 mm×160 mm.對于流淌型混合物，加熱后澆筑；其余混合物，加熱后按壓進(jìn)試模，并采用橡膠錘捶打整平；脫模后，在冬季室溫下養(yǎng)護(hù)備用.小梁試件則采用24 h室溫水浸預(yù)處理.

1.3 試驗方法

沖刷試驗采用奧克斯單桶洗衣機(jī)(XPB30-38)，淹沒洗滌，輸入功率為240 W.試驗采用自來水直接沖刷和洗衣機(jī)模擬沖刷2種方式.先用尼龍網(wǎng)袋(網(wǎng)眼10 mm×10 mm)將試樣包裝備用；然后緊挨自來水出水口進(jìn)行直接沖刷，或?qū)⑵浞湃胂匆聶C(jī)內(nèi)經(jīng)水淹沒后攪拌洗滌；最后以質(zhì)量損失率評價抗沖刷性能.

飛散試驗采用洛杉磯試驗機(jī)參照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行.試樣經(jīng)20 ℃水浸20 h后在洛杉磯試驗機(jī)中(無鋼球)旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)，并測試其質(zhì)量損失.滲水試驗反映混合物的致密程度，參照瀝青混合料滲水試驗進(jìn)行.試驗中，在地表混合物罩面上安置滲水儀，觀測恒定水量(水位差400 mL)的滲透時間或3 min的滲水量.

粘結(jié)力試驗采用適用于外墻建筑材料的一體式粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀進(jìn)行測試(儀器型號LR-6000C，液壓缸行程10 mm).把鋼鐵試塊(尺寸有4 cm×4 cm，4.5 cm×9.5 cm 2種)預(yù)熱并涂刷熱瀝青后按壓在混凝土地坪的界面上，再啟動儀器借助手搖進(jìn)行原位拉拔，讀取最大荷載.

小梁彎折試驗參照水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法，采用水泥抗折試驗機(jī)(DKZ-5000型)進(jìn)行.小梁跨徑100 mm，承受中分點加載，加荷與支撐圓柱直徑10 mm，加荷速度50±100 N/s，試驗在室內(nèi)溫度10 ℃下進(jìn)行.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)指標(biāo)測試

瀝青膠結(jié)磷石膏粉在加熱條件下成為膠漿類混合物，參照瀝青測試方法所得的針入度、軟化點與延度技術(shù)指標(biāo)見表1.

由表1中軟化點結(jié)果可知，伴隨磷石膏粉末植入數(shù)量的增加即粉膠比的增大，瀝青基混合物軟化點呈先增大后趨于穩(wěn)定趨勢.這說明磷石膏粉末損傷了瀝青間的黏結(jié).分析針入度結(jié)果可知，隨磷石膏粉末植入數(shù)量的增加，針入度呈穩(wěn)定下降趨勢.這說明磷石膏粉末增加了瀝青硬度，有利于其在高溫條件下的穩(wěn)定性與承載力.因此，磷石膏粉末可作為瀝青基材料的界面隔離物質(zhì)阻止界面流淌與粘結(jié)的發(fā)生.分析延度結(jié)果可知，隨粉膠比增加，瀝青基混合物延度呈下降趨勢.

2.2 膠粉混合物的手工拌合測試

膠粉混合物拌合過程中采用手工握捏，見圖1.由圖1可知，粉膠比2.3(瀝青含量30%)的試件成球團(tuán)狀并表面泛黑油性光澤；粉膠比3.0與4.0的試件也能成球團(tuán)狀但無光澤；粉膠比5.7(瀝青含量15%)的試件則明顯呈松散狀態(tài)且呈灰褐色.根據(jù)拌合過程可知，粉膠比越小即瀝青含量越大，熱拌膠粉越易形成流動態(tài)或塑態(tài)，易成型為整體；粉膠比越大，熱拌膠粉越易保持松散顆粒態(tài)；當(dāng)粉膠比≥5.7時，混合物中磷石膏粉不能被瀝青有效包裹與粘結(jié)，在高溫下也難以成型.

圖1 手工握捏的成型狀態(tài)

2.3 膠粉混合物的沖刷試驗與飛散試驗

采用手工握捏成型的試樣經(jīng)由家用單筒洗衣機(jī)攪拌沖刷，取20 min的質(zhì)量損失率進(jìn)行評價，結(jié)果見表2.

表2 膠粉混合物沖刷與飛散測試結(jié)果

由表2可知沖刷實驗中，粉膠比4.0的試樣有輕微質(zhì)量損失，粉膠比5.7的試樣有非常顯著的質(zhì)量損失，粉膠比≤3.0的試樣沒有質(zhì)量損失.

膠粉混合物的飛散試驗結(jié)果同見表2.由表2可知飛散試驗中，粉膠比≤4.0的試樣沒有發(fā)生質(zhì)量損失；粉膠比5.7的試樣有極其輕微的質(zhì)量損失；粉膠比9.0的試樣有一定質(zhì)量損失.對比沖刷試驗和飛散試驗數(shù)據(jù)可知，質(zhì)量損失差異主要歸于試樣成型的方式，即壓實可以改善瀝青膠粉混合物的整體性.事實上，粉膠比為9.0的試樣依然可以擊實成型，而手工握捏則不能使粉膠比＞5.7的試樣成型為整體.

2.4 膠粉混合物的滲透性測試

未經(jīng)特別壓實的混合物滲水測試結(jié)果見表3.

表3 膠粉混合物的滲透性測試結(jié)果

由表3可知，隨粉膠比的增大，滲透系數(shù)也增大；粉膠比2.3的試樣根本不透水，這與其易成團(tuán)特性一致；粉膠比3.0的試樣滿足文獻(xiàn)[12]規(guī)定的普通瀝青混合料滲透要求(≤300 mL/min)；粉膠比4.0的試樣輕微超出規(guī)范規(guī)定.對比可知，經(jīng)過靜壓(0.7 MPa)成型后，粉膠比≤4.0即可表現(xiàn)為根本不透水.這說明粉膠比越小，混合物的滲透性越小，需要附加壓實或提高溫度以改善混合物的封水防滲性能.這也表明，對于不宜壓實場合的混合物需要加大瀝青含量并保證施工溫度.綜上可知，較多的磷石膏粉降低了混合物的致密性，弱化了瀝青粘結(jié)性并損傷了瀝青的防水性；靜壓操作有助于防滲性能的提高，也有助于降低瀝青用量，可作為堆場的基礎(chǔ)承壓防滲罩面成型手段.

2.5 混合物的粘結(jié)力測試

實測時冬季混凝土地面溫度為10 ℃，混合物粘結(jié)力測試結(jié)果見圖2.

圖2 粘結(jié)力強(qiáng)度-粉膠比關(guān)系曲線

由圖2可知，界面的粘結(jié)力隨粉膠比增大呈快速降低趨勢，與既有結(jié)論一致[13]；粉膠比≥5.7的試樣，界面粘結(jié)力可忽略；粉膠比≤3.0的試樣，主要體現(xiàn)為接觸界面處破壞.顯然，瀝青含量或粉膠比顯著影響了日常低溫下的粘結(jié)強(qiáng)度.這也說明，磷石膏粉更多是作為去除瀝青粘結(jié)的干涉材料與隔離材料.

2.6 混合物的低溫彎折測試

混合物的低溫抗折測試結(jié)果見圖3.由圖3可知，隨粉膠比的減小，混合物的抗折強(qiáng)度呈增加趨勢，尤其是粉膠比＜4.0后，強(qiáng)度隨粉膠比降低呈快速增長趨勢.這說明粉膠比對低溫性能影響顯著，即磷石膏損害了瀝青的低溫強(qiáng)度.對比水浸前、后試驗結(jié)果可知，水浸條件顯著影響了粉膠比較大的試樣.通過計算發(fā)現(xiàn)，對于粉膠比4.0與5.7這2種情況，水浸操作導(dǎo)致強(qiáng)度衰減達(dá)20%～40%.這說明，較大的粉膠比導(dǎo)致瀝青對粉粒的包裹覆蓋嚴(yán)重不足，混合物的結(jié)合致密程度降低，水分也易于侵入破壞結(jié)合界面.

圖3 抗折強(qiáng)度-粉膠比關(guān)系曲線

3 場地應(yīng)用分析

由試驗結(jié)果可知，磷石膏粉可以在較小損失瀝青粘結(jié)性的情況下作為干涉材料改善瀝青的高溫穩(wěn)定性.本研究選擇2個應(yīng)用場地測試瀝青膠結(jié)磷石膏粉作防水材料的性能.1)裂縫.采用粉膠比為2.3的熱拌瀝青膠結(jié)磷石膏粉，捶打進(jìn)混凝土水槽底部寬度3 mm左右的裂縫，經(jīng)充水檢驗未發(fā)現(xiàn)滲水行為，可作寬縫隙的裂縫封堵處置材料.2)道路攔水帶.在某校園內(nèi)的瀝青路面邊緣分別采用不同粉膠比的混合物構(gòu)造簡易攔水帶，觀察比較其冬夏季的狀態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)采用粉膠比2.3～4.0的混合物構(gòu)造的路表攔水帶，在夏季沒有氣泡與流淌發(fā)生，汽車反復(fù)碾壓下僅有粉膠比4.0的試樣無水平延展；在冬季也沒有與路表剝離.

4 結(jié)論

1)磷石膏粉與瀝青制備膠漿類混合物，隨粉膠比增大，混合物的軟化點增大、針入度與延度降低；隨粉膠比的增大，混合物的沖刷和飛散質(zhì)量損失率增大，只有當(dāng)粉膠比≤4.0的試樣沒有質(zhì)量損失，該臨界值可確保膠粉混合物的水穩(wěn)定性；隨粉膠比的增大，混合物的滲透系數(shù)也增大，僅當(dāng)粉膠比≤2.3或粉膠比≤4.0在靜壓成型時，混合物表現(xiàn)為不透水.

2)隨粉膠比的增大，混合物的界面粘結(jié)力快速降低，當(dāng)粉膠比≥5.7時，混合物界面的粘結(jié)力基本可以忽略；隨粉膠比的增大，混合物的低溫抗折強(qiáng)度也快速降低；當(dāng)粉膠比≥4.0時，水浸操作對抗折強(qiáng)度的影響較小.

3)室內(nèi)試驗與小型場地試驗證實，磷石膏作為干涉材料可以增強(qiáng)瀝青的硬度與高溫穩(wěn)定性，同時弱化了瀝青作為界面物質(zhì)的粘結(jié)性能與防水性能.瀝青膠結(jié)磷石膏粉可作為瀝青基防水材料并助力磷石膏廢棄物的綜合利用.