磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料應(yīng)用研究

劉志浩， 胡波， 吳元欣 ， 劉浩， 徐靜， 代攀， 葉哲強(qiáng)， 陳昌彪

(1.湖北聚海環(huán)境科技有限公司, 湖北 武漢 430040;2.湖北江漢工程咨詢有限公司, 湖北 武漢 430041)

磷石膏主要有灰黑色和灰白色兩種，顆粒直徑一般為5～50 μm，結(jié)晶水含量為20%～25%。磷石膏是磷礦濕法制造磷酸的副產(chǎn)物，工業(yè)生產(chǎn)中常用二水法生產(chǎn)磷酸，每生產(chǎn)1 t磷酸會(huì)產(chǎn)生4.5～5.5 t磷石膏。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年，中國(guó)磷石膏總堆存量超過(guò)6億t，年排放量約7 500萬(wàn)t(其中湖北省磷石膏年排放量2 255萬(wàn)t，約占全國(guó)的30%)，而年使用量?jī)H3 100萬(wàn)t，磷石膏消納綜合利用的速度趕不上增量，更談不上消納存量。目前磷石膏大多采用露天堆放處理，不僅造成土地資源浪費(fèi)，而且磷石膏中殘留的強(qiáng)酸、磷、氟、有機(jī)物等雜質(zhì)隨著雨水進(jìn)入地下和河流，污染土地和水資源，給人民群眾的生產(chǎn)、生活及身體健康帶來(lái)巨大危害。由于公路工程建設(shè)需要消耗大量原材料，將廢棄磷石膏通過(guò)技術(shù)處理再生成符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的石膏建材，再將再生磷石膏作為道路基層材料使用，既能變廢為寶，促進(jìn)資源的節(jié)約、集約利用，又能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，符合節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策。

1 再生磷石膏穩(wěn)定基層

1.1 原材料

(1) 再生磷石膏。磷石膏取至湖北大悟黃麥嶺磷石膏堆場(chǎng)，為顆粒直徑為150～300 μm的尾礦(見圖1)。采用磷石膏協(xié)同再生處理技術(shù)，通過(guò)脫水干化、粉磨、高溫煅燒(研究表明，將溫度上升至200～400 ℃，五氧化二磷可轉(zhuǎn)化為較難溶解的磷酸鹽；溫度上升到950 ℃左右時(shí)，有機(jī)磷中的五氧化二磷含量降低至極限，氟含量也明顯降低，磷石膏的有害性得到基本控制)制成磷石膏粉(見圖2)。其化學(xué)檢測(cè)指標(biāo)見表1，物理性能見表2，均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 處理前磷石膏

圖2 處理后磷石膏

表1 磷石膏的化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表2 磷石膏的物理性能檢測(cè)結(jié)果(3.0等級(jí))

(2) 廢棄土。采用液限小于50%、塑性指數(shù)小于26、含水量小于25%的廢棄土，要求其不含草皮、生活垃圾、樹根、腐殖質(zhì)性土。

(3) 再生輕集料。采用湖北聚海環(huán)境科技有限公司生產(chǎn)的0～5 mm輕骨料，密度為700～800 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》、JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，選用甲法進(jìn)行試驗(yàn)。因試驗(yàn)材料再生磷石膏為直徑45～150 μm的粉料，廢棄土的粒徑也小于4.75 mm，采用小型擊實(shí)筒，采用重型擊實(shí)。

1.2.1 方案一：再生磷石膏與廢棄土摻配

采用濕土法制作土樣，按四分法至少制備5個(gè)土樣,用天然含水率的土樣作為第一個(gè)樣品，其余樣品分別按2%～3%含水率遞減。再生磷石膏拌和后在1 h內(nèi)完成擊實(shí)試驗(yàn)，得到最佳含水率和最大干密度。根據(jù)最大干密度和最佳含水率，采用JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中靜壓法成型試件，在(20+2) ℃養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)6 d后泡水1 d。將已浸水1 d的試件從水中取出，放在承載比試驗(yàn)儀上進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

為充分發(fā)揮再生磷石膏的固有建材特性，以磷石膏基為膠凝材料形成高性能復(fù)合道路基層。在前期大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取再生磷石膏摻量分別為60%、70%、80%、90%進(jìn)行基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)并進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 方案一各摻配比例下磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：除再生磷石膏與廢棄土摻配比例為60∶40時(shí)不滿足要求外，其他摻配比例下強(qiáng)度均滿足各等級(jí)公路底基層強(qiáng)度和二級(jí)及以下公路基層的技術(shù)要求。

1.2.2 方案二：再生磷石膏與輕集料摻配

采用干法制作土樣。將再生磷石膏與輕集料按比例進(jìn)行摻配，加水拌和均勻后在1 h內(nèi)完成擊實(shí)試驗(yàn)。用天然含水率的土樣作為第一個(gè)樣品，其余樣品分別按2%～3%含水率遞增進(jìn)行擊實(shí)，得到最佳含水率和最大干密度。根據(jù)最大干密度和最佳含水率，采用JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中靜壓法成型試件，在(20+2) ℃養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)6 d后泡水1 d。將已浸水1 d的試件從水中取出，放在承載比試驗(yàn)儀上進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

以磷石膏基為膠凝材料形成高性能復(fù)合道路基層，選取再生磷石膏摻量分別為60%、70%、80%、90%進(jìn)行基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)并進(jìn)行路用性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 方案二各摻配比例下磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

再生磷石膏屬于氣硬材料,遇水后凝結(jié)較快，考慮到凝結(jié)過(guò)快不利于現(xiàn)場(chǎng)施工，添加緩凝劑。相關(guān)研究表明：緩凝劑摻量小于0.2%時(shí)，磷石膏的凝結(jié)時(shí)間隨緩凝劑摻量的變化較平緩；摻量大于0.2%時(shí),磷石膏的凝結(jié)時(shí)間隨緩凝劑摻量增加而延長(zhǎng)。選用再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10，緩凝劑摻量為0、0.1%、0.3%、0.5%分別進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同緩凝劑摻量下再生磷石膏與輕集料摻配比例為 90∶10時(shí)磷石膏基穩(wěn)定基層材料的抗壓強(qiáng)度

由表5可知：在未摻緩凝劑時(shí)，再生磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料1 h后即結(jié)塊硬化，不滿足施工要求；在摻0.1%緩凝劑時(shí)，2 h后即結(jié)塊硬化，不滿足施工要求；在摻0.3%緩凝劑時(shí)，3 h后未出現(xiàn)結(jié)塊硬化現(xiàn)象且強(qiáng)度損失較小，滿足施工要求；在摻0.5%緩凝劑時(shí)，3 h后未出現(xiàn)結(jié)塊硬化現(xiàn)象且強(qiáng)度未損失，滿足施工要求。

再生磷石膏是采用脫水干化、粉磨、高溫煅燒技術(shù)將磷石膏中二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)轉(zhuǎn)化成半水硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O)，恢復(fù)其建筑材料的功能。再生磷石膏屬于氣硬材料，水化反應(yīng)硬化后具有多封閉的細(xì)微孔和水穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，需加入防水劑，解決吸水率大和遇水軟化的問(wèn)題，提高硬化后強(qiáng)度。選用再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10，緩凝劑摻量為0.3%，防水劑摻量為0、0.1%、0.3%、0.5%進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)其泡水后軟化性能，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同防水劑摻量下再生磷石膏與輕集料摻配比例為 90∶10時(shí)磷石膏基穩(wěn)定基層材料泡水后性能

由表6可知：未摻防水劑時(shí)，再生磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料泡水1 d后強(qiáng)度損失50%；摻0.1%防水劑時(shí)，泡水1 d后強(qiáng)度損失30%；摻0.3%防水劑時(shí)，泡水1 d后強(qiáng)度損失10%；摻0.5%防水劑時(shí)，泡水1 d后強(qiáng)度損失9%。摻0.3%和0.5%防水劑時(shí)強(qiáng)度損失較小，考慮后期經(jīng)濟(jì)成本，選用0.3%防水劑摻量。

2 路用性能比較分析

選用再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10，緩凝劑摻量為0.3%，防水劑摻量為0.3%的再生磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度檢測(cè)，并與水泥穩(wěn)定基層材料進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果見表7。

由表7可知：與水泥穩(wěn)定碎石基層材料相比，磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料的密度小、強(qiáng)度高，滿足各等級(jí)公路路面基層的技術(shù)要求。

表7 磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料和水泥穩(wěn)定基層材料性能試驗(yàn)結(jié)果

3 經(jīng)濟(jì)比較分析

3.1 方案一

以長(zhǎng)度1 000 m、寬度24 m、厚度0.2 m的路基工程為例，其材料用量為4 800 m3，分別計(jì)算再生磷石膏與廢棄土摻配比例為70∶30和90∶10磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層的材料費(fèi)用，并與5%水泥穩(wěn)定基層的材料費(fèi)用進(jìn)行比較。再生磷石膏與廢棄土摻配比例為70∶30時(shí)，最大干密度為1.665 g/cm3，壓實(shí)度取97%，所需材料為7 752 t；再生磷石膏與廢棄土摻配比例為90∶10時(shí)，最大干密度為1.602 g/cm3，壓實(shí)度取97%，所需材料為7 459 t；5%水泥穩(wěn)定基層的最大干密度為2.360 g/cm3，壓實(shí)度取97%，所需材料為10 998 t。兩種基層的經(jīng)濟(jì)性比較見表8。

由表8可知：與5%水泥穩(wěn)定基層相比，采用最佳配合比(再生磷石膏與廢棄土摻配比例為90 ∶10)的磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層，每公里可節(jié)約材料費(fèi)用26.7%。

表8 方案一下磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層與水泥穩(wěn)定基層的經(jīng)濟(jì)性比較

3.2 方案二

以長(zhǎng)度為1 000 m、寬度為24 m、厚度為0.2 m的路基工程為例，其材料用量為4 800 m3，分別計(jì)算再生磷石膏與輕集料摻配比例為60∶40和90∶10時(shí)磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層的材料費(fèi)用，并與5%水泥穩(wěn)定基層的材料費(fèi)用進(jìn)行比較。再生磷石膏與輕集料摻配比例為60∶40時(shí)，最大干密度為1.470 g/cm3，壓實(shí)度取97%，所需材料為6 844 t；再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10時(shí)，最大干密度為1.503 g/cm3，壓實(shí)度取97%，所需材料為6 998 t；5%水泥穩(wěn)定基層的最大干密度為2.360 g/cm3，壓實(shí)度取97%，所需材料為10 998 t。兩種基層的經(jīng)濟(jì)性比較見表9。

表9 方案二下磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層與水泥穩(wěn)定基層的經(jīng)濟(jì)性比較

由表9可知：與5%水泥穩(wěn)定基層相比，采用最佳配合比(再生磷石膏與輕集料摻配比例為90∶10)磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層，每公里可節(jié)約材料費(fèi)用8.9%。

4 碳排放量比較分析

再生磷石膏是采用協(xié)同處理技術(shù)的資源綜合利用，不需要單獨(dú)消耗能源。而生產(chǎn)水泥熟料需燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤炭提供熱能，會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。以磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石基層材料中的砂石骨料，可避免開采和破碎環(huán)節(jié)產(chǎn)生的能源消耗及由此產(chǎn)生的二氧化碳排放。采用再生磷石膏，無(wú)需專有能源，能達(dá)到零碳或負(fù)碳排放。相比水泥穩(wěn)定基層，采用磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層，在節(jié)約煤炭資源消耗的同時(shí)可減少約438 t/km 二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)綠色低碳環(huán)保。

5 磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層的應(yīng)用

試驗(yàn)段為湖北聚海環(huán)境科技有限公司磷石膏全產(chǎn)業(yè)鏈綜合開發(fā)利用科技園進(jìn)園區(qū)道路，路線全長(zhǎng)約480 m，道路紅線寬 20 m。再生磷石膏與輕集料摻配比例為70∶30，緩凝劑摻量為0.3%，防水劑摻量為0.3%。將磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料用于路面基層底基層施工，采用集中廠拌的生產(chǎn)工藝。每層攤鋪厚度控制在25 cm,在3 h內(nèi)完成攤鋪。碾壓工序?yàn)殡p鋼輪壓路機(jī)初壓1遍→單鋼輪壓路機(jī)強(qiáng)振2遍→單鋼輪壓路機(jī)弱振1遍→膠輪壓路機(jī)靜壓1遍。施工后覆蓋土工膜，養(yǎng)生1 d，養(yǎng)生期間禁止施工設(shè)備與車輛通行。

施工完后進(jìn)行檢測(cè)，最大干密度為1.465 g/cm3，壓實(shí)度為98.6%，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5.25 MPa，芯樣強(qiáng)度為5.0 MPa，滿足要求。磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料能滿足各等級(jí)公路路面底基層的技術(shù)要求。

施工注意事項(xiàng)：1) 在拌和機(jī)械選用時(shí)，考慮到再生磷石膏摻配比例很高，按照4～6個(gè)料倉(cāng)配置。因再生磷石膏為45～150 μm的粉料，對(duì)料倉(cāng)進(jìn)行密封和除塵。拌和用水量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度在最佳含水率上增加0.5%～1.0%。2) 由于磷石膏基道路復(fù)合穩(wěn)定基層材料的密度較小，松鋪系數(shù)較大，鋪筑厚度受限，最大設(shè)計(jì)厚度為25 cm。3) 考慮到磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料較細(xì)，碾壓后表面較光滑，不利于下層的黏結(jié)，先用羊足碾壓路機(jī)進(jìn)行靜壓，再用鋼筒式壓路機(jī)進(jìn)行復(fù)壓，最后用輪胎壓路機(jī)收面。

6 結(jié)論

(1) 高溫煅燒后磷石膏中氟、磷等有害污染物能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，使用時(shí)采用防水劑對(duì)其進(jìn)行固化，將其應(yīng)用于道路工程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。

(2) 再生磷石膏基道路穩(wěn)定基層材料具有良好的耐候性、高穩(wěn)定性、資源節(jié)約性、環(huán)保節(jié)能性，符合公路基層設(shè)計(jì)和施工技術(shù)要求。

(3) 將再生磷石膏應(yīng)用于公路建設(shè)，既能減少磷石膏的庫(kù)存量，又能減小公路建設(shè)對(duì)砂石料的依賴，節(jié)約自然資源，促進(jìn)綠色公路建設(shè)。