改性磷石膏材料用于公路路面基層的應用研究

2021-01-28 08:26:46劉開瓊呂正龍劉小艷

黑龍江交通科技 2021年1期

劉開瓊，任翔，呂正龍，劉小艷

(1.蘇交科集團股份有限公司，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驗室，南京 211112；4.河海大學，南京 210098)

1 試驗方法和原材料

1.1 試驗方法

本文采用2種磷石膏樣品，與復合改性劑進行混摻，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性能、水穩定性和體積穩定性。

1.2 試驗原材

(1)磷石膏

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

表1 磷石膏化學組成

(2)復合改性劑

本文采用的復合改性劑是一種以磷工業副產品黃磷渣為主、復合多種組分而成的膠凝材料。復合改性劑化學組成如表2所示。

表2 復合改性劑化學組成

(3)集料

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

表3 粗性能指標測試結果

2 磷石膏含水率

磷石膏的含水率易受天氣和外界環境的影響而波動較大，同時磷石膏CaSO4·2H2O中含有2個結晶水，易在受熱狀態下分解脫水從而對測試結果產生干擾，因此有必要采用合適的方法對磷石膏的含水率進行精準測試。

本文分別采用3個烘干溫度(40 ℃、60 ℃和80 ℃)對磷石膏樣品進行持續烘干，測試結果如表4所示。從表4中可以得出，烘干溫度為60 ℃時，測得的含水量與烘干溫度為40 ℃時的測試結果相近。綜合考慮測試結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 力學性能

(1)擊實試驗

本文基于“磷石膏+復合改性劑”和“磷石膏+復合改性劑+集料”2種混合料體系，設計6種配比，各配比和試驗結果如表5所示。

表5 力學性能測試方案和擊實試驗結果

(2)力學性能測試

采用靜壓成型法成型無側限抗壓強度試件，其中“磷石膏+復合改性劑”體系和“磷石膏+復合改性劑+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，混合料壓實度均為98%。

將試件按標準條件養生至相應齡期進行測試，無側限抗壓強度試驗結果分別如表6所示。根據測試結果可得，無論哪種磷石膏體系，其混合料的無側限抗壓強度均呈現出7 d齡期后快速增長、至28 d齡期趨于穩定和后期增長緩慢的特點，且28 d無側限抗壓強度均能達到7 MPa以上；未摻集料的“磷石膏+復合改性劑”體系表現出了更優異的力學性能。

表6 混合料不同齡期無側限抗壓強度測試結果

圖1 “磷石膏+復合改性劑”體系混合料無側限抗壓強度隨齡期增長變化情況

3.2 水穩定性

(1)浸水強度損失試驗

基于K-IV和W-IV兩種配比，成型試件并進行標準養生，養生至到相應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，兩個干濕循環后測試其無側限抗壓強度，與對應齡期試件對比以評判其水穩定性，試驗結果如表7所示。總體來看，兩個配比均呈現出隨齡期增長浸水強度損失率減小并趨于穩定的特點。

表7 混合料水穩定性試驗結果

(2)抗沖刷試驗

田間試驗于2016年5月—2016年11月在江蘇省句容市白兔鎮稻麥輪作田（31°58'N，119°18'E）進行。試驗地屬于北亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為15.1 ℃，年平均降雨量為1018 mm，水稻-小麥輪作是該地區的主要作物種植制度。供試土壤為發育于下蜀黃土的爽水性水稻土，其基本理化性質為：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見表1。

為評價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行標準養生，養生至規定齡期后，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行烘干稱量，試驗結果如表8所示。

表8 不同養護齡期的沖刷試驗結果

從表8中可以看出，混合料的沖刷量隨養護齡期的增大而減小。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，這主要是因為后期試件強度較高，密實性較好，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，主要是因為浸水時間越長，滲入混合料內部的水分越多，混合料中磷石膏吸水產生一定的膨脹應力，對試件產生破壞，從而降低了混合料抵抗沖刷的能力。

3.3 體積穩定性

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

本文根據《無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51)自由收縮試驗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產生微膨脹。齡期達到38 d時，體積變化趨于穩定，此時累計膨脹量為0.983 mm，累計膨脹率為0.246%。自由膨脹主要集中在脫模后的6 d內，達到總膨脹量的63.6%。

(2)吸水膨脹試驗

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，體積會產生較大的膨脹。浸水時間達到16 d時，體積變化趨于穩定，此時累計膨脹量為2.478 mm，累計膨脹率為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，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大量的裂縫，可見吸水膨脹產生的較大膨脹應力已經導致混合料破壞。