水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料力學(xué)性能研究

李夏 唐浩

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

1 概述

磷石膏是磷肥生產(chǎn)過程中排放的主要固體廢棄物,每生產(chǎn)1噸磷肥約產(chǎn)生5噸左右的磷石膏，磷石膏通常呈灰白色粉末狀，其主要成份為二水硫酸鈣，另含有少量雜質(zhì)，主要包括未充分反應(yīng)的磷礦、中間產(chǎn)物磷酸及含氟、磷的有機(jī)質(zhì)等，磷石膏的大量堆積會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。據(jù)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)[1]，2019年我國磷石膏產(chǎn)能高達(dá)7500萬噸，綜合利用率約40%。截至2019年底，全球的磷石膏堆積量高達(dá)60億噸，我國磷石膏的累計(jì)堆積量已高達(dá)4億噸，約占全球磷石膏堆積量的8%左右，所以如何提高磷石膏的綜合利用率，降低磷石膏的堆積量是近年來學(xué)者的研究熱點(diǎn)。磷石膏在道路基層領(lǐng)域已經(jīng)有不少學(xué)者取得了些許成就，杜婷婷等人[2]研究了水泥磷石膏材料的水穩(wěn)性能和力學(xué)性能，分析了材料的強(qiáng)度形成機(jī)理，并對(duì)其作為路面基層材料的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)；郝強(qiáng)東等[3]發(fā)現(xiàn)隨著磷石膏在二灰類基層材料中摻量的摻加，混合料最大干密度會(huì)逐漸增加，其強(qiáng)度也會(huì)逐漸提高；孟維正[4]將改良后的磷石膏材料應(yīng)用在路基建設(shè)中，發(fā)現(xiàn)純磷石膏水穩(wěn)定性極差，但水泥、石灰的水化凝結(jié)過程會(huì)改善磷石膏水穩(wěn)性效果；磷石膏改良體系的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻加的水泥、石膏質(zhì)量成正比；張英富[5]等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究得出優(yōu)化后的磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料可滿足不同等級(jí)公路的基層和底基層強(qiáng)度要求，并分析了其強(qiáng)度形成機(jī)理。本文的主要研究目的是將磷石膏用作道路基層材料，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料的最佳含水率和最大干密度，并對(duì)水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，最終對(duì)材料的性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原材料

磷石膏材料的產(chǎn)地為湖北宜化某磷石膏堆場，其主要成分為二水石膏，整體呈灰白色，其具體成分如表1所示；試驗(yàn)采用水泥為標(biāo)準(zhǔn)的華新PO42.5 水泥，水泥的初凝、終凝時(shí)間如下表2所示；添加劑：湖北宗集環(huán)保公司生產(chǎn)的液型固化劑。

表1 磷石膏化學(xué)成分

表2 水泥凝結(jié)時(shí)間

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)

2.2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

繪制水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料的含水率-干密度變化曲線，得出水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料的最佳含水率和最大密度。

2.2.1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)規(guī)范JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[6]中的T0804-1994進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，因?yàn)榱资辔锢硇再|(zhì)類似于粉土，采用甲類擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，采用小型擊實(shí)筒，其為內(nèi)徑100mm，高為127mm的金屬圓筒，其套環(huán)的高為50mm。

表3 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定料擊實(shí)試驗(yàn)類別表

2.2.2 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

測定水泥穩(wěn)定磷石膏材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，評(píng)價(jià)其力學(xué)性能。

2.2.2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)規(guī)范JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0805-1994進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。因?yàn)榱资嗟念w粒大小屬于細(xì)粒土，所以采用小型試模，試模的尺寸的為半徑為100mm，高度為100mm。對(duì)于試件采用98%的壓實(shí)度靜壓成型高徑比為1：1的圓柱形試件；并在規(guī)程的要求下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，對(duì)于每一種配合比的試件需要制作9個(gè)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)

3.1.1 含水率測試方法

對(duì)于磷石膏室內(nèi)振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)中水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料的配合比選擇為：磷石膏：水泥（PO42.5 ）：固化劑=92：8：0.04 。對(duì)磷石膏材料天然含水率的測試后，測出磷石膏的天然含水率為10%。

3.1.2 含水率的范圍預(yù)設(shè)

預(yù)設(shè)的5個(gè)不同含水率（8%、10%、12%、14%、16%）試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出含水率和干密度的變化曲線，得出最大干密度和最優(yōu)含水率。水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料干密度和含水率變化曲線如圖1所示。

圖1 含水率和最大干密度變化曲線

通過室內(nèi)振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)完成通過繪出的含水率和干密度曲線的拐點(diǎn)找出最佳含水率和最大干密度，通過計(jì)算得出:水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料的最佳含水率為11.8%，其對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.602 g/cm3。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.2.1 不同配合比的水泥穩(wěn)定磷石膏材料強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)在最佳含水率條件下，采用不同摻量的液體固化劑改良水泥磷石膏穩(wěn)定材料，試件以98%的壓實(shí)度靜壓成型直徑×高=100mm×100mm的每組水泥磷石膏試件。制備完成的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)最后一天將試樣泡水24h后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組9個(gè)試件，且變異系數(shù)不大于10%。不同配合比的材料強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同配合比的水泥基穩(wěn)定磷石膏基層材料7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)不同配合比的水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料可知：（1）當(dāng)添加劑的劑量一定時(shí)，水泥基穩(wěn)定磷石膏基層材料，隨著水泥劑量的增加，其相應(yīng)的7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的亦會(huì)逐漸緩慢增加。（2）當(dāng)水泥和磷石膏摻量一定時(shí)，水泥基穩(wěn)定磷石膏基層材料，隨著添加劑的增加，其相應(yīng)的7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也會(huì)緩慢的增加。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]（JTG D50-2017）中對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值的要求可知本材料可用于中等、輕交通高速公路、一級(jí)公路的基層及底基層，或重交通高速公路、一級(jí)公路的底基層。

3.2.2 水泥基磷石膏基層穩(wěn)定材料強(qiáng)度增長規(guī)律

綜合考慮材料性能及磷石膏的利用效率，擬將92%磷石膏+8%水泥+0.4%固化劑的材料配比作為室內(nèi)最佳配合比。對(duì)最佳配合比條件下水穩(wěn)磷石膏的強(qiáng)度增長規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，測得其不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表5所示。

表5 不同齡期的水泥穩(wěn)定磷石膏基層材料抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表5可知，水泥基穩(wěn)定磷石膏材料的抗壓強(qiáng)度再經(jīng)過180d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)之后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值可以高達(dá)6.1 Mpa。

根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可知，水泥基磷石膏穩(wěn)定材料具有良好的的力學(xué)特性，是一種優(yōu)異的道路基層材料。

4 結(jié)論與展望

通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)和力學(xué)性能測試，可知水泥基磷石膏穩(wěn)定類材料的最佳含水率為11.8 %，其對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.602 g/cm3；并且根據(jù)室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試得出水泥基磷石膏基層材料的強(qiáng)度增長規(guī)律，其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6.1 Mpa，其力學(xué)性能優(yōu)異，可以作為道路基層材料，并且根據(jù)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值的要求可知本材料可用于中等、輕交通高速公路、一級(jí)公路的基層及底基層，或重交通高速公路、一級(jí)公路的底基層，將磷石膏材料運(yùn)用于道路基層建設(shè)，可以消耗磷石膏材料的堆積量，減少環(huán)境污染，并且為道路建設(shè)提供一種新的原材料，降低道路的造價(jià)。