磷石膏基道路穩定基層材料應用研究

劉志浩， 胡波， 吳元欣 ， 劉浩， 徐靜， 代攀， 葉哲強， 陳昌彪

(1.湖北聚海環境科技有限公司, 湖北 武漢 430040;2.湖北江漢工程咨詢有限公司, 湖北 武漢 430041)

磷石膏主要有灰黑色和灰白色兩種，顆粒直徑一般為5～50 μm，結晶水含量為20%～25%。磷石膏是磷礦濕法制造磷酸的副產物，工業生產中常用二水法生產磷酸，每生產1 t磷酸會產生4.5～5.5 t磷石膏。據統計，截至2020年，中國磷石膏總堆存量超過6億t，年排放量約7 500萬t(其中湖北省磷石膏年排放量2 255萬t，約占全國的30%)，而年使用量僅3 100萬t，磷石膏消納綜合利用的速度趕不上增量，更談不上消納存量。目前磷石膏大多采用露天堆放處理，不僅造成土地資源浪費，而且磷石膏中殘留的強酸、磷、氟、有機物等雜質隨著雨水進入地下和河流，污染土地和水資源，給人民群眾的生產、生活及身體健康帶來巨大危害。由于公路工程建設需要消耗大量原材料，將廢棄磷石膏通過技術處理再生成符合國家標準的石膏建材，再將再生磷石膏作為道路基層材料使用，既能變廢為寶，促進資源的節約、集約利用，又能產生較好的經濟和生態效益，符合節約資源和保護環境的基本國策。

1 再生磷石膏穩定基層

1.1 原材料

(1) 再生磷石膏。磷石膏取至湖北大悟黃麥嶺磷石膏堆場，為顆粒直徑為150～300 μm的尾礦(見圖1)。采用磷石膏協同再生處理技術，通過脫水干化、粉磨、高溫煅燒(研究表明，將溫度上升至200～400 ℃，五氧化二磷可轉化為較難溶解的磷酸鹽；溫度上升到950 ℃左右時，有機磷中的五氧化二磷含量降低至極限，氟含量也明顯降低，磷石膏的有害性得到基本控制)制成磷石膏粉(見圖2)。其化學檢測指標見表1，物理性能見表2，均符合相關技術標準要求。

圖1 處理前磷石膏

圖2 處理后磷石膏

表1 磷石膏的化學指標檢測結果

表2 磷石膏的物理性能檢測結果(3.0等級)

(2) 廢棄土。采用液限小于50%、塑性指數小于26、含水量小于25%的廢棄土，要求其不含草皮、生活垃圾、樹根、腐殖質性土。

(3) 再生輕集料。采用湖北聚海環境科技有限公司生產的0～5 mm輕骨料，密度為700～800 kg/m3。

1.2 試驗方案

根據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》、JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行擊實試驗，選用甲法進行試驗。因試驗材料再生磷石膏為直徑45～150 μm的粉料，廢棄土的粒徑也小于4.75 mm，采用小型擊實筒，采用重型擊實。

1.2.1 方案一：再生磷石膏與廢棄土摻配

采用濕土法制作土樣，按四分法至少制備5個土樣,用天然含水率的土樣作為第一個樣品，其余樣品分別按2%～3%含水率遞減。再生磷石膏拌和后在1 h內完成擊實試驗，得到最佳含水率和最大干密度。根據最大干密度和最佳含水率，采用JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中靜壓法成型試件，在(20+2) ℃養護箱內養護6 d后泡水1 d。將已浸水1 d的試件從水中取出，放在承載比試驗儀上進行7 d無側限抗壓強度試驗。

為充分發揮再生磷石膏的固有建材特性，以磷石膏基為膠凝材料形成高性能復合道路基層。在前期大量試驗數據的基礎上，選取再生磷石膏摻量分別為60%、70%、80%、90%進行基準配合比設計并進行路用性能試驗，試驗結果見表3。

表3 方案一各摻配比例下磷石膏基道路穩定基層材料路用性能試驗結果

由表1可知：除再生磷石膏與廢棄土摻配比例為60∶40時不滿足要求外，其他摻配比例下強度均滿足各等級公路底基層強度和二級及以下公路基層的技術要求。

1.2.2 方案二：再生磷石膏與輕集料摻配

采用干法制作土樣。將再生磷石膏與輕集料按比例進行摻配，加水拌和均勻后在1 h內完成擊實試驗。用天然含水率的土樣作為第一個樣品，其余樣品分別按2%～3%含水率遞增進行擊實，得到最佳含水率和最大干密度。根據最大干密度和最佳含水率，采用JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中靜壓法成型試件，在(20+2) ℃養護箱內養護6 d后泡水1 d。將已浸水1 d的試件從水中取出，放在承載比試驗儀上進行7 d無側限抗壓強度試驗。

以磷石膏基為膠凝材料形成高性能復合道路基層，選取再生磷石膏摻量分別為60%、70%、80%、90%進行基準配合比設計并進行路用性能試驗,試驗結果見表4。

表4 方案二各摻配比例下磷石膏基道路穩定基層材料路用性能試驗結果

再生磷石膏屬于氣硬材料,遇水后凝結較快，考慮到凝結過快不利于現場施工，添加緩凝劑。相關研究表明：緩凝劑摻量小于0.2%時，磷石膏的凝結時間隨緩凝劑摻量的變化較平緩；摻量大于0.2%時,磷石膏的凝結時間隨緩凝劑摻量增加而延長。選用再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10，緩凝劑摻量為0、0.1%、0.3%、0.5%分別進行7 d無側限抗壓強度試驗,試驗結果見表5。

表5 不同緩凝劑摻量下再生磷石膏與輕集料摻配比例為 90∶10時磷石膏基穩定基層材料的抗壓強度

由表5可知：在未摻緩凝劑時，再生磷石膏基道路穩定基層材料1 h后即結塊硬化，不滿足施工要求；在摻0.1%緩凝劑時，2 h后即結塊硬化，不滿足施工要求；在摻0.3%緩凝劑時，3 h后未出現結塊硬化現象且強度損失較小，滿足施工要求；在摻0.5%緩凝劑時，3 h后未出現結塊硬化現象且強度未損失，滿足施工要求。

再生磷石膏是采用脫水干化、粉磨、高溫煅燒技術將磷石膏中二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)轉化成半水硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O)，恢復其建筑材料的功能。再生磷石膏屬于氣硬材料，水化反應硬化后具有多封閉的細微孔和水穩定性差的特點，需加入防水劑，解決吸水率大和遇水軟化的問題，提高硬化后強度。選用再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10，緩凝劑摻量為0.3%，防水劑摻量為0、0.1%、0.3%、0.5%進行試驗，檢測其泡水后軟化性能，試驗結果見表6。

表6 不同防水劑摻量下再生磷石膏與輕集料摻配比例為 90∶10時磷石膏基穩定基層材料泡水后性能

由表6可知：未摻防水劑時，再生磷石膏基道路穩定基層材料泡水1 d后強度損失50%；摻0.1%防水劑時，泡水1 d后強度損失30%；摻0.3%防水劑時，泡水1 d后強度損失10%；摻0.5%防水劑時，泡水1 d后強度損失9%。摻0.3%和0.5%防水劑時強度損失較小，考慮后期經濟成本，選用0.3%防水劑摻量。

2 路用性能比較分析

選用再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10，緩凝劑摻量為0.3%，防水劑摻量為0.3%的再生磷石膏基道路穩定基層材料進行無側限抗壓強度、劈裂強度、抗彎拉強度檢測，并與水泥穩定基層材料進行對比, 結果見表7。

由表7可知：與水泥穩定碎石基層材料相比，磷石膏基道路穩定基層材料的密度小、強度高，滿足各等級公路路面基層的技術要求。

表7 磷石膏基道路穩定基層材料和水泥穩定基層材料性能試驗結果

3 經濟比較分析

3.1 方案一

以長度1 000 m、寬度24 m、厚度0.2 m的路基工程為例，其材料用量為4 800 m3，分別計算再生磷石膏與廢棄土摻配比例為70∶30和90∶10磷石膏基道路復合穩定基層的材料費用，并與5%水泥穩定基層的材料費用進行比較。再生磷石膏與廢棄土摻配比例為70∶30時，最大干密度為1.665 g/cm3，壓實度取97%，所需材料為7 752 t；再生磷石膏與廢棄土摻配比例為90∶10時，最大干密度為1.602 g/cm3，壓實度取97%，所需材料為7 459 t；5%水泥穩定基層的最大干密度為2.360 g/cm3，壓實度取97%，所需材料為10 998 t。兩種基層的經濟性比較見表8。

由表8可知：與5%水泥穩定基層相比，采用最佳配合比(再生磷石膏與廢棄土摻配比例為90 ∶10)的磷石膏基道路復合穩定基層，每公里可節約材料費用26.7%。

表8 方案一下磷石膏基道路復合穩定基層與水泥穩定基層的經濟性比較

3.2 方案二

以長度為1 000 m、寬度為24 m、厚度為0.2 m的路基工程為例，其材料用量為4 800 m3，分別計算再生磷石膏與輕集料摻配比例為60∶40和90∶10時磷石膏基道路復合穩定基層的材料費用，并與5%水泥穩定基層的材料費用進行比較。再生磷石膏與輕集料摻配比例為60∶40時，最大干密度為1.470 g/cm3，壓實度取97%，所需材料為6 844 t；再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10時，最大干密度為1.503 g/cm3，壓實度取97%，所需材料為6 998 t；5%水泥穩定基層的最大干密度為2.360 g/cm3，壓實度取97%，所需材料為10 998 t。兩種基層的經濟性比較見表9。

表9 方案二下磷石膏基道路復合穩定基層與水泥穩定基層的經濟性比較

由表9可知：與5%水泥穩定基層相比，采用最佳配合比(再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10)磷石膏基道路復合穩定基層，每公里可節約材料費用8.9%。

4 碳排放量比較分析

再生磷石膏是采用協同處理技術的資源綜合利用，不需要單獨消耗能源。而生產水泥熟料需燃燒標準煤炭提供熱能，會產生二氧化碳。以磷石膏基道路穩定基層材料代替傳統水泥穩定碎石基層材料中的砂石骨料，可避免開采和破碎環節產生的能源消耗及由此產生的二氧化碳排放。采用再生磷石膏，無需專有能源，能達到零碳或負碳排放。相比水泥穩定基層，采用磷石膏基道路復合穩定基層，在節約煤炭資源消耗的同時可減少約438 t/km 二氧化碳排放，實現綠色低碳環保。

5 磷石膏基道路復合穩定基層的應用

試驗段為湖北聚海環境科技有限公司磷石膏全產業鏈綜合開發利用科技園進園區道路，路線全長約480 m，道路紅線寬 20 m。再生磷石膏與輕集料摻配比例為70∶30，緩凝劑摻量為0.3%，防水劑摻量為0.3%。將磷石膏基道路穩定基層材料用于路面基層底基層施工，采用集中廠拌的生產工藝。每層攤鋪厚度控制在25 cm,在3 h內完成攤鋪。碾壓工序為雙鋼輪壓路機初壓1遍→單鋼輪壓路機強振2遍→單鋼輪壓路機弱振1遍→膠輪壓路機靜壓1遍。施工后覆蓋土工膜，養生1 d，養生期間禁止施工設備與車輛通行。

施工完后進行檢測，最大干密度為1.465 g/cm3，壓實度為98.6%，7 d無側限抗壓強度為5.25 MPa，芯樣強度為5.0 MPa，滿足要求。磷石膏基道路穩定基層材料能滿足各等級公路路面底基層的技術要求。

施工注意事項：1) 在拌和機械選用時，考慮到再生磷石膏摻配比例很高，按照4～6個料倉配置。因再生磷石膏為45～150 μm的粉料，對料倉進行密封和除塵。拌和用水量根據現場溫度在最佳含水率上增加0.5%～1.0%。2) 由于磷石膏基道路復合穩定基層材料的密度較小，松鋪系數較大，鋪筑厚度受限，最大設計厚度為25 cm。3) 考慮到磷石膏基道路穩定基層材料較細，碾壓后表面較光滑，不利于下層的黏結，先用羊足碾壓路機進行靜壓，再用鋼筒式壓路機進行復壓，最后用輪胎壓路機收面。

6 結論

(1) 高溫煅燒后磷石膏中氟、磷等有害污染物能達到相關標準要求，使用時采用防水劑對其進行固化，將其應用于道路工程不會對環境造成二次污染。

(2) 再生磷石膏基道路穩定基層材料具有良好的耐候性、高穩定性、資源節約性、環保節能性，符合公路基層設計和施工技術要求。

(3) 將再生磷石膏應用于公路建設，既能減少磷石膏的庫存量，又能減小公路建設對砂石料的依賴，節約自然資源，促進綠色公路建設。