磷石膏外加劑對水泥穩(wěn)定土性能的影響

李尚， 張翀

（浙江浙交檢測技術(shù)有限公司,杭州 310015）

0 引言

近年來全國各地深入貫徹和踐行“兩山”理念，為保護生態(tài)環(huán)境，諸多礦山與石料場將被逐步關(guān)閉，傳統(tǒng)的宕渣、塘渣路基填料資源日益不足，亟待研究和開發(fā)能夠用在基層合路基中的新材料，穩(wěn)定土技術(shù)是目前應對資源緊缺的主要辦法，傳統(tǒng)的穩(wěn)定材料一般包括水泥、石灰合粉煤灰等[1]。

磷石膏是磷礦制酸過程中的主要副產(chǎn)品，也是化肥工業(yè)中最重要的成分之一，通常情況下磷石膏被當作廢棄物丟棄在填土中，這將會對水和土壤產(chǎn)生污染的風險。磷石膏的主要成分是CaSO4·H2O，由于氫氧根離子（OH-）含量高，因此在pH較高的情況下，很容易與水泥或石灰穩(wěn)定土發(fā)生火山灰反應[2]。因此可以把磷石膏作為外加劑當來處理水泥穩(wěn)定土，應用在道路基層以及路基當中[3]。

周海龍[4]利用脫硫石膏和粉煤灰來改進傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定粉土，得出最佳配合比為水泥：脫硫石膏：粉煤灰=15：6：16，研究表面復合水泥土的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的水泥土，且脫硫石膏在穩(wěn)定土強度和穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用。張立力等[5]使用高鎂鎳渣和磷石膏兩種工業(yè)廢固用以穩(wěn)定鹽漬土，制備了一種新型的HMNS-PG基膠凝材料，研究發(fā)現(xiàn)該種穩(wěn)定劑相比于傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定土具有更高的水穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。經(jīng)穩(wěn)定后的鹽漬土pH值降低，可以用于鹽漬土基層的穩(wěn)定。丁建文等[6]使用水泥和磷石膏穩(wěn)定淤泥土，研究了摻量、初始含水率和齡期對強度的影響。分析了磷石膏摻量對強度影響的機理解釋，并得出了一個最佳摻量。彭波等（2020）[7]采用水泥、石灰、石膏來穩(wěn)定路基土，水泥或石灰穩(wěn)定土的抗壓強度均隨石膏的摻量先增加后降低，并測試了材料的回彈模量，CBR值和無側(cè)限抗壓強度，得出石灰磷石膏和水泥磷石膏的最佳配合比。

以上學者雖對各類磷石膏類穩(wěn)定劑進行了研究，但關(guān)于磷石膏在穩(wěn)定土基層中的研究和應用較少，關(guān)于磷石膏與離子活性劑共同作用于水泥穩(wěn)定土的研究較少，文中立足于磷石膏和活性劑，研究滿足穩(wěn)定粉質(zhì)黏土基層要求的穩(wěn)定劑的相關(guān)性能。

1 試驗過程

1.1 原材料

土樣選自浙江東部某建筑工程的粉質(zhì)黏土，如圖1所示，測得其化學元素組成見表1。對該土最佳含水率和CBR進行測試，得出其最大干密度為1.72g/cm3，最佳含水率為16.2%，CBR值為1.45%如表2所示，不滿足路基承載力的最小要求。

圖1 試驗所用黏土外觀

表1 疏浚土化學元素組成

表2 試驗用粉質(zhì)黏土基本物理指標

選擇普通硅酸鹽水泥作為試驗研究的穩(wěn)定劑，試驗所用水泥為錢江水泥廠生產(chǎn)32.5號普通硅酸鹽水泥見表3。選取的磷石膏粉末由利源環(huán)保材料公司生產(chǎn)，表4列出了磷石膏的化學成分。另外使用的離子活性劑主要含有CO3-、SO42-等成分。

表3 水泥的化學組成

表4 磷石膏化學組成成分

1.2 試驗方法

對穩(wěn)定土采用無側(cè)限抗壓強度試驗，細粒土試模為直徑×高度=50mm×50mm的圓柱形。像土中加入配制好的穩(wěn)定劑和水，攪拌均勻，浸潤一段時間后按計算好的質(zhì)量加入試模中，將試模置于壓力機上以1mm/min的速率加載。試件壓實后靜載2min，再卸載脫模。試件制作完成后，放入溫度20±2℃，相對濕度95%以上的養(yǎng)護室中養(yǎng)生，養(yǎng)護至最后1d浸水養(yǎng)護。無側(cè)限抗壓強度采用30kN萬能電子試驗機進行，加載速率為1mm/min，采用計算機記錄應力應變關(guān)系曲線，記錄破壞時的最大壓力P，并計算試件的無側(cè)限抗壓強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單摻試驗結(jié)果

分析水泥土無側(cè)限抗壓強度的數(shù)據(jù)見圖3，當水泥摻量在8%～10%之間時強度增長速率最快，7d強度分別達到0.65MPa和0.84MPa，可以通過添加磷石膏和活的性劑的方式繼續(xù)提高強度。

圖3 水泥穩(wěn)定土強度增長規(guī)律

使用磷石膏取代部分水泥見圖4，水泥摻入量固定在10%，分別使用20%～80%磷石膏取代部分水泥。如圖可見磷石膏取代率存在一個最佳值，對于不同齡期而言該最佳摻量略有不同，在7d齡期下的最佳取代率大約為38%，28d齡期的最佳值為40%左右。當使用過量磷石膏取代主劑則會大大降低穩(wěn)定土的強度，當取代率達到60%以上時，甚至會使穩(wěn)定土試件膨脹脹裂，使強度降低60%以上。

圖4 強度隨磷石膏的取代率變化情況

2.2 復摻試驗結(jié)果

試驗采用響應面法來確定水泥、磷石膏和活性劑三者之間的關(guān)系。根據(jù)單摻試驗結(jié)果，綜合考慮穩(wěn)定效果和成本因素，控制摻量：水泥4%～8%；磷石膏1%～4%；活性劑0.1%～0.3%。試驗按3因素3水平分別進行編碼轉(zhuǎn)換。

將X3（活性劑）固定在編碼為0的水平上（即0.2%摻量水平），得到穩(wěn)定土7d齡期時水泥和磷石膏交互作用的二維等高線和三維響應面，如圖5所示。從圖中可以看出，穩(wěn)定土7d強度隨水泥摻量的增加而提高。這是因為水泥和土中元素發(fā)生水化反應、火山灰反應、碳酸化反應等多種反應，產(chǎn)物中含有具有膠結(jié)能力的物質(zhì)，如水化硅酸鈣和鈣礬石。

圖5 水泥-磷石膏交互作用

對于磷石膏對強度的影響則較為復雜。當水泥摻量較低（約4%～6.6%）時，隨磷石膏摻量的增加，強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這是因為磷石膏摻入較小時，與水泥共同組成復合穩(wěn)定劑，水泥和磷石膏水合物在堿性環(huán)境中與土壤活性物質(zhì)發(fā)生反應生成鈣礬石，磷石膏含量少時，膨脹物質(zhì)填充了穩(wěn)定土的孔隙，從而使土壤結(jié)構(gòu)更加牢固，進而導致強度提高。當磷石膏含量較多時，膨脹性礦物組分的總量過大，過度膨脹會導致土壤結(jié)構(gòu)破壞和強度損失；而當水泥摻量較高（約6.6%～8%）時，磷石膏摻量的增加會導致強度不斷上升，但增長速率逐漸變緩。這是因為加入適量的水泥，相當于降低了磷石膏的相對含量，抑制混合料的膨脹性。應當注意的是，由于磷石膏對強度的作用存在兩面性，因而在工程中需控制添加用量，不宜超過水泥用量的一半，且一般不宜單獨使用。

為確保配制的穩(wěn)定土7d強度滿足規(guī)范要求，將優(yōu)化標準設(shè)置為7d強度1.2MPa，28d強度達1.8MPa。通過響應面軟件優(yōu)化結(jié)果，可得水泥、磷石膏和活性劑的最佳配合比為8%：3%：0.25%，在此配合比下的7d無側(cè)限抗壓強度可達到1.455MPa，28d無側(cè)限抗壓強度達到1.804MPa。

3 微觀試驗分析

采用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）在更小尺度上研究了試樣穩(wěn)定前后的形態(tài)學特征。

試驗檢測了養(yǎng)護14d后的三種不同磷石膏摻加量的穩(wěn)定土試樣，在6%水泥和0.2%的活性劑基礎(chǔ)上分別添加1%、2.5%和4%磷石膏，觀察土壤結(jié)構(gòu)、水化產(chǎn)物和孔隙率的變化。

圖6（a）為摻加1%磷石膏的SEM圖，圖6（a）中可見水泥基土壤穩(wěn)定劑水化產(chǎn)物CSH凝膠已經(jīng)將土顆粒黏結(jié)起來，但仍可以看見土顆粒之間的縫隙，土顆粒的外貌清晰可辨。圖6（b）為摻加2.5%磷石膏的SEM圖，圖中可見水化產(chǎn)物CSH凝膠進一步增多，其將土顆粒包裹起來，并有效地進行了黏結(jié)。并且可以看到六方棱柱狀AFt晶體和纖維狀CSH凝膠縱橫交替搭接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，插入固體顆?？p隙之間或填充在原先被水或氣體占據(jù)的孔隙之中，形成“微加筋土”結(jié)構(gòu)。圖6（c）為摻加4%磷石膏的SEM圖，圖6（c）中可見土顆粒間的孔隙變大，周圍有大量的凝膠與結(jié)晶物質(zhì)，可能是鈣硅石結(jié)晶與AFt結(jié)晶膨脹，反而使顆粒彼此之間聯(lián)結(jié)形式發(fā)生改變，由于AFt晶體的膨脹性，能使加固土的體積在短時間內(nèi)迅速膨脹，產(chǎn)生過大的膨脹力，當膨脹力大于孔隙間聯(lián)結(jié)力時，使其粒間膠結(jié)力下降，導致其強度下降。

圖6 掃描電鏡結(jié)果

微觀試驗表明，適當摻加（2.5%）石膏晶體在穩(wěn)定的土壤中生長并聚集在一起，聚集了原有的土壤顆粒，填充了孔隙，可以有效改善穩(wěn)定土的性質(zhì)。低摻量（1%）以及高摻量（4%）會造成膠結(jié)力不強或膠結(jié)力下降等問題，導致強度不足。

4 結(jié)語

（1）文中使用水泥、磷石膏和活性劑作為穩(wěn)定材料，發(fā)現(xiàn)當磷石膏對水泥的取代率在30%～50%左右時可以使穩(wěn)定土強度最高提升30%以上。

（2）采用響應面法優(yōu)化得到水泥、磷石膏和激活劑的最佳配合比為w1=8%；w2=3%；w3=0.25%，7d強度達到1.455MPa可以滿足用作道路底基層的強度要求。

（3）通過SEM發(fā)現(xiàn)適當摻量的磷石膏可以使得水化產(chǎn)物增多、土壤結(jié)構(gòu)更加密實以及增強土壤顆粒之間的連接等作用，少量和過量均會導致膠結(jié)力不足，從而使得強度下降。