磷石膏基水泥穩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.湖北益通建設股份有限公司，湖北宜昌 443000；2.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002）

磷石膏是工業生產磷酸所產生的副產物，一般每生產1t的磷酸就會產生4.5～5.5t的磷石膏。中國每年生產上千萬噸的磷石膏，由于沒有相應的政策，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、氟等有害雜質會造成環境的破壞。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，相對于傳統基層材料，使用工業廢棄物用作基層材料的路面強度更高，且對環境影響小。本文通過室內試驗探討了磷石膏摻量、礦渣摻量、水泥摻量、外加劑及級配碎石對磷石膏基水泥穩定碎石材料強度和浸出毒性的影響，并在現場開展試驗。

1 材料與方法

1.1 實驗原材料

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。

原材料的主要化學成分見表1。

表1 原材料的主要化學成分

1.2 實驗方法

1.2.1 磷石膏基水泥穩定碎石材料室內配比試驗

采用φ150mm×150mm圓柱形試模，在壓力機上壓制成型，脫模后移入Rh=95%、溫度20±1℃下進行標準養護。

1.2.2 力學性能試驗

無側限抗壓強度試驗參照交通運輸部規范（T0805—1994）中的方法。

1.2.3 浸出毒性試驗

浸出液的制備根據《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，根據樣品的含水率，以固液質量比1：10（kg/L）計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）進行總磷、氟濃度的檢測。

2 結果與討論

2.1 磷石膏基水泥穩定碎石室內配比試驗

由表2和圖1可以看出，磷石膏摻量在5%～7%時對應試件的7d無側限抗壓強度均大于4.0MPa，強度要求滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）中的二級及二級以下重交通公路的底基層強度標準。隨著磷石膏摻量的增加，強度先降低，在磷石膏摻量為7%時強度增加，磷石膏-礦渣-水泥膠凝體系水化反應生成鈣礬石以及水化硅酸鈣凝膠，鈣礬石形成骨架結構，水化硅酸鈣凝膠填充在鈣礬石孔隙中形成密實的結構有利于強度的增加。

表2 磷石膏基水泥穩定碎石材料SCS配比

圖1 SCS7d強度變化

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%時對應的最大氟含量為1.967mg/L，但是符合滿足《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）中氟化物一級排放標準，石屑摻量由29%增加到36%，對應的氟濃度減少，溶液中的Ca2+和游離的F-反應生成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%時對應的總磷濃度為0.011mg/L，符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中總磷二級排放標準。

2.2 現場施工驗證

工程試驗段為某市政道路，使用磷石膏基水泥穩定碎石材料作為底基層材料的路段在攤鋪50m左右時先用單鋼輪壓路機從邊部向中間碾壓一遍，在攤鋪機接縫處跨縫碾壓，復壓緊跟初壓使用單鋼輪壓路機碾壓兩遍，并檢測壓實度，終壓采用膠輪壓路機碾壓兩遍直至消除輪跡。其中5%磷石膏基水泥穩定碎石材料3d無側限抗壓強度為3.2MPa，7d無側限抗壓強度為5.3MPa，28d無側限抗壓強度為7.3MPa，壓實度96，7d彎沉值102。6%磷石膏基水泥穩定碎石材料3d無側限抗壓強度為3.5MPa，7d無側限抗壓強度為5.8MPa，28d無側限抗壓強度為8.9MPa，壓實度99，7d彎沉值21.3，7%磷石膏基水泥穩定碎石材料3d無側限抗壓強度為2.0MPa，7d無側限抗壓強度為2.6MPa，28d無側限抗壓強度為10.7MPa，壓實度98，7d彎沉值102.8，上述幾種不同配比的磷石膏基水泥穩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。在現場施工期間檢測的壓實度均大于設計值，經過7d養生后檢測的無側限抗壓強度、彎沉值等均滿足設計要求，毒性符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中總磷二級排放標準和《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）中氟化物一級排放標準。

3 結論

（1）對于磷石膏基水泥穩定碎石材料通過各種配合比的無側限抗壓強度和浸出液的毒性情況綜合來看，在礦渣-水泥-外加劑-級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）從現場施工試驗情況來看，磷石膏基水泥穩定碎石材料用作基層材料性能好。