水泥穩定磷石膏基層材料力學性能研究

李夏 唐浩

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

1 概述

磷石膏是磷肥生產過程中排放的主要固體廢棄物,每生產1噸磷肥約產生5噸左右的磷石膏，磷石膏通常呈灰白色粉末狀，其主要成份為二水硫酸鈣，另含有少量雜質，主要包括未充分反應的磷礦、中間產物磷酸及含氟、磷的有機質等，磷石膏的大量堆積會對環境造成污染。據工業和信息化部統計[1]，2019年我國磷石膏產能高達7500萬噸，綜合利用率約40%。截至2019年底，全球的磷石膏堆積量高達60億噸，我國磷石膏的累計堆積量已高達4億噸，約占全球磷石膏堆積量的8%左右，所以如何提高磷石膏的綜合利用率，降低磷石膏的堆積量是近年來學者的研究熱點。磷石膏在道路基層領域已經有不少學者取得了些許成就，杜婷婷等人[2]研究了水泥磷石膏材料的水穩性能和力學性能，分析了材料的強度形成機理，并對其作為路面基層材料的可行性進行評價；郝強東等[3]發現隨著磷石膏在二灰類基層材料中摻量的摻加，混合料最大干密度會逐漸增加，其強度也會逐漸提高；孟維正[4]將改良后的磷石膏材料應用在路基建設中，發現純磷石膏水穩定性極差，但水泥、石灰的水化凝結過程會改善磷石膏水穩性效果；磷石膏改良體系的無側限抗壓強度與摻加的水泥、石膏質量成正比；張英富[5]等通過室內試驗研究得出優化后的磷石膏粉煤灰石灰結合料可滿足不同等級公路的基層和底基層強度要求，并分析了其強度形成機理。本文的主要研究目的是將磷石膏用作道路基層材料，通過室內試驗確定水泥穩定磷石膏基層材料的最佳含水率和最大干密度，并對水泥穩定磷石膏基層材料進行無側限抗壓強度測試，最終對材料的性能進行分析驗證。

2 原材料與試驗方法

2.1 試驗原材料

磷石膏材料的產地為湖北宜化某磷石膏堆場，其主要成分為二水石膏，整體呈灰白色，其具體成分如表1所示；試驗采用水泥為標準的華新PO42.5 水泥，水泥的初凝、終凝時間如下表2所示；添加劑：湖北宗集環保公司生產的液型固化劑。

表1 磷石膏化學成分

表2 水泥凝結時間

2.2 試驗方法

2.2.1 無機結合料穩定材料擊實試驗

2.2.1.1 試驗目的

繪制水泥穩定磷石膏基層材料的含水率-干密度變化曲線，得出水泥穩定磷石膏基層材料的最佳含水率和最大密度。

2.2.1.2 試驗方法

根據規范JTG E51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[6]中的T0804-1994進行擊實試驗，因為磷石膏物理性質類似于粉土，采用甲類擊實試驗進行擊實試驗，采用小型擊實筒，其為內徑100mm，高為127mm的金屬圓筒，其套環的高為50mm。

表3 無機結合料穩定料擊實試驗類別表

2.2.2 無機結合料穩定材料無側限抗壓強度試驗

2.2.2.1 試驗目的

測定水泥穩定磷石膏材料的無側限抗壓強度，評價其力學性能。

2.2.2.2 試驗方法

根據規范JTG E51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中的T0805-1994進行無側限抗壓強度試驗。因為磷石膏的顆粒大小屬于細粒土，所以采用小型試模，試模的尺寸的為半徑為100mm，高度為100mm。對于試件采用98%的壓實度靜壓成型高徑比為1：1的圓柱形試件；并在規程的要求下進行標準養護，對于每一種配合比的試件需要制作9個進行無側限抗壓強度測試。

3 試驗結果分析

3.1 室內振動擊實試驗

3.1.1 含水率測試方法

對于磷石膏室內振動擊實試驗中水泥穩定磷石膏基層材料的配合比選擇為：磷石膏：水泥（PO42.5 ）：固化劑=92：8：0.04 。對磷石膏材料天然含水率的測試后，測出磷石膏的天然含水率為10%。

3.1.2 含水率的范圍預設

預設的5個不同含水率（8%、10%、12%、14%、16%）試樣進行擊實試驗，得出含水率和干密度的變化曲線，得出最大干密度和最優含水率。水泥穩定磷石膏基層材料干密度和含水率變化曲線如圖1所示。

圖1 含水率和最大干密度變化曲線

通過室內振動擊實試驗完成通過繪出的含水率和干密度曲線的拐點找出最佳含水率和最大干密度，通過計算得出:水泥穩定磷石膏基層材料的最佳含水率為11.8%，其對應的最大干密度為1.602 g/cm3。

3.2 無側限抗壓強度

3.2.1 不同配合比的水泥穩定磷石膏材料強度

無側限抗壓試驗在最佳含水率條件下，采用不同摻量的液體固化劑改良水泥磷石膏穩定材料，試件以98%的壓實度靜壓成型直徑×高=100mm×100mm的每組水泥磷石膏試件。制備完成的試件在標準養護室內養護，養護最后一天將試樣泡水24h后，進行無側限抗壓強度試驗，每組9個試件，且變異系數不大于10%。不同配合比的材料強度如表4所示。

表4 不同配合比的水泥基穩定磷石膏基層材料7天無側限抗壓強度

根據不同配合比的水泥穩定磷石膏基層材料可知：（1）當添加劑的劑量一定時，水泥基穩定磷石膏基層材料，隨著水泥劑量的增加，其相應的7天無側限抗壓強度的亦會逐漸緩慢增加。（2）當水泥和磷石膏摻量一定時，水泥基穩定磷石膏基層材料，隨著添加劑的增加，其相應的7天無側限抗壓強度也會緩慢的增加。根據《公路瀝青路面設計規范》[8]（JTG D50-2017）中對無機結合料穩定類材料7d無側限抗壓強度代表值的要求可知本材料可用于中等、輕交通高速公路、一級公路的基層及底基層，或重交通高速公路、一級公路的底基層。

3.2.2 水泥基磷石膏基層穩定材料強度增長規律

綜合考慮材料性能及磷石膏的利用效率，擬將92%磷石膏+8%水泥+0.4%固化劑的材料配比作為室內最佳配合比。對最佳配合比條件下水穩磷石膏的強度增長規律進行試驗研究，采用標準養護條件，測得其不同齡期的無側限抗壓強度如表5所示。

表5 不同齡期的水泥穩定磷石膏基層材料抗壓強度

根據表5可知，水泥基穩定磷石膏材料的抗壓強度再經過180d的標準養護之后，其無側限抗壓強度代表值可以高達6.1 Mpa。

根據無側限抗壓強度試驗可知，水泥基磷石膏穩定材料具有良好的的力學特性，是一種優異的道路基層材料。

4 結論與展望

通過室內擊實試驗和力學性能測試，可知水泥基磷石膏穩定類材料的最佳含水率為11.8 %，其對應的最大干密度為1.602 g/cm3；并且根據室內無側限抗壓強度測試得出水泥基磷石膏基層材料的強度增長規律，其標準養護180d的無側限抗壓強度為6.1 Mpa，其力學性能優異，可以作為道路基層材料，并且根據無機結合料穩定類材料7d無側限抗壓強度代表值的要求可知本材料可用于中等、輕交通高速公路、一級公路的基層及底基層，或重交通高速公路、一級公路的底基層，將磷石膏材料運用于道路基層建設，可以消耗磷石膏材料的堆積量，減少環境污染，并且為道路建設提供一種新的原材料，降低道路的造價。