改良磷石膏的路用性能

孟維正，蔣 關魯，*，袁 德昭，鮑晶晶

（1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031）

磷石膏是生產磷復肥時產生的固體廢棄物，不僅占用土地地面資源，起風時也會增加空氣中細顆粒物含量，危害人體健康.截至2017年底，中國磷石膏堆積量已達到5億t，全國年產量約為0.75億t，磷石膏的年產量遠超年利用量［1］，磷石膏的處理已迫在眉睫.國內外主要將工業廢料磷石膏應用于水泥原料、緩凝劑、農作物肥料、建材原料4個方面［1-2］，但利用量遠遠無法跟上產出量的增長速度.若能將其作為路基路面填料，可以在很大程度上解決磷石膏堆積問題.

國內對磷石膏的工程性能曾進行過一些初步研究.徐雪源等［3-5］通過靜三軸試驗、動三軸試驗、壓縮試驗、滲透試驗研究了磷石膏的工程特性，但未針對磷石膏飽水軟化的性質提出改良方案.荀勇［6］論證了將磷石膏和粉煤灰摻入水泥中用于加固軟土.董滿生等［7］證明了磷石膏可作為摻加物改良路面半剛性基層性能，但兩者磷石膏消耗量極少，幾乎不能解決磷石膏堆積問題.查進等［8］在貴陽市將磷渣與碎石以一定比例混合后作為試驗段基層填料，證明了磷渣作為路用材料的可行性，但其擊實試驗所得數據（最佳含水率為5.5%，最大干密度為2.06 g/cm3）與德陽市磷石膏擊實性能有巨大的差異，且并未給出磷石膏水穩定性改良方案.李章鋒［9］通過無側限抗壓強度（UCS）試驗、加州承載比（CBR）試驗和室內動態模型，證明磷石膏經過改良后強度可滿足路基填料的要求，但該方案不夠完善，無法進行不同等級公路填料的比選.

工業廢料磷石膏粒徑分布范圍與粉土吻合，但其含水率較高，水穩定性較差，很難進行工程應用.故本文在已有研究基礎上，采用針對德陽市磷石膏研發的2種改善水穩定性的液黏劑（還原劑和液黏劑等相結合），對摻加少量水泥、生石灰，半水石膏的工業廢料磷石膏進行擊實試驗、UCS試驗、CBR試驗、壓縮試驗、離心機試驗；并提出解決磷石膏堆積難題的方案.

1 試驗

1.1 原材料

磷石膏取自德陽市工業廢料磷石膏，呈深灰色，風干之后呈灰白色，粒徑在0.05～0.35 mm之間，呈正態分布，屬于粉土，pH值在3.5～4.1之間，含水率1）文中涉及的含量、組成等均為質量分數.高達24%.磷石膏是復雜的多組分結晶體，主要有針狀晶體、板狀晶體和密實晶體，其晶體粗大，表面覆蓋可溶磷、有機物等雜質.磷石膏的主要化學組成見表1.

表1 工業廢料磷石膏主要化學組成Table 1 Main chemical composition of industrial waste phosphogypsum

研究所用改良工業廢料磷石膏的摻加物有：Ⅰ型液黏劑（A）、Ⅱ型液黏劑（A′）、M32.5砌筑水泥（C）、生石灰（L）、β型半水石膏（G）.液黏劑成分配合比見專利［10］.

1.2 試驗方案及方法

各改良磷石膏試件配合比見表2.配合比以各摻加物占風干磷石膏的質量分數計.同時，制備無摻加物的磷石膏試件作為對照組（P）.

參照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中T 0804—1994方法進行擊實試驗，選擇重型擊實和干土法，僅對試件P、A3、AC1、ACL6、A′G4進行擊實試驗.根據JTG E51—2009規程中T 0843—2009、T 0845—2009方法來確定磷石膏及改良磷石膏的最佳含水率和最大干密度.

無側限抗壓強度試驗參照JTG E51—2009規程中T 0805—1994方法進行，試件采用靜壓法制作，為直徑5 cm、高5 cm、體積98.2 cm3的圓柱體試件.每組制作14個試件，其中7個試件在標準條件（（20±2）℃，相對濕度95%以上）下養護6 d，再在飽水條件（（20±2）℃，試件浸泡于水中）下養護1 d；另外7個試件在標準條件下養護7 d.對養護至7 d后的各試件進行UCS試驗，得到飽水養護試件的無側限抗壓強度UCS′和標準養護試件無側限抗壓強度UCS.水穩定性系數K取UCS′與UCS的比值，結果均列于表2.

表2 改良磷石膏試件配合比、無側限抗壓強度和水穩定性Table 2 Mix proportion，unconfined compression strength and water stability of modified phosphogypsum specimens

為研究養護齡期對無側限抗壓強度的影響，對ACL3組的7個試件在標準養護7、14、21、28 d后進行無側限抗壓強度試驗；另外7個試件在標準養護6、13、20、27 d后飽水養護1 d，再進行無側限抗壓強度試驗.

參照JTG E40—2007《公路土工試驗規程》中T 0134—1993方法，對試件A′G5、A′G6（摻加不同比例的Ⅱ型液黏劑與石膏組）與P（無摻加物的磷石膏），進行90%、95%、98%壓實度下的CBR試驗.

為了定量地模擬改良磷石膏路基竣工后5 a內不同壓實度和不同填土高度下路基頂面沉降量，進行離心機試驗.設計壓實度85%、95%、100%，填土高度4、8、12、16、20 m的15組土樣.試驗采用西南交通大學土工離心機實驗室TLJ-2型離心機，離心加速度為100g，干密度比例尺為1∶1，土樣壓實度由干密度控制，因此壓實度比例尺也為1∶1，幾何比例尺為1∶100，以2 cm作為1個單位厚度（環刀高度），先用靜壓法制作高度為2 cm的土樣，然后將環刀和其中的土樣疊起來以達到各土樣厚度，最后放入離心模型架的土樣筒中.離心模型架見圖1，頂板和底板均為鋼板（高剛度可排除試驗過程中板體變形誤差）離心模型架共18個筒，由于試驗設備所限，只使用了15個筒（每個筒為不同的填土高度和壓實度）.本試驗采用HG-C1400型和HG-C1200型2種激光位移計，傳感器支架固定在頂板上，可通過支架來調節桶內激光傳感器高度.由固結參數的時間比例尺可知模擬路基5 a的沉降只需4.3 h.

圖1 離心模型架Fig.1 Centrifuge model bracket

為了通過分層總和法計算土樣在自重作用下的總沉降，參照JTG E40—2007規程中T 0137—1993單軸固結儀法，對85%、95%、100%壓實度的土樣進行單軸壓縮試驗，測定其壓縮模量Es.

2 土工試驗結果及討論

2.1 最佳含水率及最大干密度

試件P、A3、AC1、ACL6、A′G4的擊實曲線如圖2所示.由圖2可見，最佳含水率平均值14.91%，最大干密度平均值1.61 g/cm3.5組改良方案摻加物質量最大的是A′G4，其最大干密度和最佳含水率并未見明顯變化.

圖2 試件P、A3、AC1、ACL6、A′G4的擊實曲線Fig.2 Compaction curves of specimen P，A3，AC1，ACL6，A′G4

2.2 無側限抗壓強度

各改良磷石膏試件的無側限抗壓強度測試結果列于表2，由表2可見：當2種液黏劑單摻的摻量較少時，飽水試件不具有強度，標準養護試件無側限抗壓強度與液黏劑摻量成正比.由單摻液黏劑的A、A′組對比可知，Ⅱ型液黏劑較Ⅰ型液黏劑對磷石膏的改良效果更好.由A與AC組對比可知飽水試件仍具有較高強度，說明復摻效果優于單摻，水泥可以提高磷石膏的無側限抗壓強度.

由表2中Ⅰ型液黏劑與水泥、生石灰以不同比例復摻時AC、ACL、ACL′組的UCS試驗結果可見：當水泥、生石灰以等質量摻加時ACL組較主摻水泥的ACL′組效果更好，當生石灰摻量增加到2.50%時（水泥、生石灰總摻量5.00%），UCS到達峰值，說明存在水泥、生石灰復摻最佳配合比.在水泥、生石灰總摻量為7.00%時，ACL與ACL′組的UCS相差很小.說明水泥和生石灰復摻的比例決定了磷石膏改良后強度的變化趨勢，水泥和生石灰總摻量決定了不同改良方案下的強度增量.

由表2中Ⅰ型液黏劑與半水石膏、生石灰復摻時AGL組、Ⅰ型液黏劑與不同比例水泥、生石灰復摻時ACL、ACL′組的UCS試驗結果可知：在摻加等質量生石灰的情況下，額外摻加水泥的試件UCS要高于額外摻加半水石膏的試件；此外，由UCS′數據對比可知，摻加水泥的試件水穩定性改良效果優于摻加半水石膏的試件，說明生石灰與水泥復摻效果要優于生石灰與半水石膏復摻效果；不等質量復摻水泥、生石灰的改良效果也要優于半水石膏、生石灰的改良效果.

水泥先通過硅酸鹽和鋁酸鹽水化形成水泥漿，然后水泥漿中的Ca2+與土體中金屬離子發生離子置換，形成水泥土，凝結為空間網絡，空間網絡逐漸變密實硬化，最后Ca（OH）2發生碳化反應，強度提高［11］.生石灰是先通過CaO水化，Ca2+與土體低價陽離子發生置換導致分子引力增大，形成小土團，接著發生火山灰反應，土體密實度、強度水穩定性都有所提高，最后熟石灰碳化致使土體強度增強.水泥、生石灰雙摻時，水泥中SiO2、Al2O3與生石灰充分發生火山灰反應，較單摻時強度更高，因此表2中的ACL組與ACL′組UCS要高于AC組.生石灰在摻量較低時，主要起穩定作用，降低土體的塑性和親水性，增強水穩定性.水泥、生石灰摻量超過某個界限后，水泥已不需要過多的生石灰參與火山灰反應，部分生石灰殘留在土體孔隙中，導致改良土體強度不再增長甚至降低.

由表2中Ⅱ型液黏劑與半水石膏復摻時A′G組的UCS試驗結果可知：未飽水時，半水石膏摻量10%的試件UCS略大于半水石膏摻量5%的試件；飽水時，半水石膏摻量10%的試件在液黏劑摻量為0.50%時即具有強度，而半水石膏摻量5%的試件在液黏劑摻量為0.75%時才具有強度.說明Ⅱ型液黏劑及半水石膏復合摻量對工業廢料磷石膏強度提高較小，對水穩定性提高較大.

2.3 齡期與無側限抗壓強度的關系

試件ACL3在不同齡期下的無側限抗壓強度見圖3.由圖3可見：試件ACL3無側限抗壓強度隨齡期增長而增大；標準養護試件的無側限抗壓強度UCS較飽水養護試件的無側限抗壓強度UCS′增長更快.這是由于飽水養護下水泥已經充分水化，標準養護下水泥接觸水分條件有限，未能完全水化，隨齡期延長，逐漸完成水化凝結硬化.

圖3 試件ACL3在不同齡期下的無側限抗壓強度Fig.3 Unconfined compression strength of specimen ACL3 at different ages

2.4 水穩定性

各改良磷石膏試件的水穩定性系數K見表2所示.由表2可知：Ⅱ型液黏劑比Ⅰ型液黏劑對磷石膏的水穩定性改良效果更好；摻加Ⅰ型液黏劑的改良磷石膏ACL中，水泥與生石灰等比例摻加且兩者摻量均為2.5%時，改良磷石膏水穩定性最好，其飽水養護試件的無側限抗壓強度高于標準養護試件；復摻水泥與生石灰改良磷石膏ACL和ACL′的水穩定性優于復摻生石灰與半水石膏改良磷石膏AGL.

復摻水泥與生石灰改良磷石膏水穩定性較好的原因為：水泥與生石灰發生結晶硬化，與磷石膏形成共晶體，導致試件溶解度降低；火山灰作用的膠凝物在微小磷石膏團外圍形成保護膜，減少了試件透水性；碳化作用形成的CaCO3等鹽類對磷石膏顆粒起膠結作用，試件整體性加強.以上3種作用共同提高了改良磷石膏的水穩定性.

2.5 CBR試驗

90%、95%、98%壓實度下試件A′G5、A′G6和P的CBR試驗結果見表3.其中試件P在CBR試驗預壓階段已達2.5 mm位移，其加州承載比CBR＝0%.由表3可知：改良磷石膏試件A′G5、A′G6的CBR隨著壓實度的增大而增大，這是因為壓實度增大減小了土粒間空隙，土粒嵌合更緊密，提高了抗剪強度；半水石膏摻量均為10%時，增加Ⅱ型液黏劑摻量對CBR影響不大；3種試件吸水量均隨著壓實度的增大而降低，這是因為壓實度增大減小了土粒間空隙，試件滲透性降低，擊實試驗排出的自由水無法得到補充，因此試件吸水量降低.

CBR試驗飽水4 d膨脹量結果見表3.由表3可見，試件A′G5在90%壓實度下膨脹量最大，為0.60 mm，與陳善雄等［12］研究的中、弱膨脹土CBR膨脹量試驗對比，可將試件A′G5、A′G6和P視為非膨脹土或弱膨脹土；添加半水石膏和液黏劑后，膨脹量幾乎不變，可見半水石膏和液黏劑對磷石膏膨脹性的影響極小；同種試件膨脹量隨著壓實度的增高基本呈降低趨勢，這是由于壓實度增高，試件滲透性降低，內部補充的自由水減少所致.

表3 CBR試驗結果Table 3 Test results of CBR

2.6 UCS和CBR試驗結論

綜上所述：改良磷石膏A′4、AGL3、A′G3、A′L、A′G、A′GL1、A′GL2可以滿足JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術細則》石灰穩定土對二級及二級以下公路在路面基層及底基層的無側限抗壓強度要求（500～700 kPa）；改良磷石膏ACL4、ACL5、ACL6、ACL′4、ACL′5、ACL′6可以滿足JTGT F20—2015細則對水泥穩定土二級及二級以下公路在路面底基層的無側限抗壓強度要求（1 000～3 000 kPa）.JTG D30—2015《公路路基設計規范》中，高速公路、一級公路對路床CBR最小值的要求為8%，改良磷石膏A′G5、A′G6的CBR值均高于規范要求，可以作為各等級公路的路床；高速公路、一級公路對路堤CBR最小值的要求為4%，改良磷石膏A′G5、A′G6也可滿足此要求.因此，對水穩定性要求較高的地區（南方）或強度要求較高的地區，推薦采用改良磷石膏ACL4、ACL5、ACL6、ACL′4、ACL′5、ACL′6的配合比；對水穩定性和強度要求較低的地區推薦采用改良磷石膏A′G5、A′G6的配合比.在滿足路基路面強度要求的前提下，考慮經濟性因素后，選擇性價比較高的改良磷石膏A′G5來進行后續壓縮試驗和離心機試驗.

3 壓縮試驗及離心機試驗

對離心試驗所得不同壓實度、不同填土高度土樣由于自重產生的沉降量數據進行整理并作幾何比例尺轉換，得到沉降量-時間（S-t）曲線，見圖4～6.在竣工初期，S-t曲線斜率較大，此階段沉降占最終沉降比例也很大，說明竣工初期，路基沉降速度較快，填土的固結并未徹底結束，在中期，路基沉降速度明顯放緩，說明此時路基固結基本完成，開始進入次固結階段，路基沉降的原因以土的蠕變為主.路基填土高度越高，最終沉降越大，固結期也越長.對比圖4～6可知，相同填土高度下，壓實度越低的填土，殘余形變越大，固結期也越長.

圖4 85%壓實度下路基頂面S-t曲線Fig.4 S-t curves of subgrade under 85% degree of compaction

圖5 95%壓實度下路基頂面S-t曲線Fig.5 S-t curves of subgrade under 95% degree of compaction

圖6 100%壓實度下路基頂面S-t曲線Fig.6 S-t curves of subgrade under 100%degree of compaction

改良磷石膏A′G5的壓縮模量結果見表4.最終沉降采用分層總和法來計算，具體步驟如下：（1）將路基由頂至底進行分層，第1層和第2層為1 m厚（離心模型半個環刀高），以下各層均為2 m厚（離心模型一個環刀高）；（2）壓縮模量計算：最頂層質量較小，不考慮其自重沉降，其余各層均以該層上覆質量與壓縮試驗所得Es之比作為該層壓縮模量，不同填土高度土層的Es由壓縮試驗所得結果（表4）內插可得；（3）沉降量計算：第1層由于沒有上覆質量故沉降量極小，忽略不計，將其余各層沉降量累加，得到各壓實度、各填土高度下的路基頂面最終沉降，結果見圖7～9.由圖7～9可擬合得到不同壓實度、不同填土高度下路基頂面沉降的時程公式，以便得到工后不同時刻的路基頂面沉降值并進行定量分析.由于篇幅所限，擬合公式不在此給出.

圖7 85%壓實度路基頂面最終沉降Fig.7 Final settlement of subgrade under 85% degree of compaction

表4 改良磷石膏A′G5的壓縮模量EsTable 4 Es of modified phosphogypsum A′G5

圖8 95%壓實度路基頂面最終沉降Fig.8 Final settlement of subgrade under 95% degree of compaction

圖9 100%壓實度路基頂面最終沉降Fig.9 Final settlement of subgrade under 100% degree of compaction

將離心機試驗結果與分層總和法計算結果進行對比，可知試驗結果與計算結果較為接近，數據可靠性較高.但由于分層總和法計算時忽略了路基最頂層的自重沉降，因此其相對于離心試驗結果存在一定差值.粉土等一般路基容許工后沉降在公路路基設計規范中并未給出，參考DG/TJ 08-2237—2017《道路路基設計規范》：高速公路、一級公路、城市快速路、城市主干路工后沉降要求不大于20 cm，其他道路工后沉降要求不大于30 cm.85%、95%、100%壓實度的20 m及以下高度的路堤均可滿足20 cm的工后沉降要求.

4 結論

（1）工業廢料磷石膏直接用于路基路面填料無法滿足水穩定性要求，摻加液黏劑等可以改善其水穩定性.當水泥與生石灰等比例摻加時，試件水穩定性最好.隨齡期延長，改良磷石膏未飽水時強度增長較飽水時更快.改良磷石膏吸水量隨著壓實度的增大而降低.

（2）水泥與生石灰以等質量摻加較主摻水泥效果更好，生石灰增加到風干磷石膏質量的2.5%時無側限抗壓強度到達峰值.經過改良的磷石膏可以滿足路床路堤的強度要求，綜合考慮經濟因素后，半水石膏占風干磷石膏質量10%，液黏劑占風干磷石膏質量0.5%為最佳配合比.

（3）85%、95%、100%壓實度的20 m及以下高度的路堤均可滿足20 cm的工后沉降要求.