工业固废磷石膏在公路路面大修工程的应用研究_张厚记.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 湖北省交通科技项目（）；中南工程咨询设计集团科技基金项目（）作者简介 张厚记（），男，湖北仙桃人，教授级高级工程师，博士，主要从事路面工程设计与材料研究相关工作。引文格式 张厚记，宗 炜，区 桦 工业固废磷石膏在公路路面大修工程的应用研究 公路工程，（）：，（）：，工业固废磷石膏在公路路面大修工程的应用研究张厚记，宗 炜，区 桦（中南安全环境技术研究院股份有限公司，湖北 武汉）摘 要 为促进工业固废磷石膏资源的可持续循环利用，介绍了一种大掺量磷石膏复合稳定碎石基层技术。研究表明，多元固化剂的添加有效激发了磷石膏复合稳定材料的胶凝活性，各项路用性能满足公路使用要求，并采用 电子显微镜分析了强度形成机理；磷石膏中氟、磷、砷、重金属等主要污染物被有效反应或者固化，具有良好的环境安全性。该技术已在湖北省宜都市 省道雅澧线路面大修工程中成功应用，为后续长期路用性能观测和环境影响评价研究奠定了基础。关键词 道路工程；磷石膏；公路基层；路用性能；环保安全性中图分类号.文献标志码 文章编号 （），（.，.，），.，.，.，；引言磷石膏是湿法制造磷酸的副产物，工业生产中常使用二水法生产磷酸，每生产 磷酸会产生.的磷石膏，世界范围内磷石膏主要产地在中国、美国、摩洛哥，超过 的磷石膏采用谷底堆放进行处理。截至 年中国磷石膏总堆存近 亿，年排放量约 万。根据第四批中央生态环境保护督察通报，年底湖北省新产生磷石膏 万，历年累计堆存量接近.亿。湖北省现有磷石膏库共 座，总占地.，其中，座距长江和汉江干流不足 第 期张厚记，等：工业固废磷石膏在公路路面大修工程的应用研究 ，最近距离长江仅 。磷石膏的堆存不仅占用大量土地资源，磷石膏中残留的强酸、磷、氟、有机物等杂质可能随着雨水进入河流，污染土地和水源。由于公路建设点多、线长、面广的特点需要消耗大量原材料，如果能够将磷石膏作为道路材料使用，既能带来较好的经济效益，又能推动公路基础设施建设的可持续发展。本文将磷石膏替代部分公路基层材料，研发了一种水泥 矿渣 磷石膏复合稳定材料，通过添加多元固化剂，有效激发磷石膏胶凝活性，并利用磷石膏微膨胀的特点，改善普通半刚性基层易收缩开裂的问题。磷石膏复合稳定公路基层材料性能.原材料和材料组成设计.原材料.磷石膏。陈化堆存的磷石膏一般为灰白色，粉末状固体，粒径在 之间，磷石膏附着水含量很高，一般在 之间，堆放过程中容易结块。试验用磷石膏粉末，取自湖北省宜昌市，采用 射线荧光光谱分析（）对其化学组成进行分析，结果如下：为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.。根据 公路土工试验规程（）对其表观密度、液塑限等进行测定，结果如下：表观密度为.，为.，液限为.，塑限为.，塑性指数为.，值为.。由上文可以看出，磷石膏的主要化学成分是，为.，酸性较强，具有一定腐蚀性。还存在磷（）、氟（）、重金属元素等杂质。由于可溶性氟的存在，污染富集到水体后可能导致氟骨病等疾病，可溶性磷在水体中的聚集会造成水体富营养化；因此，可能污染物的释放和扩散是磷石膏在公路建设中应用时需重点关注的。同样由上文可以看出，从 值的角度，磷石膏满足 公路路基设计规范（）中关于二级和以下公路路基填料要求，但其液限和塑性指数偏高，对水敏感，且未压实的磷石膏遇雨水饱和后性质类似弹簧土等特点导致其不适合直接用作路基填料。磷石膏中的有害杂质对环境污染较大，未经反应、固化的磷石膏直接应用于道路材料，将产生较大的环境安全风险。.水泥。水泥采用葛洲坝.水泥，其技术指标见表。表 水泥主要技术指标 凝结时间 抗压强度 抗折强度 初凝终凝 .矿渣粉。矿渣粉外购，其相关化学成分如下：为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.。.试验用配比磷石膏复合稳定公路基层材料组成设计，参考公路基层施工技术细则（）中 型级配；同时，客观上由于磷石膏为较细的粉末，.筛孔通过率一般大于 ，因此级配曲线.以下通过率通常难以满足现行规范。本文试验用配比中级配碎石：磷石膏 ，混合料级配见表，水泥 矿渣复合胶凝材料外掺比例 ，试验用液体多元固化剂 为试验室自制，主要成分为活化碱性聚合物和高分子有机化合物，掺量.。表 磷石膏复合稳定碎石级配 筛孔 合成级配 筛孔 合成级配.磷石膏复合稳定公路基层材料综合路用性能采用击实法成型并测试磷石膏复合稳定材料的最大 干 密 度 和 最 佳 含 水 率，采 用 静 压 法 制 备 圆柱体和 中梁试件，在标准温度、湿度下养生后测试，无侧限抗压、劈裂、弯拉强度等综合路用性能指标（见表），并与传统水稳进行对比。公路工程 卷表 磷石膏复合稳定材料综合路用性能 试验指标最大干密度（）最佳含水率 无侧限抗压强度 无侧限抗压强度 冻融残留强度比 劈裂强度 弯拉强度干缩系数温缩（）（）静态抗压回弹模量 磷石膏复合稳定材料 水泥稳定碎石 试验标准 试验表明，同样胶凝材料掺量条件下，磷石膏复合稳定材料早期强度明显高于普通水泥稳定碎石，部分综合路用性能优于普通水稳，满足各等级公路基层使用要求；同时由于磷石膏具有微膨胀性能够抵消水泥水化反应过程中产生的部分收缩，使磷石膏复合稳定材料干缩、温缩系数低于普通水稳，有利于减少基层后期使用过程中的收缩开裂，延长路面使用寿命。.磷石膏复合稳定基层材料强度形成机理采用扫描电镜（）对原样磷石膏、磷石膏复合稳定基层材料微观形貌进行分析。在 倍电子显微镜下，原样磷石膏主要呈长板状、表面粗糙，颗粒间互相交叠空隙较多，其板片状结构使得磷石膏宏观上具有不易压实的特点。微观上，具有在外力作用下容易诱发剪切滑移的特性。同时，由于磷石膏主要化学成分为，微溶于水，磷石膏在饱水状态下表面发生溶解，晶体间结合力降低，同时，由于其表面粗糙含有部分孔隙结构，比表面积大，更有利于对水分子的吸附。由于磷石膏复合稳定基层混合料中胶凝材料为水泥 矿渣粉，水化过程中会产生大量的 凝胶和 （）见式（），（）与部分溶解的磷石膏，持续提高微观环境体系内的 、浓度与部分碱度；同时，多元固化剂 中的活化碱性聚合物会使体系中 达到 ，并维持高碱度环境，加速了矿渣粉中 、的解聚，反应形成 凝胶和钙矾石 反应过程见式（）。（）（）（）（）（）（）（）磷石膏和不同龄期磷石膏复合稳定材料微观结构如图 所示。从图 可以看出，龄期的磷石膏复合稳定基层混合料已经反应生成大量针棒状钙矾石 和箔片状 凝胶、磷石膏颗粒形态依然可见，（）磷石膏（倍）（）龄期混合料（倍）（）龄期混合料（倍）图 磷石膏和不同龄期磷石膏复合稳定材料微观结构 龄期混合料中棒状钙矾石晶体更加粗壮，相互搭接形成空间网络结构，中间有部分箔片状和纤维状 填充密实，而且已经无法明显观察到裸露的磷石膏颗粒，混合料强度和路用性能进一步提升。由于 生成过程中会产生弱体积膨胀效应，微观上能够抵消水泥熟料水化产生的部分收缩应力，降低了磷石膏复合稳定材料收缩开裂的风险。同时，由于多元固化剂 中的高分子有机第 期张厚记，等：工业固废磷石膏在公路路面大修工程的应用研究 聚合物具有电负性，能吸附包裹磷石膏颗粒，阻断外界水分与磷石膏接触的通道和路径，大幅提高体系水稳定性，保证了材料的长期路用性能。磷石膏复合稳定基层在 雅澧线大修工程中的应用.试验段概况试验段位于湖北省宜都市 省道雅澧线茶园寺至界点沟河段路面大修工程，该路段为双向两车道二级公路，标准路基宽度 ，路面宽度。原 基 层 设 计 厚 度 ，沥 青 路 面 厚 度.，试验段长度 。试验段周边分布数家大型矿场 采石场和建材厂，重载交通量大。路面大修工程设计中路面基层结构为 ，设计横坡为 。结合现场交通保畅要求，采用三层连铺方式铺筑磷石膏复合稳定基层，基层中纯磷石膏掺量为 。.试验段实施情况.磷石膏复合稳定材料拌和为顺利完成试验段摊铺，保证施工质量，在原水稳基层拌和站基础上进行改造升级，新增磷石膏粉末、外加剂添加系统。试验段 料 料 料 料 磷石膏质量比为 ；胶凝材料掺量 ，多元固化剂掺量.；最佳含水率.。.基层摊铺、碾压、养生采用三层连铺的方式：下承层经过摊铺、碾压后，立即进行上一层的摊铺和碾压，从出料至三层碾压完成，控制时间在 之内。流程为 次往复碾压：初压 次 强振 次 弱振 次 静压 次。压实完成后覆盖土工布，每日洒水养生 。摊铺和碾压见图。图 雅澧线磷石膏复合稳定基层试验段 .磷石膏复合稳定基层材料留样试验和试验段现场检测在磷石膏复合稳定基层材料拌和完成后，从运料车上随机留样并成型 圆柱体试件，在标准温度、湿度环境下养生 的后测试无侧限抗压强度。施工过程中进行现场压实度检测，养生 后钻芯取样。试验段检测结果如下：留样抗压强度代表值.，现场干密度.，现场压实度.。现场芯样如图 所示。图 现场芯样 试验表明，留样试件 强度满足设计要求，现场压实度满足基层规范要求（二级路基层压实度）。钻芯表明，芯样完整、密实，粗集料互相嵌挤形成骨架结构，细集料和填料紧密填充其中。磷石膏复合稳定基层污染物浸出试验研究 参照 固体废物浸出毒性浸出方法（）试验方法，将现场芯样和原样磷石膏在去离子水中浸泡 ，采用离子色谱仪、原子荧光光度计等检测浸出液中的主要有害物质（总磷、氟离子、砷、重金属等）的浓度，污染物浸出试验见图，浸出液有害物质检测见表。测试表明，磷石膏复合稳定材料浸出液中氟离子含量仅为纯磷石膏浸出液中的.，总磷含量为原样磷石膏的.；并未检测出砷、铬、铅、镉等其他主要有害物质，满足相关环保要求。（下转第 页）第 期李亚龙：超薄罩面 级配设计与性能研 成范围研究.公路，（）：蔡俊华.玻璃纤维超薄罩面沥青混合料路用性能.长安大学学报（自然科学版），（）：王军.改性沥青混合料配合比设计及路用性能研究.广东交通职业技术学院学报，；（）：交通部公路科学研究院.微表处和稀浆封层技术指南.北京：人民交通出版社，朱振祥，田隽，王冻，等.高粘弹改性沥青 超薄磨耗层路用性能研究.山东交通科技，（）：，公路沥青路面施工技术规范 徐晓龙.沥青路面抗滑性能对交通安全的影响研究.北京：北京建筑大学，公路沥青路面养护技术规范（上接第 页）图 污染物浸出试验 表 芯样和原样磷石膏浸出液有害物质检测 材料检测指标（）氟离子总磷总砷总铬总铅总镉基层芯样.未检出未检出未检出未检出.原样磷石膏.结论.多元固化剂 的加入能够激发水泥 矿渣 磷石膏复合胶凝体系的反应活性，中高分子有机聚合物对磷石膏的吸附包裹，阻断外界水分与磷石膏接触的通道和路径，有效提高混合料力学性能和稳定性。.研究表明，磷石膏复合稳定基层材料综合路用性能满足规范和实际使用要求；试验段现场测试表明基层压实度符合规范要求，钻芯芯样完整密实。.磷石膏复合稳定材料能够有效反应、包裹、固化磷石膏中氟、磷、砷等主要污染物，芯样浸出液中主要有害杂质含量满足相关环境标准，具有环境安全性和可推广性。.试验段的成功实施，为后续长期路用性能观测和环境影响评价研究奠定了基础，该技术的规模化推广具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。参考文献 茹晓红 磷石膏基胶凝材料的制备理论及应用技术研究武汉：武汉理工大学，（）：张占彦 磷石膏制备相变储能基体材料工艺研究 郑州：郑州大学，谢荣吴永贵，王晓睿，等 磷石膏浸出液对斑马鱼的急性毒性及氧化应激损伤 环境科学学报，（）：赵红涛，李会泉，包炜军，等 磷石膏中微量含氟物相的光谱分析 光谱学与光谱分析，（）：尹朝阳，雍毅，吴怡，等 磷石膏污染特性及稳定化研究 四川环境，（）：纪小平，代聪，崔志飞，等 固化剂稳定磷石膏路基填料的工程特性研究 中国公路学报，（）：张厚记，宗炜，郑武西，等 工业固废磷石膏复合稳定基层材料研究 武汉理工大学学报，（）：林宗寿，黄赟，水中和，等 过硫磷石膏矿渣水泥与混凝土 武汉理工大学出版社，