磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石基層材料力學(xué)性能研究

鄭自才,王 興,盧繼乾,陳圣瀠,徐 方

(1.中國(guó)能建葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司,武漢 430033;2.湖北黃石武陽(yáng)高速公路發(fā)展有限公司,黃石 435002;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,武漢 430074)

磷石膏是采用硫酸濕法生產(chǎn)磷酸時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)物,通常每生產(chǎn)1 t磷酸需排放4～5 t磷石膏[1]。我國(guó)公路在道路基層建設(shè)中普遍使用常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石,水泥穩(wěn)定碎石技術(shù)相對(duì)成熟,施工工藝較為簡(jiǎn)單[2]。但水泥穩(wěn)定碎石材料中常見(jiàn)問(wèn)題在于易出現(xiàn)裂紋,大大縮短了道路的使用壽命。

有學(xué)者[3,4]嘗試在普通水穩(wěn)碎石中加入部分磷石膏取代碎石中較小粒徑的部分,這樣既能消納磷石膏,還能改善部分基層的耐久性能。秦陽(yáng)[5]將磷石膏摻配于水泥穩(wěn)定碎石并對(duì)其路用性能變化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)與分析,通過(guò)摻入6%～14%的磷石膏將常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石的5%水泥摻量降低至4%。陳潔等[6]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工探討了磷石膏摻量、結(jié)合料摻量、外加劑及級(jí)配碎石對(duì)磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石材料強(qiáng)度和污染物浸出的影響。樂(lè)群力[7]通過(guò)制備不同磷石膏用量的水泥-磷石膏穩(wěn)定碎石試件,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究,結(jié)果表明6%的磷石膏取代1%的水泥后,強(qiáng)度指標(biāo)與抗裂性能得到了提升。但對(duì)于磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石基層長(zhǎng)期的工作性能及環(huán)保性能還有待研究。

以不同摻量磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石作為主要研究對(duì)象,探究了不同結(jié)合料摻量對(duì)磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石材料強(qiáng)度的影響。通過(guò)加入不同含量的穩(wěn)定劑研究其長(zhǎng)期強(qiáng)度規(guī)律及水穩(wěn)性能,分析磷石膏強(qiáng)度形成機(jī)理。

1 試驗(yàn)原材料

磷石膏:來(lái)自武穴祥云化工廠干法排放并堆存3年,簡(jiǎn)稱為(PG)。礦粉、水泥:選用葛洲壩集團(tuán)生產(chǎn)的PO 42.5,各材料化學(xué)成分如表1所示。碎石所用集料按粒級(jí)劃分四檔,0～4.75 mm簡(jiǎn)稱為(SS1)、4.75～9.5 mm簡(jiǎn)稱為(SS2)、9.5～19 mm簡(jiǎn)稱為(SS3)、19～31.5 mm簡(jiǎn)稱為(SS4)。試驗(yàn)選用的穩(wěn)定劑是一類由有機(jī)高分子材料和納米材料復(fù)合制備而成的礦物乳液。

表1 磷石膏的化學(xué)成分 w/%

2 試驗(yàn)方法

2.1 最佳含水率的測(cè)定

在進(jìn)行磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石各項(xiàng)性能試驗(yàn)前應(yīng)確定其最佳含水率,保證被穩(wěn)定材料總體為單位1的情況下調(diào)整磷石膏的摻量。選取了三種磷石膏含量配比進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)(其中每個(gè)試件擊實(shí)分3層進(jìn)行,每擊實(shí)一層檢查其高度合格后對(duì)其表面作拉毛處理,再進(jìn)行下一層擊實(shí))。每組分別進(jìn)行5～8次擊實(shí)試驗(yàn),試驗(yàn)配合比如表2所示,對(duì)擊實(shí)結(jié)果構(gòu)造三角函數(shù)并擬合二階曲線,結(jié)果如圖1所示。

表2 磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石擊實(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比 /%

對(duì)于50%磷石膏摻量的組別,試驗(yàn)測(cè)得最佳含水率為13.119%,所對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.883 g/cm3。30%磷石膏摻量的最佳含水率為10.06%,最大干密度為2.136 g/cm3。15%磷石膏摻量最佳含水率為7.766%,最大干密度為2.248 g/cm3。當(dāng)磷石膏含量提高35%,無(wú)機(jī)結(jié)合料提高2%的情況下,最佳含水率漲幅達(dá)到了68.9%,最大干密度則降低了16.2%。

2.2 磷石膏力學(xué)性能的研究

考慮到15%磷石膏摻量相對(duì)較少,使用30%磷石膏探究不同無(wú)機(jī)結(jié)合料摻量與穩(wěn)定劑的強(qiáng)度變化關(guān)系及污染物浸出規(guī)律。試驗(yàn)配合比如表3所示。

表3 磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石試驗(yàn)配合比 /%

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 水泥與礦渣粉對(duì)磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響

通過(guò)圖2可以看出,B1組相對(duì)于B7組,7 d強(qiáng)度增值為10.7%,磷石膏與水泥發(fā)生水化反應(yīng)后,生成的細(xì)小鈣礬石晶體疊加在碎石與膠凝材料的間隙,間隔粒徑的碎石搭建起骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。28 d后,B7組強(qiáng)度28 d相對(duì)增長(zhǎng)最大,達(dá)到了39.8%,這表明礦渣粉的加入有助于磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石后期強(qiáng)度的形成。

由30%摻量的磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)看,水泥在結(jié)合料中占比的提升有利于提高前期強(qiáng)度,當(dāng)?shù)V渣粉摻入比例增加時(shí),前期強(qiáng)度可能降低,但后期強(qiáng)度增加幅度逐漸增大。

3.2 穩(wěn)定劑對(duì)磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響

從圖3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,水泥礦渣粉(1∶1、3∶5、1∶3組)加入1%穩(wěn)定劑(為被膠結(jié)料的百分比)相比于不加穩(wěn)定劑強(qiáng)度均有所提升,其主要原因是因?yàn)樗嗨磻?yīng)后生成了大量鈣礬石及絲狀水化硅酸鈣凝膠{Na2O·nSiO2+CaSO4·2H2O=Na2SO4(晶體)+CaO·nSiO2(凝膠)+2H2O}[8]。其中,B1組提升較為明顯,7 d強(qiáng)度提高8.5%。但隨著穩(wěn)定劑的繼續(xù)增加到2%,相比1%摻量,7 d強(qiáng)度均有所提升,后期強(qiáng)度增加但仍低于1%穩(wěn)定劑摻量組。加入1%穩(wěn)定劑的B5組,28 d強(qiáng)度相比于7 d強(qiáng)度增長(zhǎng)了41.5%;加入2%穩(wěn)定劑的B6組,28 d強(qiáng)度比7 d強(qiáng)度增長(zhǎng)了17.1%,可見(jiàn)在一定程度上,選取合適摻量的穩(wěn)定劑對(duì)于后期強(qiáng)度的形成有利。

結(jié)合數(shù)據(jù)分析還可以看出,B4組28 d強(qiáng)度相比B1組強(qiáng)度漲幅增長(zhǎng)了1.31%,由此可見(jiàn)礦渣粉的加入提高了后期強(qiáng)度,驗(yàn)證了前面的觀點(diǎn)。

3.3 強(qiáng)度形成機(jī)理

磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石強(qiáng)度一部分來(lái)源于不同級(jí)配碎石與膠結(jié)材料緊密堆積的物理作用,另一部分來(lái)源于膠結(jié)材料水化反應(yīng)后生成鈣礬石、水化硅酸鈣凝膠等物質(zhì)在骨架孔隙中相互搭接的作用。礦渣粉與穩(wěn)定劑含有的硅鋁等堿性物質(zhì)可以激發(fā)礦物活性,促進(jìn)水化反應(yīng),宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度性能明顯提升[9]。

4 環(huán)保性能

結(jié)合力學(xué)性能試驗(yàn),當(dāng)水泥與礦渣粉比例為3∶5且穩(wěn)定劑摻量為1%,對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d后的試件進(jìn)行特征污染物浸出試驗(yàn),磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石試件的總氟化物、總磷及部分重金屬的檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 環(huán)保檢測(cè)結(jié)果

磷石膏中的可溶性磷主要以磷酸及其電離產(chǎn)物存在,磷酸鹽離子與體系中的Ca2+相反應(yīng)生成難溶性固體[10],附著于磷石膏表面而被固化。主要固化產(chǎn)物為磷鈣石(CaHPO4·2H2O)。F-與體系中的Ca2+相反應(yīng)生成難溶性固體附著于磷石膏表面而被固化。主要固化產(chǎn)物為螢鈣石(CaF2)。浸出數(shù)據(jù)可以看出,磷石膏復(fù)合穩(wěn)定碎石路面基層材料,由于磷石膏在水化過(guò)程中被水化產(chǎn)物所包裹,以及所形成水化硅酸鈣凝膠具有巨大的比表面積,對(duì)可溶出的各種離子具有吸附作用,使重金屬離子不易溶出。穩(wěn)定劑對(duì)重金屬離子的固化作用,改變了磷石膏中的各種重金屬元素的溶出特性,使得可溶出的重金屬含量大大降低[11]。

5 結(jié) 論

無(wú)機(jī)結(jié)合料及穩(wěn)定劑是作為道路基層水穩(wěn)性能提升及環(huán)保性能保障的關(guān)鍵,選取合適的摻量既能滿足經(jīng)濟(jì)要求還能保證其工作性能。

a.在路面基層材料水泥穩(wěn)定碎石體系中,隨著磷石膏摻量的逐漸增大,其余變量保持不變的情況下,最佳含水量逐漸增大,最大干密度及7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

b.低摻量磷石膏組加入1%的穩(wěn)定劑后,后期強(qiáng)度增幅最高可達(dá)到41.5%,且均滿足路面基層強(qiáng)度要求。

c.穩(wěn)定劑作為路面基層材料中常用材料,適量加入促進(jìn)水化反應(yīng)生成大量鈣礬石、水化硅酸鈣凝膠,顯著提升了磷石膏基路面基層材料的力學(xué)性能及水穩(wěn)性能。