磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料性能研究

陳潔 董江峰 薛佼 王小書 黃逸涵 黃緒泉

（1.湖北益通建設(shè)股份有限公司，湖北宜昌 443000；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002）

磷石膏是工業(yè)生產(chǎn)磷酸所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，一般每生產(chǎn)1t的磷酸就會(huì)產(chǎn)生4.5～5.5t的磷石膏。中國每年生產(chǎn)上千萬噸的磷石膏，由于沒有相應(yīng)的政策，大量的磷石膏任意堆積，不僅占用了土地資源，而且磷石膏中含有的少量磷、氟等有害雜質(zhì)會(huì)造成環(huán)境的破壞。已有研究在道路基層中使用磷石膏改性二灰材料，取得了一定效果，相對(duì)于傳統(tǒng)基層材料，使用工業(yè)廢棄物用作基層材料的路面強(qiáng)度更高，且對(duì)環(huán)境影響小。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了磷石膏摻量、礦渣摻量、水泥摻量、外加劑及級(jí)配碎石對(duì)磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料強(qiáng)度和浸出毒性的影響，并在現(xiàn)場開展試驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

磷石膏：取自宜昌某堆場，外觀為深灰色，pH≥3.0，氟離子濃度為53.32mg/L，總磷濃度為2.703mg/L，礦相成分主要是二水石膏；礦渣的比表面積≥700m2/kg；水泥的比表面積≥330m2/kg；外加劑：脫毒藥劑；集配碎石：石屑、5～10mm 碎石、10～25mm 碎石。

原材料的主要化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料室內(nèi)配比試驗(yàn)

采用φ150mm×150mm圓柱形試模，在壓力機(jī)上壓制成型，脫模后移入Rh=95%、溫度20±1℃下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照交通運(yùn)輸部規(guī)范（T0805—1994）中的方法。

1.2.3 浸出毒性試驗(yàn)

浸出液的制備根據(jù)《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》（HJ 557—2010）。先將樣品破碎然后稱取過3mm篩，測量樣品含水率后取試樣置于浸取容器中，根據(jù)樣品的含水率，以固液質(zhì)量比1：10（kg/L）計(jì)算得到所需浸取劑的體積并加入到浸取容器中，在室溫下振蕩8h后靜置16h，取上清液按照《水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法》（GB 11893—89）和《土壤水溶性氟化物和總氟化物的測定離子電極法》（HJ 873—2017）進(jìn)行總磷、氟濃度的檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石室內(nèi)配比試驗(yàn)

由表2和圖1可以看出，磷石膏摻量在5%～7%時(shí)對(duì)應(yīng)試件的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于4.0MPa，強(qiáng)度要求滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）中的二級(jí)及二級(jí)以下重交通公路的底基層強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。隨著磷石膏摻量的增加，強(qiáng)度先降低，在磷石膏摻量為7%時(shí)強(qiáng)度增加，磷石膏-礦渣-水泥膠凝體系水化反應(yīng)生成鈣礬石以及水化硅酸鈣凝膠，鈣礬石形成骨架結(jié)構(gòu)，水化硅酸鈣凝膠填充在鈣礬石孔隙中形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)有利于強(qiáng)度的增加。

表2 磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料SCS配比

圖1 SCS7d強(qiáng)度變化

圖2 SCS浸出液氟濃度變化

圖3 SCS浸出液總磷濃度變化

由圖2可以看出隨著磷石膏摻量的增加，SCS浸出液的氟離子濃度增加，磷石膏摻量為7%時(shí)對(duì)應(yīng)的最大氟含量為1.967mg/L，但是符合滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中氟化物一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，石屑摻量由29%增加到36%，對(duì)應(yīng)的氟濃度減少，溶液中的Ca2+和游離的F-反應(yīng)生成CaF2沉淀，起到固氟作用。由圖3可以看出隨著磷石膏摻量的增加總磷濃度降低后增加，磷石膏摻量為7%時(shí)對(duì)應(yīng)的總磷濃度為0.011mg/L，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中總磷二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 現(xiàn)場施工驗(yàn)證

工程試驗(yàn)段為某市政道路，使用磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料作為底基層材料的路段在攤鋪50m左右時(shí)先用單鋼輪壓路機(jī)從邊部向中間碾壓一遍，在攤鋪機(jī)接縫處跨縫碾壓，復(fù)壓緊跟初壓使用單鋼輪壓路機(jī)碾壓兩遍，并檢測壓實(shí)度，終壓采用膠輪壓路機(jī)碾壓兩遍直至消除輪跡。其中5%磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料3d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.2MPa，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5.3MPa，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為7.3MPa，壓實(shí)度96，7d彎沉值102。6%磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料3d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.5MPa，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5.8MPa，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為8.9MPa，壓實(shí)度99，7d彎沉值21.3，7%磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料3d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.0MPa，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.6MPa，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為10.7MPa，壓實(shí)度98，7d彎沉值102.8，上述幾種不同配比的磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料的浸出液的氟濃度均小于10mg/L，總磷濃度均小于3mg/L。在現(xiàn)場施工期間檢測的壓實(shí)度均大于設(shè)計(jì)值，經(jīng)過7d養(yǎng)生后檢測的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎沉值等均滿足設(shè)計(jì)要求，毒性符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中總磷二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)和《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中氟化物一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料通過各種配合比的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和浸出液的毒性情況綜合來看，在礦渣-水泥-外加劑-級(jí)配碎石混合料中摻入磷石膏的量在7%左右為宜，含水率為5%，最優(yōu)配合比為SCS6方案（磷石膏：礦渣：水泥：外加劑：10～25mm碎石：5～10mm 碎石：石屑=7：2：2：1：42：17：29）。

（2）從現(xiàn)場施工試驗(yàn)情況來看，磷石膏基水泥穩(wěn)定碎石材料用作基層材料性能好。