磷石膏外加劑對水泥穩定土性能的影響

李尚， 張翀

（浙江浙交檢測技術有限公司,杭州 310015）

0 引言

近年來全國各地深入貫徹和踐行“兩山”理念，為保護生態環境，諸多礦山與石料場將被逐步關閉，傳統的宕渣、塘渣路基填料資源日益不足，亟待研究和開發能夠用在基層合路基中的新材料，穩定土技術是目前應對資源緊缺的主要辦法，傳統的穩定材料一般包括水泥、石灰合粉煤灰等[1]。

磷石膏是磷礦制酸過程中的主要副產品，也是化肥工業中最重要的成分之一，通常情況下磷石膏被當作廢棄物丟棄在填土中，這將會對水和土壤產生污染的風險。磷石膏的主要成分是CaSO4·H2O，由于氫氧根離子（OH-）含量高，因此在pH較高的情況下，很容易與水泥或石灰穩定土發生火山灰反應[2]。因此可以把磷石膏作為外加劑當來處理水泥穩定土，應用在道路基層以及路基當中[3]。

周海龍[4]利用脫硫石膏和粉煤灰來改進傳統的水泥穩定粉土，得出最佳配合比為水泥：脫硫石膏：粉煤灰=15：6：16，研究表面復合水泥土的性能優于傳統的水泥土，且脫硫石膏在穩定土強度和穩定性方面發揮了重要作用。張立力等[5]使用高鎂鎳渣和磷石膏兩種工業廢固用以穩定鹽漬土，制備了一種新型的HMNS-PG基膠凝材料，研究發現該種穩定劑相比于傳統的水泥穩定土具有更高的水穩定性、凍融穩定性和熱穩定性。經穩定后的鹽漬土pH值降低，可以用于鹽漬土基層的穩定。丁建文等[6]使用水泥和磷石膏穩定淤泥土，研究了摻量、初始含水率和齡期對強度的影響。分析了磷石膏摻量對強度影響的機理解釋，并得出了一個最佳摻量。彭波等（2020）[7]采用水泥、石灰、石膏來穩定路基土，水泥或石灰穩定土的抗壓強度均隨石膏的摻量先增加后降低，并測試了材料的回彈模量，CBR值和無側限抗壓強度，得出石灰磷石膏和水泥磷石膏的最佳配合比。

以上學者雖對各類磷石膏類穩定劑進行了研究，但關于磷石膏在穩定土基層中的研究和應用較少，關于磷石膏與離子活性劑共同作用于水泥穩定土的研究較少，文中立足于磷石膏和活性劑，研究滿足穩定粉質黏土基層要求的穩定劑的相關性能。

1 試驗過程

1.1 原材料

土樣選自浙江東部某建筑工程的粉質黏土，如圖1所示，測得其化學元素組成見表1。對該土最佳含水率和CBR進行測試，得出其最大干密度為1.72g/cm3，最佳含水率為16.2%，CBR值為1.45%如表2所示，不滿足路基承載力的最小要求。

圖1 試驗所用黏土外觀

表1 疏浚土化學元素組成

表2 試驗用粉質黏土基本物理指標

選擇普通硅酸鹽水泥作為試驗研究的穩定劑，試驗所用水泥為錢江水泥廠生產32.5號普通硅酸鹽水泥見表3。選取的磷石膏粉末由利源環保材料公司生產，表4列出了磷石膏的化學成分。另外使用的離子活性劑主要含有CO3-、SO42-等成分。

表3 水泥的化學組成

表4 磷石膏化學組成成分

1.2 試驗方法

對穩定土采用無側限抗壓強度試驗，細粒土試模為直徑×高度=50mm×50mm的圓柱形。像土中加入配制好的穩定劑和水，攪拌均勻，浸潤一段時間后按計算好的質量加入試模中，將試模置于壓力機上以1mm/min的速率加載。試件壓實后靜載2min，再卸載脫模。試件制作完成后，放入溫度20±2℃，相對濕度95%以上的養護室中養生，養護至最后1d浸水養護。無側限抗壓強度采用30kN萬能電子試驗機進行，加載速率為1mm/min，采用計算機記錄應力應變關系曲線，記錄破壞時的最大壓力P，并計算試件的無側限抗壓強度。

2 結果與分析

2.1 單摻試驗結果

分析水泥土無側限抗壓強度的數據見圖3，當水泥摻量在8%～10%之間時強度增長速率最快，7d強度分別達到0.65MPa和0.84MPa，可以通過添加磷石膏和活的性劑的方式繼續提高強度。

圖3 水泥穩定土強度增長規律

使用磷石膏取代部分水泥見圖4，水泥摻入量固定在10%，分別使用20%～80%磷石膏取代部分水泥。如圖可見磷石膏取代率存在一個最佳值，對于不同齡期而言該最佳摻量略有不同，在7d齡期下的最佳取代率大約為38%，28d齡期的最佳值為40%左右。當使用過量磷石膏取代主劑則會大大降低穩定土的強度，當取代率達到60%以上時，甚至會使穩定土試件膨脹脹裂，使強度降低60%以上。

圖4 強度隨磷石膏的取代率變化情況

2.2 復摻試驗結果

試驗采用響應面法來確定水泥、磷石膏和活性劑三者之間的關系。根據單摻試驗結果，綜合考慮穩定效果和成本因素，控制摻量：水泥4%～8%；磷石膏1%～4%；活性劑0.1%～0.3%。試驗按3因素3水平分別進行編碼轉換。

將X3（活性劑）固定在編碼為0的水平上（即0.2%摻量水平），得到穩定土7d齡期時水泥和磷石膏交互作用的二維等高線和三維響應面，如圖5所示。從圖中可以看出，穩定土7d強度隨水泥摻量的增加而提高。這是因為水泥和土中元素發生水化反應、火山灰反應、碳酸化反應等多種反應，產物中含有具有膠結能力的物質，如水化硅酸鈣和鈣礬石。

圖5 水泥-磷石膏交互作用

對于磷石膏對強度的影響則較為復雜。當水泥摻量較低（約4%～6.6%）時，隨磷石膏摻量的增加，強度呈現先增加后降低的趨勢。這是因為磷石膏摻入較小時，與水泥共同組成復合穩定劑，水泥和磷石膏水合物在堿性環境中與土壤活性物質發生反應生成鈣礬石，磷石膏含量少時，膨脹物質填充了穩定土的孔隙，從而使土壤結構更加牢固，進而導致強度提高。當磷石膏含量較多時，膨脹性礦物組分的總量過大，過度膨脹會導致土壤結構破壞和強度損失；而當水泥摻量較高（約6.6%～8%）時，磷石膏摻量的增加會導致強度不斷上升，但增長速率逐漸變緩。這是因為加入適量的水泥，相當于降低了磷石膏的相對含量，抑制混合料的膨脹性。應當注意的是，由于磷石膏對強度的作用存在兩面性，因而在工程中需控制添加用量，不宜超過水泥用量的一半，且一般不宜單獨使用。

為確保配制的穩定土7d強度滿足規范要求，將優化標準設置為7d強度1.2MPa，28d強度達1.8MPa。通過響應面軟件優化結果，可得水泥、磷石膏和活性劑的最佳配合比為8%：3%：0.25%，在此配合比下的7d無側限抗壓強度可達到1.455MPa，28d無側限抗壓強度達到1.804MPa。

3 微觀試驗分析

采用環境掃描電鏡（ESEM）在更小尺度上研究了試樣穩定前后的形態學特征。

試驗檢測了養護14d后的三種不同磷石膏摻加量的穩定土試樣，在6%水泥和0.2%的活性劑基礎上分別添加1%、2.5%和4%磷石膏，觀察土壤結構、水化產物和孔隙率的變化。

圖6（a）為摻加1%磷石膏的SEM圖，圖6（a）中可見水泥基土壤穩定劑水化產物CSH凝膠已經將土顆粒黏結起來，但仍可以看見土顆粒之間的縫隙，土顆粒的外貌清晰可辨。圖6（b）為摻加2.5%磷石膏的SEM圖，圖中可見水化產物CSH凝膠進一步增多，其將土顆粒包裹起來，并有效地進行了黏結。并且可以看到六方棱柱狀AFt晶體和纖維狀CSH凝膠縱橫交替搭接成網狀結構，插入固體顆粒縫隙之間或填充在原先被水或氣體占據的孔隙之中，形成“微加筋土”結構。圖6（c）為摻加4%磷石膏的SEM圖，圖6（c）中可見土顆粒間的孔隙變大，周圍有大量的凝膠與結晶物質，可能是鈣硅石結晶與AFt結晶膨脹，反而使顆粒彼此之間聯結形式發生改變，由于AFt晶體的膨脹性，能使加固土的體積在短時間內迅速膨脹，產生過大的膨脹力，當膨脹力大于孔隙間聯結力時，使其粒間膠結力下降，導致其強度下降。

圖6 掃描電鏡結果

微觀試驗表明，適當摻加（2.5%）石膏晶體在穩定的土壤中生長并聚集在一起，聚集了原有的土壤顆粒，填充了孔隙，可以有效改善穩定土的性質。低摻量（1%）以及高摻量（4%）會造成膠結力不強或膠結力下降等問題，導致強度不足。

4 結語

（1）文中使用水泥、磷石膏和活性劑作為穩定材料，發現當磷石膏對水泥的取代率在30%～50%左右時可以使穩定土強度最高提升30%以上。

（2）采用響應面法優化得到水泥、磷石膏和激活劑的最佳配合比為w1=8%；w2=3%；w3=0.25%，7d強度達到1.455MPa可以滿足用作道路底基層的強度要求。

（3）通過SEM發現適當摻量的磷石膏可以使得水化產物增多、土壤結構更加密實以及增強土壤顆粒之間的連接等作用，少量和過量均會導致膠結力不足，從而使得強度下降。