磷石膏在道路工程應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

譚明洋，相利學(xué)，李國龍

(1 金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，復(fù)合肥料國家地方聯(lián)合工程研究中心，山東　臨沂　276700；2 金正大諾泰爾化學(xué)有限公司，貴州　甕安　550400)

?

磷石膏在道路工程應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

譚明洋1,2，相利學(xué)1,2，李國龍1,2

(1 金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，復(fù)合肥料國家地方聯(lián)合工程研究中心，山東臨沂276700；2 金正大諾泰爾化學(xué)有限公司，貴州甕安550400)

磷石膏的堆存問題由來已久，至今仍未得到有效利用，將磷石膏用于道路工程建設(shè)中不僅可以消耗大量磷石膏，而且能夠降低道路建設(shè)成本，同時(shí)緩解了環(huán)境壓力。磷石膏在道路工程中應(yīng)用的研究主要包括在路面基層材料中的應(yīng)用和道路瀝青中的應(yīng)用兩個(gè)方面。概述了磷石膏在道路工程中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為磷石膏在路面基層材料和瀝青中應(yīng)用的理論研究尚不足，此外，應(yīng)充分考慮磷石膏的添加對(duì)路面基層材料和道路瀝青各方面的影響，不能顧此失彼。

磷石膏；道路工程；研究現(xiàn)狀

近年來，交通運(yùn)輸業(yè)高速發(fā)展，不僅運(yùn)輸量大幅度增長，而且汽車載重也在不斷增加，這對(duì)道路建設(shè)提出了更高的要求，相應(yīng)的公路造價(jià)也大幅度提高，如何降低成本而又不損害道路質(zhì)量成為研究熱點(diǎn)之一。

磷石膏是磷化工企業(yè)濕法磷酸生產(chǎn)過程中用硫酸分解磷礦時(shí)產(chǎn)生的固體廢渣。由于磷石膏有害雜質(zhì)多、凈化成本高，其有效利用成為了行業(yè)難題，大量磷石膏的堆存已產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問題。若將磷石膏用于道路建設(shè)中，不僅可以大量消耗磷石膏，而且能夠大幅度的降低道路的建造成本，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，對(duì)磷石膏在道路工程中應(yīng)用的研究主要包括在路面基層材料中的應(yīng)用和瀝青中的應(yīng)用兩個(gè)方面。

1　磷石膏在路面基層材料中的應(yīng)用

基層是位于路面面層下、路基土層上，間接承受路面荷載并傳遞應(yīng)力的功能層。水泥穩(wěn)定粒料和二灰粒料(石灰和粉煤灰)是兩種典型的也是常用的半剛性基層材料，磷石膏在路面基層材料中的應(yīng)用主要是指在二灰粒料中的應(yīng)用，因?yàn)榱资鄬?duì)水泥有較強(qiáng)的緩凝作用，會(huì)影響鋪設(shè)道路的早期強(qiáng)度，因此不適用于水泥穩(wěn)定粒料中[1]。

郝強(qiáng)東等[2]研究發(fā)現(xiàn)隨著磷石膏在二灰類基層材料中摻量的摻加，混合料最大干密度增加，強(qiáng)度提高，最佳摻量在50%左右。同時(shí)認(rèn)為，磷石膏之所以能夠提高二灰類路基材料強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度的原因在于磷石膏的主要成分是硫酸鈣，可激活粉煤灰的活性，加速石灰、粉煤灰的火山灰反應(yīng)，并產(chǎn)生針狀鈣礬石(AFt)，進(jìn)一步起到了增強(qiáng)作用。

瓦浩等[3]采用粉煤灰、磷石膏、磷渣等工業(yè)廢渣，通過合理的配合比設(shè)計(jì)，配制出性能滿足要求的路面基層材料，并可替代水泥穩(wěn)定土、二灰穩(wěn)定土鋪筑路面。認(rèn)為，磷石膏不僅加速了二灰的火山灰反應(yīng)，而且改善了孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于生成鈣礬石，其干縮率降低。

此外，根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，除了考慮磷石膏摻入基層材料后對(duì)其強(qiáng)度的影響，還應(yīng)該進(jìn)行水穩(wěn)性能試驗(yàn)和抗沖刷試驗(yàn)等。磷石膏在二灰中的添加量能到50%，將大量磷石膏應(yīng)用于道路填料必須考慮其耐久性的問題，因?yàn)榱资嗉捌渲破返乃€(wěn)定性差，具有較強(qiáng)的吸水性，遇水而變軟，強(qiáng)度大幅度降低，因此未經(jīng)處理不能用于路基材料。試驗(yàn)證明，配合一定的固化劑可以使磷石膏更好的滿足甚至超過公路路基設(shè)計(jì)對(duì)路基填料的要求[4]。

2　磷石膏在瀝青中的應(yīng)用

目前，對(duì)磷石膏在瀝青中應(yīng)用的研究較少，若將磷石膏經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚蚪?jīng)過轉(zhuǎn)晶工藝制備成石膏晶須，即可在瀝青中得到較好的應(yīng)用。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看石膏(石膏晶須)在瀝青中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面，一是用作瀝青混合料的填料，二是用于瀝青的改性，均以石膏晶須的應(yīng)用為主。

2.1用作瀝青混合填料

用于瀝青混合料充填料的石膏分為兩種，一是石膏晶須，二是工業(yè)石膏。作為填料主要影響的是瀝青混合料的馬歇爾性能、高溫抗車轍能力等。

石膏晶須是造紙、橡膠等行業(yè)常用的填料之一，主要起到密實(shí)和增強(qiáng)的作用。檢測(cè)的結(jié)果表明，以硫酸鈣晶須替代石棉及木質(zhì)纖維制備的瀝青瑪蹄脂碎石混合料，其抗高溫車轍能力提高50%～60%[5]。

工業(yè)石膏，即化學(xué)石膏，年產(chǎn)量大，而且污染環(huán)境。Kütüksert T 等[6]將硼石膏用于熱混瀝青混凝土，發(fā)現(xiàn)其馬歇爾性能穩(wěn)定，而且作為瀝青填料可以提高路基下面層對(duì)重交通工具的承重能力。

Koga C等[7]研究了廢棄石膏板煅后的再生石膏用作瀝青混合料充填料對(duì)瀝青混合料機(jī)械性能的影響，并對(duì)其可行性進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)將該再生石膏100%的取代填料具有一定的可行性，而且無重金屬溶出。

以上研究可以看出，石膏作為填料主要利用應(yīng)用的是其物理性能，摻量一般在20%左右，將磷石膏用于瀝青混合料充填料是大量利用固廢的途徑之一。但是，硫酸鈣晶須雖然提高了瀝青混合料的強(qiáng)度，但提升幅度較小，與預(yù)期目標(biāo)相差較遠(yuǎn)。這是因?yàn)榱蛩徕}晶須存在易脆、高溫脫水的特點(diǎn)，再結(jié)合對(duì)硫酸鈣晶須在瀝青混合料中的應(yīng)用工藝以及瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)等方面的原因，導(dǎo)致其補(bǔ)強(qiáng)能力不足[8]。

2.2用作瀝青改性劑

瀝青改性劑主要包括：填料及填充料、聚合物、有機(jī)烴類、抗剝落劑、抗氧化劑、纖維等，其中聚合物是目前應(yīng)用和研究得最為廣泛的改性劑。用于瀝青改性的石膏主要是石膏晶須(CSW)，硫酸鈣晶須是微纖維狀單晶體，具有顆粒狀填料的粒度和短纖維填料的長徑比。

軟化點(diǎn)、針入度、延度是衡量瀝青基本性能的常用技術(shù)指標(biāo)。軟化點(diǎn)直接反映瀝青的高溫性能，一般認(rèn)為軟化點(diǎn)高，其高溫穩(wěn)定性好；針入度是反映瀝青稠度的重要指標(biāo)，針入度越小，瀝青的稠度越大；延度用于表征瀝青的柔韌性，延度越大，瀝青的柔韌性越好。當(dāng)然，評(píng)價(jià)瀝青改性效果的指標(biāo)，除這三個(gè)常規(guī)指標(biāo)外，還有：動(dòng)態(tài)剪切、彎曲梁、疲勞老化、抗水剝落等指標(biāo)。

田澤峰等[9-10]研究了CSW改性瀝青的基本性能，發(fā)現(xiàn)CSW明顯提高了瀝青的稠度和軟化點(diǎn)溫度，對(duì)其延度也有一定的影響。硫酸鈣晶須可以明顯的改善瀝青的高、低溫性能和感溫性能，作用效果與其摻量密切相關(guān)，硫酸鈣晶須的適宜添加量為5%～9%。

冷中成等[11]通過試驗(yàn)研究，結(jié)合公路瀝青道路施工的要求，發(fā)現(xiàn)添加20%SEAM和15%的石膏晶須改性的瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和15℃延度均滿足國家規(guī)范要求，能大大改善瀝青的溫變性能、提高抗壓抗裂及水穩(wěn)定性能，同時(shí)可大大降低生產(chǎn)成本。

王修山[12]發(fā)現(xiàn)加入硫酸鈣晶須改性的高模量瀝青混合料，可以在保證混合料低溫性能不受影響的情況下顯著提高其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性和抗疲勞性等，從而可以解決道路上常見的的車轍，水損等病害，保證道路具有良好的路用性能。

此外，為了提高硫酸鈣晶須的應(yīng)用性能，可以對(duì)其進(jìn)行改性處理，馬繼紅等[13]將經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550處理過的改性硫酸鈣晶須，加入量為瀝青重量的3%。發(fā)現(xiàn)改性硫酸鈣晶須與瀝青相容性好，不僅可以改善瀝青的性能(軟化點(diǎn)提高，針入度下降)，同時(shí)由于硫酸鈣晶須性能穩(wěn)定、無毒無害，所以使用特別安全。

以上研究可以看出，石膏晶須作為無機(jī)材料用作改性瀝青的添加劑對(duì)瀝青的性能具有一定的促進(jìn)作用，相比目前使用較多的SBS、PE等熱塑性材料不僅在價(jià)格上具有較大的優(yōu)勢(shì)，而且制備簡單、來源廣。但從目前研究來看，CSW的添加量不高，一般小于10%[14]。

3　結(jié)　論

(1)磷石膏作為一種潛在的二次資源，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚湓诘缆饭こ讨芯哂袕V闊的應(yīng)用前景，同時(shí)緩解了其堆存對(duì)環(huán)境造成的壓力。

(2)應(yīng)深入磷石膏在路面基層材料和瀝青中應(yīng)用的作用機(jī)理的研究，為磷石膏在道路工程中的推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

(3)道路質(zhì)量和安全至關(guān)重要，將磷石膏用于道路工程必須充分考慮其對(duì)基層材料或?yàn)r青各方面的影響，不能因提高了單方面的性能而導(dǎo)致整體性能下降。

[1]董滿生,凌天清,羅蓉. 磷石膏在公路工程中的應(yīng)用[A].第四屆國際道路和機(jī)場(chǎng)路面技術(shù)大會(huì)[C].2002.

[2]郝東強(qiáng). 瀝青路面半剛性基層結(jié)構(gòu)研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué),2004.

[3]瓦浩. 磷渣(磷石膏)路面基層材料的應(yīng)用研究[D]. 重慶:重慶交通大學(xué),2008.

[4]李章鋒. 磷石膏改良土用作路基及基層填料的試驗(yàn)研究[D]. 成都:西南交通大學(xué),2007.

[5]師存杰,張興儒,郭祖鵬,等. 硫酸鈣晶須的制備及其應(yīng)用進(jìn)展[J]. 當(dāng)代化工,2010, 39(4):436-438.

[6]Kütüksert T, Kütük S. Physical and Marshall Properties of Borogypsum Used as Filler Aggregate in Asphalt Concrete[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2013, 25(2):266-273.

[7]Koga C, Sato K, Fujikawa T, et al. Appcability to Asphalt Mixture Filler Materials of the Reproduction Gypsum[J].Journal of Pavement Engineering Jsce, 2013, 69(3):95-100.

[8]李軍代. 硫酸鈣晶須在瀝青路面應(yīng)用的系統(tǒng)性研究[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2013(06):72-77.

[9]田澤峰,韓躍新,印萬忠. CaSO4晶須改善瀝青的基本性能[J]. 有色礦業(yè),2004,20(S1): 58-60.

[10]田澤峰,陳曉龍,韓躍新,等. CaSO4晶須改性瀝青及其混合料的路用性能研究[A].第三屆全國選礦專業(yè)學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2006.

[11]冷中成,楊陽,王強(qiáng),等. SEAM和石膏晶須改性瀝青的應(yīng)用研究[J]. 中國科技論文, 2013, 8(9):920-923.

[12]王修山. 硫酸鈣晶須高模量瀝青混凝土的路用性能[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011(06):1331-1334.

[13]馬繼紅,馮傳清. 硫酸鈣晶須在道路改性瀝青中的應(yīng)用研究(Ⅰ)[J]. 石油瀝青, 2005, 19(6):21-24.

[14]孫德亮. 石膏晶須改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)[J]. 交通世界:建養(yǎng)機(jī)械, 2013(9):104-106.

Research Status on Application of Phosphogypsum in Road Engineering

TANMing-yang1,2,XIANGLi-xue1,2,LIGuo-long1,2

(1 Shandong Kingenta Ecological Engineering Co., Ltd., National Engineering Research Center for Compound Fertilizer, Shandong Linyi 276700;2 Kingenta Norsterra Chemical Co., Ltd., Guizhou Weng’an 550400, China)

Phosphogypsum stacking problem has existed for a long time, and it has not yet been used up effectively. Phosphogypsum for road construction can consume a large amount of phosphogypsum, and reduce the cost of road construction, at the same time, ease the environmental pressure. The application of phosphogypsum in road base materials and road asphalt are the main aspects in road engineering. The research status of the application of phosphogypsum in road base material and road asphalt was summarized, it proposed that theoretical research was still insufficient, in addition, all the effects on performances should be considered when phosphogypsum was used in road construction.

phosphogypsum; road base materials; road asphalt; research status

譚明洋(1989-)，男，研發(fā)工程師，主要從事磷石膏資源化工利用研究。

TQ11

A

1001-9677(2016)08-0037-02