磷石膏对水泥稳定碎石的路用性能影响试验研究_秦阳.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202108083开放科学（资源服务）标识码（OSID）磷石膏对水泥稳定碎石的路用性能影响试验研究秦 阳（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都610081）摘要：在 5%水泥掺配比例条件下，掺入 6%14%磷石膏，开展磷石膏掺配于水泥稳定碎石用以对比其路用性能变化规律的试验与分析，研究对水泥稳定碎石试件的无侧限抗压强度的影响；对比 3 种不同磷石膏掺配比例级配碎石的级配变化、最佳含水率和最大干密度变化及 3 种碎石级配对应的各组试件强度变化，结合 4.75 mm 关键筛孔通过率确定合理级配选择；在同一磷石膏掺配比例的基础上控制 3%5%的水泥掺配比例，分析试件性能变化；分析掺配磷石膏的水泥稳定碎石材料的长期力学性能。研究结果表明：合理的磷石膏掺配比例可提升水泥稳定碎石强度；推荐 8%的磷石膏掺配比例及 40%的 4.75 mm 筛孔累计通过率对应碎石级配；在合理的掺配条件下，可将常规水泥稳定碎石的 5%水泥掺量降低至 4%，仍可满足使用要求。关键词：基层；掺磷石膏；水泥稳定碎石；级配；路用性能；无侧限抗压强度；劈裂强度；抗压回弹模量中图分类号：U416.214文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0131 05 0 引言我国交通建设及各类基建设施建设速度不断提升，天然骨料日渐枯竭，价格随之攀升，亟需寻找各类替代性材料。磷石膏是化学工业利用湿法生产磷酸时的副产物，综合利用率不超过 50%，废弃副产物占用了大量用地空间，且有环境污染风险。据统计，目前我国磷石膏堆存总量已达四亿吨1，对相关化工产业可持续发展带来巨大挑战，如何将磷石膏有效进行利用是现阶段科研工作者需要思考的重要问题。有关磷石膏作为建设材料进行再生利用的研究已有诸多专家学者展开过探究：张歆等2针对电解锰渣在复合胶凝材料中的应用展开探究，将磷石膏作为改性外加剂，控制磷石膏掺配比例作为变量展开试验研究，通过性能对比分析确定磷石膏和电解锰渣的合理掺配比例为 25，对应复合胶凝材料14 天抗压强度可达 20 MPa；单春燕等3利用超声技术对磷石膏进行改性，通过熔融共混方案将其掺配至 PP-PGW 复合材料中以提升其总体性能，利用激光粒度分布仪、DSC、XRD 及 FTIR 等微观方法观测复合材料结构特征，发现超声技术对磷石膏颗粒形态分布影响较大而对其化学结构则无明显影响，复合材料冲击强度显著提升；高育欣等4利用磷石膏制备复合胶凝材料，研究水泥及矿粉等掺合料的掺配方案和掺配比例对其性能的影响规律，通过压汞检测和 SEM 电镜观测手段对其增强机理进行分析，以抗压强度为控制指标推荐了 20.00%的矿粉掺配比例和 5.58%的水泥掺配比例。部分研究者考虑将磷石膏应用于二灰路面基层材料的制备，沈卫国等5为增强二灰类路面基层材料的抗冲刷性能、水稳定性能及强度发展规律，在二灰中掺配一定比例的磷石膏进行对比试验分析，发现磷石膏的掺加可显著改善二灰和二灰稳定粒料的综合性能，其中掺配磷石膏二灰稳定粒料的抗冲刷性能显著提升，早期水稳定性和强度发展状态良好，应用效果良好；吴开权等6依托两江路工程等建设项目，针对二灰稳定碎石收缩性能不佳、易引发沥青面层反射裂缝的问题展开探讨，将磷石膏用作材料改性剂，着重分析其施工关键工艺要点，应用成果显示磷石膏的掺配可显著提升二灰类基层的水稳定性和无侧限抗压强度，同时可降低工程造价；吴赤球等7则提出了一种利用磷石膏制备的水稳层用轻骨料，检测了其吸水率、强度及密度指标，均符合规范要求。收稿日期：2022 04 21作者简介：秦阳（1986），男，四川万源人。高级工程师，硕士，主要从事公路与城市道桥设计工作，E-mail：。秦 阳：磷石膏对水泥稳定碎石的路用性能影响试验研究 131 综上所述，目前针对磷石膏在建筑材料领域的应用研究大多停留在复合胶凝材料及二灰稳定粒料的制备及性能检测，也有尝试将其应用于基层水泥稳定轻骨料的探究，但未对混合料体系中的多个控制指标进行系统分析。本文开展将磷石膏掺配于水泥稳定碎石用以对比其路用性能变化规律的试验与分析研究，在分析磷石膏、水泥及碎石等原材料指标基础上成型相关试件，通过无侧限抗压强度等试验检测其性能表现；在 5%水泥掺配比例条件下，掺入 0%14%磷石膏等质量替换部分级配碎石，研究磷石膏掺配比例对无侧限抗压强度的影响规律；对比 3 种碎石级配选择对应的各组试件强度变化规律，以性能表现结合 4.75 mm 关键筛孔通过率确定合理级配选择；在同一磷石膏掺配比例的基础上控制 3%5%的水泥掺配比例，分析试件性能变化并分析掺配磷石膏的经济性表现；最后，分析掺配磷石膏的水泥稳定碎石材料的长期力学性能。研究成果可为磷石膏材料在水泥稳定碎石中的应用提供参考。1 水泥稳定碎石中掺磷石膏的作用机理磷石膏在水泥稳定碎石中与水泥发生水化反应时可同时发生化学反应，生成钙矾石条棒状晶体，分布至级配碎石间的空隙中，同时与未完全发生化学反应的磷石膏共同包裹级配碎石表面，提升混合料体系的整体密实程度，宏观上表现为水泥稳定碎石的强度提升。但随着磷石膏掺配比例的继续提升，混合料体系中的钙矾石条棒状晶体量过多，在将级配碎石间空隙充分填充后其中的硫酸钙晶体析出，由 32 个水分子固化形成的水泥杆菌针状结晶会使水泥稳定碎石混合料发生膨胀，对混合料整体结构体系产生破坏作用，在宏观上表现为强度下降。粒径较小的磷石膏的加入整体上改变了混合料的颗粒组成，从而有利于形成混合料骨架密实型结构，提升对应试件强度。因此，在水泥稳定碎石中合理掺配磷石膏可高效率增强其相关性能，具备较好的可行性与经济性。2 磷石膏对水泥稳定碎石的性能影响 2.1 原材料选用四川省某磷化工厂的磷石膏，其主要成分为 CaSO42H2O，呈灰白色粉末状，见图 1，主要化学成分（金属或非金属氧化物形式分析，其中 CaSO4可表征为 CaO 及 SO3），见表 1。物理指标检测比表面积 428 m2/g，表观密度 2.23 g/cm3。粒度分析 100 m 以下粒径达 88.36%。图1粉末状磷石膏 表1磷石膏化学成分化学成分SiO2Fe2O3Al2O3CaO SO3K2OSrOZrO2TiO2P2O5烧失量占比/%6.63 1.02 1.18 30.4339.780.560.06 0.02 0.11 0.80 19.08 选用 PO32.5 普通硅酸盐水泥，性能检测结果，见表 2。表2水泥性能检测结果凝结时间/（h:min）抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d3:495:113.68.515.635.0 结合施工经验，所用碎石为三档粒级集料掺配获得骨架密实型结构级配碎石 AC-25，包括3.5 mm，3.515、1535 mm，分别按照 154540、204040、105040 比例混合成碎石集料，共掺配了 3 种级配碎石选择，对掺配完成的级配碎石颗粒组成进行筛分，筛分结果，见图 2。级配碎石 B 的级配状况与级配中值最为接近，级配碎石 C 中小于 9.5 mm 粒径的碎石占比较高，其密实程度最大，而级配碎石 A 则相对密实程度较低。0.075 0.15 0.30.6 1.18 2.36 4.759.513.2161926.531.5020406080100ABC方孔筛筛累计通过百分率/%筛孔尺寸/mm图2碎石级配组成 拌合水为常规饮用水。2.2 试验项目及方案严格遵照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ 05797），进行击实试验、无侧限抗压强度试验、回弹试验（顶面法）、劈裂强度试验。包括固定 5%水泥掺量，不同磷石膏掺量下养护 7 天的水泥稳定碎石的击实试验及无侧限抗压路基工程 132 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）强度试验；0%14%的磷石膏掺配比例范围及 5%水泥掺配比例条件下，3 种拟定级配碎石对应各组试件的无侧限抗压强度试验；固定 8%磷石膏掺配比例，控制 3%5%的水泥掺配比例，养护7 天的水泥稳定碎石试件的无侧限抗压强度试验；B 碎石级配、4%水泥掺配比例、8%磷石膏掺配比例养护 7、28、56、90 天的试件力学性能试验。3 试验结果及分析 3.1 磷石膏掺配比例对无侧限抗压强度的影响选取拟定的其中一种 B 型级配碎石（经前期试验对比，另外两种级配选择可得出类似试验结论），采用常规 5%的水泥掺配比例，控制 6%、8%、10%、12%、14%的磷石膏等质量替换部分级配碎石，同时设置未掺配磷石膏的常规水泥稳定碎石对照组，成型圆柱形试件，养护 7 天后，试验研究掺配比例对无侧限抗压强度的影响，试验数据，见表 3，图 3。表3不同磷石膏掺量 B 级配水泥稳定碎石无侧限抗压强度混合料配比/%最佳含水率/%最大干密度/(gcm3)无侧限抗压强度/MPa水泥磷石膏碎石501004.22.322.7856944.92.353.2158925.02.373.45510905.22.363.14512885.42.332.78514866.32.292.51 02468101214162.42.62.83.03.23.43.6无侧限抗压强度/MPa磷石膏掺配比例/%规范规定值图3水泥稳定碎石无侧限抗压强度随磷石膏掺量变化 在同等水泥掺量条件下，磷石膏的掺配比例对无侧限抗压强度有明显影响：随着掺配比例提升，无侧限抗压强度呈先增后减趋势，峰值可达3.45 MPa，对应掺配比例为 8%，可满足规范对无侧限抗压强度要求范围，此外 6%及 10%掺配比例也可满足要求。由于最佳比例 8%磷石膏掺配后能最大程度优化级配碎石孔隙填充状态，增强密实度，提升试件的无侧限抗压强度。而当掺配比例过高，在完全填充级配碎石孔隙后，进一步提升掺量则会因生成过多硫酸钙结晶体，导致膨胀作用撑开碎石间孔隙，破坏骨架密实结构的构成。3.2 掺配比例对颗粒结构和抗压强度的影响除磷石膏掺配比例外，碎石级配亦会对无侧限抗压强度产生影响。相较于级配碎石，磷石膏颗粒的粒径相对较小，不同比例的磷石膏掺配将很大程度上改变混合料中细料总体占比情况，尤其会随掺配比例的提升增大 4.75 mm 筛孔通过率（14.0%掺配比例平均可将 4.75 mm 筛孔通过率提升约2.5%）。当掺配比例 6.0%10.0%时，其最大干密度值最大，从而对混合料的整体结构强度体系产生影响。根据已有施工经验，通过调整 4.75 mm关键筛孔通过率为 30.2%、34.9%、40.1%，拟定 A、B、C 三种合成碎石级配。分别在 0%14%的磷石膏掺配比例范围及 5.0%水泥掺配比例条件下，对比 3 种拟定碎石级配对应各组试件的无侧限抗压强度影响，试验数据，见表 4，图 4。表4不同磷石膏掺量下级配 A、C 磷石膏比例与强度关系级配混合料配合比/%最佳含水率/%最大干密度/(gcm3)7天无侧限抗压强度/MPa水泥 磷石膏 碎石A501003.42.292.6256943.62.343.1758923.92.323.06510904.12.302.93512884.22.282.79514864.72.252.65C501004.82.332.7656945.22.343.1958925.42.363.38510905.72.333.43512886.32.312.76814866.52.282.48 02468101214162.42.62.83.03.23.43.6无侧限抗压强度/MPa磷石膏掺配比例/%A级配B级配C级配图4不同级配水泥稳定碎石抗压强度随磷石膏掺量变化通过调整 4.75 mm 关键筛孔通过率改变的级配碎石混合料，对不同磷石膏掺配比例的无侧限抗压强度有着显著影响。A、B、C 3 类级配碎石对应的无侧限抗压强度均随掺配比例的提升呈现出先秦 阳：磷石膏对水泥稳定碎石的路用性能影响试验研究 133 增后降的趋势，峰值抗压强度对应的掺配比例分别为 6%、8%、10%。B 级配对应的抗压强度峰值为