磷石膏復合穩定碎石基層材料力學性能研究

鄭自才,王 興,盧繼乾,陳圣瀠,徐 方

(1.中國能建葛洲壩集團交通投資有限公司,武漢 430033;2.湖北黃石武陽高速公路發展有限公司,黃石 435002;3.中國地質大學(武漢)工程學院,武漢 430074)

磷石膏是采用硫酸濕法生產磷酸時產生的工業副產物,通常每生產1 t磷酸需排放4～5 t磷石膏[1]。我國公路在道路基層建設中普遍使用常規水泥穩定碎石,水泥穩定碎石技術相對成熟,施工工藝較為簡單[2]。但水泥穩定碎石材料中常見問題在于易出現裂紋,大大縮短了道路的使用壽命。

有學者[3,4]嘗試在普通水穩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[5]將磷石膏摻配于水泥穩定碎石并對其路用性能變化規律進行試驗與分析,通過摻入6%～14%的磷石膏將常規水泥穩定碎石的5%水泥摻量降低至4%。陳潔等[6]通過室內試驗結合現場施工探討了磷石膏摻量、結合料摻量、外加劑及級配碎石對磷石膏復合穩定碎石材料強度和污染物浸出的影響。樂群力[7]通過制備不同磷石膏用量的水泥-磷石膏穩定碎石試件,結合室內試驗對其力學性能進行了相關研究,結果表明6%的磷石膏取代1%的水泥后,強度指標與抗裂性能得到了提升。但對于磷石膏復合穩定碎石基層長期的工作性能及環保性能還有待研究。

以不同摻量磷石膏復合穩定碎石作為主要研究對象,探究了不同結合料摻量對磷石膏復合穩定碎石材料強度的影響。通過加入不同含量的穩定劑研究其長期強度規律及水穩性能,分析磷石膏強度形成機理。

1 試驗原材料

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

表1 磷石膏的化學成分 w/%

2 試驗方法

2.1 最佳含水率的測定

在進行磷石膏復合穩定碎石各項性能試驗前應確定其最佳含水率,保證被穩定材料總體為單位1的情況下調整磷石膏的摻量。選取了三種磷石膏含量配比進行擊實試驗(其中每個試件擊實分3層進行,每擊實一層檢查其高度合格后對其表面作拉毛處理,再進行下一層擊實)。每組分別進行5～8次擊實試驗,試驗配合比如表2所示,對擊實結果構造三角函數并擬合二階曲線,結果如圖1所示。

表2 磷石膏復合穩定碎石擊實試驗設計配合比 /%

對于50%磷石膏摻量的組別,試驗測得最佳含水率為13.119%,所對應的最大干密度為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。當磷石膏含量提高35%,無機結合料提高2%的情況下,最佳含水率漲幅達到了68.9%,最大干密度則降低了16.2%。

2.2 磷石膏力學性能的研究

考慮到15%磷石膏摻量相對較少,使用30%磷石膏探究不同無機結合料摻量與穩定劑的強度變化關系及污染物浸出規律。試驗配合比如表3所示。

表3 磷石膏復合穩定碎石試驗配合比 /%

3 試驗數據分析

3.1 水泥與礦渣粉對磷石膏復合穩定碎石力學性能的影響

通過圖2可以看出,B1組相對于B7組,7 d強度增值為10.7%,磷石膏與水泥發生水化反應后,生成的細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結構。28 d后,B7組強度28 d相對增長最大,達到了39.8%,這表明礦渣粉的加入有助于磷石膏復合穩定碎石后期強度的形成。

由30%摻量的磷石膏復合穩定碎石的強度數據來看,水泥在結合料中占比的提升有利于提高前期強度,當礦渣粉摻入比例增加時,前期強度可能降低,但后期強度增加幅度逐漸增大。

3.2 穩定劑對磷石膏復合穩定碎石力學性能的影響

從圖3的試驗結果可以看出,水泥礦渣粉(1∶1、3∶5、1∶3組)加入1%穩定劑(為被膠結料的百分比)相比于不加穩定劑強度均有所提升,其主要原因是因為水泥水化反應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強度提高8.5%。但隨著穩定劑的繼續增加到2%,相比1%摻量,7 d強度均有所提升,后期強度增加但仍低于1%穩定劑摻量組。加入1%穩定劑的B5組,28 d強度相比于7 d強度增長了41.5%;加入2%穩定劑的B6組,28 d強度比7 d強度增長了17.1%,可見在一定程度上,選取合適摻量的穩定劑對于后期強度的形成有利。

結合數據分析還可以看出,B4組28 d強度相比B1組強度漲幅增長了1.31%,由此可見礦渣粉的加入提高了后期強度,驗證了前面的觀點。

3.3 強度形成機理

磷石膏復合穩定碎石強度一部分來源于不同級配碎石與膠結材料緊密堆積的物理作用,另一部分來源于膠結材料水化反應后生成鈣礬石、水化硅酸鈣凝膠等物質在骨架孔隙中相互搭接的作用。礦渣粉與穩定劑含有的硅鋁等堿性物質可以激發礦物活性,促進水化反應,宏觀表現為強度性能明顯提升[9]。

4 環保性能

結合力學性能試驗,當水泥與礦渣粉比例為3∶5且穩定劑摻量為1%,對養護28 d后的試件進行特征污染物浸出試驗,磷石膏復合穩定碎石試件的總氟化物、總磷及部分重金屬的檢測結果如表4所示。

表4 環保檢測結果

磷石膏中的可溶性磷主要以磷酸及其電離產物存在,磷酸鹽離子與體系中的Ca2+相反應生成難溶性固體[10],附著于磷石膏表面而被固化。主要固化產物為磷鈣石(CaHPO4·2H2O)。F-與體系中的Ca2+相反應生成難溶性固體附著于磷石膏表面而被固化。主要固化產物為螢鈣石(CaF2)。浸出數據可以看出,磷石膏復合穩定碎石路面基層材料,由于磷石膏在水化過程中被水化產物所包裹,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。穩定劑對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 論

無機結合料及穩定劑是作為道路基層水穩性能提升及環保性能保障的關鍵,選取合適的摻量既能滿足經濟要求還能保證其工作性能。

a.在路面基層材料水泥穩定碎石體系中,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無側限抗壓強度逐漸降低。

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

c.穩定劑作為路面基層材料中常用材料,適量加入促進水化反應生成大量鈣礬石、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性能及水穩性能。