改性磷石膏材料用于公路路面基層的應(yīng)用研究

劉開瓊，任 翔，呂正龍，劉小艷

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112；2.中交二公局第三工程有限公司 710016；3.新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室，南京 211112；4.河海大學(xué)，南京 210098)

1 試驗(yàn)方法和原材料

1.1 試驗(yàn)方法

本文采用2種磷石膏樣品，與復(fù)合改性劑進(jìn)行混摻，分別研究其在摻加集料和不摻加集料2種混合料體系中的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性。

1.2 試驗(yàn)原材

(1)磷石膏

本文分別采用在開磷集團(tuán)和甕福集團(tuán)堆放場生產(chǎn)堆放的磷石膏廢棄物(開磷集團(tuán)和甕福集團(tuán)磷石膏編號分別為K和W)，磷石膏均為灰白色，化學(xué)組成如表1所示。按照國家標(biāo)準(zhǔn)磷石膏(GB/T 23456)，2種磷石膏均屬于一級石膏等級。

表1 磷石膏化學(xué)組成

(2)復(fù)合改性劑

本文采用的復(fù)合改性劑是一種以磷工業(yè)副產(chǎn)品黃磷渣為主、復(fù)合多種組分而成的膠凝材料。復(fù)合改性劑化學(xué)組成如表2所示。

表2 復(fù)合改性劑化學(xué)組成

(3)集料

本文采用的粗集料主要用于“磷石膏+復(fù)合改性劑+集料”混合料體系，其性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 粗性能指標(biāo)測試結(jié)果

2 磷石膏含水率

磷石膏的含水率易受天氣和外界環(huán)境的影響而波動較大，同時(shí)磷石膏CaSO4·2H2O中含有2個(gè)結(jié)晶水，易在受熱狀態(tài)下分解脫水從而對測試結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此有必要采用合適的方法對磷石膏的含水率進(jìn)行精準(zhǔn)測試。

本文分別采用3個(gè)烘干溫度(40 ℃、60 ℃和80 ℃)對磷石膏樣品進(jìn)行持續(xù)烘干，測試結(jié)果如表4所示。從表4中可以得出，烘干溫度為60 ℃時(shí)，測得的含水量與烘干溫度為40 ℃時(shí)的測試結(jié)果相近。綜合考慮測試結(jié)果的可靠性及測試的效率，本文選擇60 ℃作為測試磷石膏含水量的烘干溫度。

表4 不同烘干溫度下測得的磷石膏含水率

3 路用性能

3.1 力學(xué)性能

(1)擊實(shí)試驗(yàn)

本文基于“磷石膏+復(fù)合改性劑”和“磷石膏+復(fù)合改性劑+集料”2種混合料體系，設(shè)計(jì)6種配比，各配比和試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 力學(xué)性能測試方案和擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

(2)力學(xué)性能測試

采用靜壓成型法成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，其中“磷石膏+復(fù)合改性劑”體系和“磷石膏+復(fù)合改性劑+集料”體系混合料分別使用徑高為φ50 mm×50 mm和φ150 mm×150 mm的圓柱體模具成型，混合料壓實(shí)度均為98%。

將試件按標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)生至相應(yīng)齡期進(jìn)行測試，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如表6所示。根據(jù)測試結(jié)果可得，無論哪種磷石膏體系，其混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出7 d齡期后快速增長、至28 d齡期趨于穩(wěn)定和后期增長緩慢的特點(diǎn)，且28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到7 MPa以上；未摻集料的“磷石膏+復(fù)合改性劑”體系表現(xiàn)出了更優(yōu)異的力學(xué)性能。

表6 混合料不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

圖1 “磷石膏+復(fù)合改性劑”體系混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長變化情況

3.2 水穩(wěn)定性

(1)浸水強(qiáng)度損失試驗(yàn)

基于K-IV和W-IV兩種配比，成型試件并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，養(yǎng)生至到相應(yīng)齡期后將試件放入水中浸泡24 h(室溫)，取出晾干至恒重，再浸水24 h，再晾干，兩個(gè)干濕循環(huán)后測試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，與對應(yīng)齡期試件對比以評判其水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。總體來看，兩個(gè)配比均呈現(xiàn)出隨齡期增長浸水強(qiáng)度損失率減小并趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。

表7 混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

(2)抗沖刷試驗(yàn)

田間試驗(yàn)于2016年5月—2016年11月在江蘇省句容市白兔鎮(zhèn)稻麥輪作田（31°58'N，119°18'E）進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15.1 ℃，年平均降雨量為1018 mm，水稻-小麥輪作是該地區(qū)的主要作物種植制度。供試土壤為發(fā)育于下蜀黃土的爽水性水稻土，其基本理化性質(zhì)為：砂粒（2~0.02 mm）占比為14%，粉粒（0.02~0.002 mm）占比為69%，粘粒（<0.002 mm）占比為17%，全 C11.5 g·kg-1，全 N1.3 g·kg-1，pH6.9。污泥堆肥的理化性質(zhì)見表1。

為評價(jià)磷石膏混合料的抗沖刷性能，基于K-IV配比的混合料成型試件并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，養(yǎng)生至規(guī)定齡期后，取出試件分別浸水2 h和24 h后，放入沖刷桶中沖刷2 min，并將沖刷掉的磷石膏混合料進(jìn)行烘干稱量，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同養(yǎng)護(hù)齡期的沖刷試驗(yàn)結(jié)果

從表8中可以看出，混合料的沖刷量隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小。早期的混合料沖刷量較大，21 d齡期后沖刷量顯著降低，僅試件表面沖刷損失，這主要是因?yàn)楹笃谠嚰?qiáng)度較高，密實(shí)性較好，對水的沖刷作用具有較好的抵抗力。各齡期浸水24 h的沖刷量顯著高于浸水2 h沖刷量，主要是因?yàn)榻畷r(shí)間越長，滲入混合料內(nèi)部的水分越多，混合料中磷石膏吸水產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力，對試件產(chǎn)生破壞，從而降低了混合料抵抗沖刷的能力。

3.3 體積穩(wěn)定性

磷石膏易吸水膨脹，本文基于K-IV方案成型試件分別測試其在不吸水和吸水條件下的自由膨脹量和吸水膨脹量。

(1)自由膨脹試驗(yàn)

本文根據(jù)《無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51)自由收縮試驗(yàn)方法測試混合料在不吸水條件下的自由膨脹。自由膨脹膨脹率變化曲線如圖2所示。

圖2 自由膨脹率變化曲線

從圖8中可以看出，混合料在不遇水的情況下，由于自身的水化反應(yīng)產(chǎn)生微膨脹。齡期達(dá)到38 d時(shí)，體積變化趨于穩(wěn)定，此時(shí)累計(jì)膨脹量為0.983 mm，累計(jì)膨脹率為0.246%。自由膨脹主要集中在脫模后的6 d內(nèi)，達(dá)到總膨脹量的63.6%。

(2)吸水膨脹試驗(yàn)

圖3 吸水膨脹率變化曲線

由圖3可得，混合料在吸水情況下，體積會產(chǎn)生較大的膨脹。浸水時(shí)間達(dá)到16 d時(shí)，體積變化趨于穩(wěn)定，此時(shí)累計(jì)膨脹量為2.478 mm，累計(jì)膨脹率為1.951%，約為自由膨脹的7.9倍。吸水膨脹主要集中在浸水前13 d內(nèi)，占總膨脹量的96.6%。從試件浸水前后的表面形貌可以看出，浸水膨脹后試件表面出現(xiàn)大量的裂縫，可見吸水膨脹產(chǎn)生的較大膨脹應(yīng)力已經(jīng)導(dǎo)致混合料破壞。

4 結(jié) 論

(1)以磷化工副產(chǎn)品黃磷渣復(fù)配而成的復(fù)合改性劑對磷石膏具有良好的固化作用，“磷石膏+復(fù)合改化劑”和“磷石膏+復(fù)合改化劑+集料”體系混合料均具有較高的后期強(qiáng)度。

(2)采用復(fù)合改性劑的磷石膏混合料7 d齡期前早期強(qiáng)度增長緩慢，7 d齡期后強(qiáng)度增長較快，這不滿足半剛性基層在7 d齡期即要求有較高強(qiáng)度，因此在磷石膏混合料用于公路路面基層時(shí)應(yīng)根據(jù)其強(qiáng)度增長特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)和安排工期。

(3)水穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性試驗(yàn)均證明采用復(fù)合改化劑的磷石膏混合料水敏感性較強(qiáng)，混合料水穩(wěn)定性隨齡期增長逐漸增強(qiáng)。

(4)采用復(fù)合改性劑的磷石膏混合料在不遇水狀態(tài)下具有微膨脹性，利于混合料密實(shí)和抵抗收縮變形。有水狀態(tài)下，混合料吸水膨脹量較大，易導(dǎo)致混合料開裂。

(5)在采用復(fù)合改性劑時(shí)，40%及以上磷石膏摻量的混合料應(yīng)用于公路路面基層具有較好的可行性，但在具體工程應(yīng)用中，工期安排和基層不遇水的防排水的設(shè)計(jì)與施工是重點(diǎn)。