改性磷石膏在道路基層中的應用

潘屹立

中國化學工程第十六建設有限公司 湖北宜昌 443000

1 工程概述

磷石膏是以硫酸濕法制取磷酸時產生的一般工業固體廢物，含有一定有機磷和無機磷殘留成分，使得磷石膏呈酸性。按目前的生產工藝，每生產1t 磷酸排出4t 左右的磷石膏。湖北省磷礦資源保有資源量、年開采量、磷化工產業規模、磷肥產量均居全國第一，也是磷石膏產生第一大省。全省現有31 家磷石膏產生企業，2020 年，產生磷石膏2996 萬t，綜合利用1073.5 萬t，綜合利用率僅為35.8%。現有磷石膏堆存量約3.07 億t，占全國一半。宜昌市又是湖北磷石膏大市，每年的磷石膏產量占全省一半以上。

2018 年10 月，中國化學工程第十六建設有限公司承接了湖北宜昌枝江姚家港化工園區（北控片區）場地平整及基礎設施建設項目，項目總用地面積約880 畝，一期用地面積約400 畝，一期項目投資20 億元，建設周期24 個月。其中涉及到道路工程。道路路基寬分別為9.0m、15.0m、6m 等。

2 道路基層設計的一般要求

根據受車輛荷載大小和形式不同，將基層路面系統劃分成多層系統，從上而下分別稱為路面結構、上路床、下路床、上路堤和下路堤，其中路面結構可再細分為瀝青(砼)路面、基層和底基層(后者視線路等級而有所區別)。而上路床、下路床、上路堤和下路堤則稱為路堤。基層路面剖面如圖1 所示。

圖1 基層路面剖面圖（單位：m）

為了使路堤能夠提供足夠強度和剛度，基層質量從填料選擇和路堤填筑施工兩方面來控制。基層填料的指標由承載比（CBR）表示，路堤填筑施工由壓實度。基層填料最小CBR 要求如表1、表2 所示，路床壓實度要求如表3所示。

表1 基層填料最小CBR要求

表2 路床填料最小CBR要求

表3 路床壓實度要求

3 磷石膏特性及施工技術難點分析

合格的基層材料和路面基層材料至少應具有4 項基本性質：強度，特別是早期強度應滿足工程需要；有足夠的水和溫度的穩定性；有足夠的整體穩定性；對生態環境無嚴重影響。

單純磷石膏施工存在以下問題：

（1）磷石膏轉化成具有膠凝性的半水石膏，一般工藝是煅燒，但磷石膏含水，煅燒需要消耗更多額外能源；

（2）與水化硅酸鈣相比，β- 半水石膏水化結晶的二水石膏晶粒粗大，強度低，即膠凝性差。事實上也很少在石膏制品中加入其他填料；

（3）如果全部以煅燒磷石膏充填基層或路面基層，不添加集料，就目前情況而言，石膏水化產物孔隙大，會形成水的通道，遇水軟化，也不具可行性。

因此，以單一磷石膏（煅燒磷石膏）作為無機結合料，其強度和水穩性都難以達到工程要求，不具可行性。對于單一磷石膏，除了存在強度問題，還有水穩性問題。各種石膏都具有一定的可溶性，這是石膏的內稟特性。20℃時，二水石膏溶解度為2.08g/ L，α- 半水石膏為6.20g/ L，β- 半水石膏為8.15g/ L。當有流動水作用于磷石膏顆粒時，比如位于地下水位以下時，石膏一定會發生溶解，整體變得疏松，強度顯著降低。對于沒有膠結的石膏顆粒含水量高時會直接液化，水穩定性更差。

通過添加其他無機膠凝材料，如高分子固結材料，則有可能使磷石膏為主的復合體在強度和耐水性方面達到路用要求，實現其在基層和路面底基層中的大規模應用。但鑒于石膏溶解度較大這一內稟特性，這一體系可能更適合用于較干燥道路，以及道路位于地下水位以上的部位。

在強度和水穩性問題解決之后，將磷石膏用作道路材料還需解決溫度穩定性、整體穩定性和環境友好的問題。對于環境友好這點而言，磷石膏中可溶性磷會造成水體富營養化，可溶氟會破壞生態環境，進入地下水系統直接影響道路沿線的人居安全。為解決此問題，一是通過加入某些助劑使可溶性磷、氟形成難溶化合物；二是提高密實度，降低開孔率，盡量隔絕所形成磷酸鹽和氟化物與水接觸。

綜上所述，不能以單一的磷石膏作為道路材料，但將磷石膏與無機、有機膠凝材料（膠結材料）配合使用還是有望將其用作基層填料和路面底基層材料的，而實現這一目標的關鍵點和難點是：提高強度，特別是早期強度和提高耐水性。

4 磷石膏改性施工工藝

4.1 無害化預處理

本項目設計的磷石膏預處理工藝流程如圖2 所示。為研究預處理對磷石膏中有害雜質 F-的固化效果，以及檢測磷石膏中有害重金屬的含量，對未處理磷石膏和預處理磷石膏進行了浸出毒性檢測。浸出液準備按《固體廢物浸出毒性浸出方法- 硫酸硝酸法》（HJ/ T 299）實施，測試按《危險廢物鑒別標準——浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）所載方法進行。從未處理和預處理磷石膏中有害離子及重金屬的檢測結果可以看出：預處理前后氟離子、磷酸根離子在浸出液中的濃度顯著下降。預處理磷石膏中有害離子含量遠遠小于建材用磷石膏指標，從而達到用作基層材料的要求。

圖2 磷石膏預處理工藝流程

4.2 最佳配合比

通過對比各種磷石膏預處理工藝的研究，為大量消耗磷石膏，依據道基層層填料的相關國家標準，設計了一種大摻量磷石膏（≥77%）結合料，將其應用于道路上路床填料。該部分主要研究工業廢渣磷石膏、粉煤灰的主要物理化學特性，以及磷石膏- 粉煤灰體系的強度形成機理。通過擊實試驗和無側限抗壓強度試驗數據比較確定了石灰∶磷石膏∶粉煤灰的配合比6∶77∶17 和6∶87∶7 作為后續試驗的基礎配合比，在此基礎上，以NaAlO2和三乙醇胺作為無機、有機激活劑研究其對石灰- 磷石膏-粉煤灰無機結合料體系的無側限抗壓強度和承載比的影響。實驗結果證明：在達到國家相關標準對強度要求的前提下，為盡可能降低公路基層造價，選擇基礎配比石灰∶磷石膏∶粉煤灰=6∶87∶7，添加0.5%NaAlO2和0.1%三乙醇胺對結合料進行復摻，其CBR 值為38.7%，達到了作為上路床填料的強度要求。

4.3 改性磷石膏拌合料混料裝置

在實踐中發現通過原料選擇、配方設計、制備工藝的研究開發出磷石膏用于二級及二級以下公路用基層填料。但因磷石膏遇水易軟化，粘性較大，在進行攪拌機攪拌時容易結塊，導致混合料攪拌不均勻。為解決上述問題，通過研究，得到一種磷石膏路面基材混料裝置，實現磷石膏路面基材料的混料，提高混合效率，降低結塊率。混料裝置如圖3 所示。

圖3 混料裝置示意圖

4.4 施工參數

（1）預處理。石灰∶磷石膏∶粉煤灰（質量比）=6∶87∶7，外摻9%的水混合均勻，并陳放3d 以上對磷石膏進行預處理，得到預處理磷石膏。預處理磷石膏中的有害離子溶出量明顯減小，符合磷石膏作為建材的相關國家標準。

（2）配合比。通過試配后形成的最佳配合比設計，配合比為改性磷石膏∶水泥∶碎石為65%∶5%∶30%，外摻6%的固化劑。

（3）拌合料生產。混合料的拌合采用磷石膏路面基材混料裝置，拌合站每小時生產拌合物250t，生產能力滿足工程施工進度要求。

（4）混料裝置。為保證進度和質量，公司自主研發了磷石膏路面基材混料裝置（專利號：ZL 2020 2 2271614.7），用于拌合料的生產。

（5）在砼路面的情況下采用改性磷石膏拌合物作為基層具有良好的疲勞特性，在經過50 萬次加載后，基層表面累積變形小于2mm。

5 工程應用

為滿足施工進度和環保節能要求，盡可能利用固廢材料，采用公司自主研發的實用新型專利《磷石膏路面基材混料裝置》（證書號第13739843 號），以橫三路、縱三路、縱六路等三條道路（約2.5km）為試驗段，采用500mm 厚磷石膏穩定碎石（分三層攤鋪），作為廠區內道路的基層材料。

施工程序為：現場準備→磷石膏水穩材料拌制→運輸→攤鋪→碾壓→接縫處理（分三層）→養生。

試驗段選擇廠區內縱三路為試驗路段，線路起止樁號K2+070—+420，全長350m，全部為道路基層。地基為強夯后的回填土，地基上為粉質粘土。試驗全路段采用改性磷石膏拌合料做基層填料，現場取樣的無側限強度為平均值0.65MPa。改性磷石膏拌合料基層混合料，基層厚度50cm，現場取樣改性磷石膏拌合料的無側限強度平均值為0.95MPa。路段采用C30 砼路面，厚25cm。施工完成后，現場的檢測結果平均壓實度為96.4%，可以達到設計圖紙96%以上的壓實度。基層完工后的彎沉檢測值通過檢測，整個線路基層和基層完工時的彎沉檢測結果，彎沉平均值為0.362mm。試驗說明改性磷石膏拌合料修建的基層的剛度大，均勻，滿足設計要求。

2018 年該段線路完工，運行4 年，截至2022 年線路保持完好（見圖4），兩側邊坡無任何坍塌現象，路面除局部因為砼開裂引起的裂縫外，無任何下沉現象，整個路面平整，基層兩側硬路肩沒有任何裂縫。

圖4 路面現狀

6 經濟效益分析

磷石膏水穩與傳統水穩相比節約成本約20%，水泥磷石膏穩定碎石材料按配合比為磷石膏∶水泥∶碎石為65%∶5%∶30% ，外摻6%的固化劑。由于幾種不同水穩材料的施工工藝基本一致，施工成本差異主要表現在材料構成上，所以對其技術經濟指標做比較分析時只需考慮原材料。以每立方米普通水泥穩定碎石和改性磷石膏穩定碎石為例，比較結果如表4 所示。

表4 混合料計算成本分析對照表 元/ m3

應用項目經濟效益如下：在湖北宜昌枝江姚家港化工園區(北控片區)場地平整及基礎設施建設項目使用改性磷石膏拌合料合計7.727 萬m3，在材料上相比傳統材料節約：7.727×（261.3- 206.3）=425 萬元。

7 結論

使用廢棄物磷石膏，作為廠區道路水穩層主要原料，節約資源，改良環境，降低成本。使用自主研發的混料裝置，為施工現場不間斷提供優質的、符合要求的改性磷石膏路面基層材料。通過試驗段修建和4 年的觀察，對室內試驗和疲勞試驗結果進行了佐證，并對施工工藝進行了驗證，證實了磷石膏用作基層填料的可靠性和永久性。磷石膏堆積場地需經過防滲等一系列處理，費用高額，如堆放地不經過處理，會使土地、地下水、空氣環境等嚴重污染。大規模地應用工業廢渣作基層填料，變廢為寶。一則解決了工業廢渣堆放、占地、污染環境的問題，按500 萬m3、堆高25m，可解決土地20 萬m2。第二解決了基層填料占山開挖需要占用土地的問題，可以節約山地開挖20 萬m2。兩者相加，相當于節約土地40 萬m2，社會效益和環境效益十分巨大。