磷石膏作為土壤調理劑在路基工程中的應用

何俊輝

摘要 水泥和石灰作為傳統道路建筑材料在生產和使用中具有高能耗和高耗能的特點，不宜應用于為實現“雙碳”目標構建的循環經濟體系。由于道路工程對原材料的需求仍然很高，現代施工工藝已能將磷石膏作為水泥和石灰的替代料，以解決道路建設中傳統材料成本過高的問題，同時也能擴大其在工業生產中的應用規模。文章介紹了磷石膏的基本特征，及磷石膏作為土壤調理劑對膨脹土、粉質土、軟土、紅黏土和黃土進行加固，應用于路基工程的關鍵技術。

關鍵詞 磷石膏；土壤調理劑；路基工程

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0099-03

0 引言

中國國內基礎設施建設目前處于多元化發展階段，水泥和石灰具有優異的凝固效果，作為傳統的土壤路基穩定劑，廣泛應用于道路工程中[1]。然而，水泥和石灰石的生產需要消耗大量天然原材料，生產過程中會排放大量有害物質，如二氧化碳、三氧化硫和氮氧化物[2]。隨著我國環境保護力度的不斷加大，許多礦山已被禁止開采，造成了水泥和石灰等原材料價格大幅上漲，導致基礎設施建設成本攀升。為降低道路建設成本和保護生態環境，需要探索利用工業廢棄物替代水泥和石灰作為土壤路基穩定劑的施工工藝。將工業副產物磷石膏作為土壤改良劑，用于土壤加固和地面改善等具有一定的經濟效益，符合可持續發展理念，已經成為人們關注的焦點。

1 磷石膏的基本特征

磷石膏呈灰白、灰黃、淺綠等粉狀，是工業濕法生產磷酸和磷酸鹽的副產物。磷石膏的化學成分與天然石膏相似，主要為二水硫酸鈣，只是磷石膏中還含有一些雜質如氟化物和磷化物等，在從半水石膏轉化為二水石膏的過程中，通過初始期、誘導期、加速期和減速期，半水石膏溶解，二水石膏晶體持續長大，最終出現石膏結塊硬化現象。近年來，隨著經濟的發展，全球磷石膏年產量逐年上升，中國磷石膏產量每年超過5.0×107 t，具有以堆積存放為主和利用率低的特點[3]。全球磷石膏的利用率很低，大部分副產品磷石膏基本都放在堆場或者直接丟棄，副產品磷石膏直接廢棄，不僅造成資源浪費，還會造成環境污染。為了提供一種可持續的廢石膏再利用方法，人們進行了許多研究，探索副產物石膏在多項工程中的回收利用。石膏在第一次世界大戰的后期被德國萊維爾庫申的拜耳工廠為原材料首次成功生產硫酸和水泥，之后工業副產物磷石膏也被用于替代石膏原料生產相關產品[4]。1980年，美國學者第一次利用磷石膏改善黏土，應用于道路工程研究中。分析結果表明磷石膏與土壤混合后具有穩定的結構。但是大量的磷石膏表現出對土壤的抗壓和抗水效果較差，在路基中過量使用磷石膏會導致路面膨脹而形成裂縫，因此需要開發多樣化的磷石膏利用工藝以滿足道路施工需求。

使用工業廢料作為路基的潛在穩定劑具有成本效益。磷石膏是湖北、云南、貴州、四川和安徽五省大量產生的工業廢物，在我國很容易獲得。現已探索使用大量磷石膏廢料作為潛在各種土壤路基改良劑，開發了一系列由不同比例磷石膏、石灰、粉煤灰和堿性氧氣爐渣等混合而成的復合材料作為改良劑，但由于未經處理的磷石膏存在氟、磷、有機質和放射性核元素等成分，使用未經處理的磷石膏作為改良劑，將會最終影響路基的巖土性能和微觀結構。用處理后的磷石膏、粉煤灰和堿性氧氣爐渣等作為土壤穩定劑，其在與土壤結合過程中主要是與各種硅酸鈣、硅酸鎂、硅酸鈣水合物和鋁酸鈣水合物的形成有關，使土壤的壓實特性、一致性、強度、變形性、壓縮性、剪切特性、膨脹特性和耐久性得到改善，穩定后的土壤滿足道路路基的規范。使用工業副產物磷石膏作為土壤改良劑，不僅可以改善土壤的工程性能，還能提供應對磷石膏處置和環境污染的解決方案。

2 磷石膏作為不同種類土壤調理劑

長期大量堆放的磷石膏不僅占用寶貴的土地資源，還會對土地、地下水、河流、大氣等造成大量污染，最終危害人類健康，因此提高磷石膏的綜合利用迫在眉睫。隨著綜合利用工藝的發展，利用現有的工藝設備作為支撐，已有大量的研究和應用將磷石膏作為路基土壤改良劑，使改良后的土壤達到工程要求。磷石膏對不同土質的增強效果差異很大，在施工時應注意磷石膏施工技術對土層的適用性，采用正確的加固土強度試驗方法才能對磷石膏調理效果進行正確評價。接下來介紹磷石膏作為土壤調理劑對膨脹土、粉質土、軟土、紅黏土和黃土進行加固，及在路基工程中的應用。

2.1 磷石膏作為膨脹土土壤調理劑

膨脹土親水性很強且對環境濕熱變化非常敏感，其遇水膨脹和失水收縮，因此膨脹土具有黏土礦物收縮膨脹的特性。如果在道路工程中處理不當，將對道路造成巨大的破壞，因而其在自然形態下直接應用于道路工程，將存在一定的問題[5]。為保證膨脹土路基具有足夠的剛度，可以使用許多材料和技術來穩定土壤，使膨脹土更適用于道路施工，具體的方法為在膨脹土路基頂部鋪設一定層厚的非膨脹性填料，從而滿足路面對路基的剛度要求。目前已開發了將磷石膏作為膨脹土穩定的添加劑和技術，系統探討了它們在改善膨脹土工程性能方面的效率，研究了磷石膏與膨脹土微觀結構、相互作用和化學過程。

馮巧云[6]研究了在膨脹土中加入適量的磷石膏和電石渣可以有效地增加膨脹土的加州承載比，達到改善膨脹土力學性能的目的，使路基膨脹土具有足夠的剛度。在磷石膏和電石渣同時加入膨脹土時，可對膨脹土進行復合改良。磷石膏和電石渣的初期水解和水化反應會有部分硅酸鈣和鈣礬石生成，后期水分子蒸發出現結晶現象，并伴隨出現棒狀晶體，黏土顆粒間生成新的黏結力，晶體與土顆粒相互楔入，達到提高膨脹土抵抗承載變形能力的目的。

2.2 磷石膏作為粉質土土壤調理劑

粉質土粒組中因含有較多的粉粒而呈現出干燥時極易散落、潮濕時略帶有黏性、不能搓成土條或土球等特點，并且表現為水穩定性差和顆粒間摩擦力小，不是理想的路基填料[7]。在施工工程中粉質土還具有強度低、級配差和荷載差等特點。粉質土路基灑水后因地震液化性而出現水坑，給施工帶來諸多不便。目前已有將水泥等材料作為粉質土路基改良劑，增加路基的強度和承載比，保證工程質量。通過開發磷石膏等為土壤穩定技術的調理劑，改善粉質土的物理力學性質，提高其承載能力，使粉質土適用于路基工程，不僅能保證工程質量，還可以降低工程造價。

Haoming Ren等[8]研究人員在施工現場用磷石膏作為粉質土調理劑進行研究，并且同時建立了含有固化劑但不含磷石膏的實驗組。通過電子掃描顯微鏡等儀器觀察微觀結構和定量分析，添加磷石膏可以顯著改善固化粉質土的壓縮模量，7～14 d是最合適的養護時間，在第14 d壓縮模量達到最大值，14 d之后壓縮模量為下降階段。通過添加磷石膏代替部分固化劑，可以降低工程成本，是土壤改良的發展方向之一。磷石膏穩定土能夠形成良好的板體，通過設計滿足工程要求，成功使磷石膏變廢為寶。

2.3 磷石膏作為軟土土壤調理劑

軟土在我國分布廣泛，是我國最常見的土壤之一，主要位于沿海、沖積平原、洼地等地帶[9]。軟土中富含有機物并具有蜂窩狀結構，具有較大的孔隙率、較高的含水率、壓縮性大和抗剪強度低等特點，因此在軟土層會對道路的修建產生影響，處理不當會造成過量沉降或路基失穩，需要對軟土層進行處理才能保證道路工程的質量[10]。現已有研究將磷石膏用于加固軟土地基，此技術具有顯著的經濟、技術和環境效益，并且當磷石膏和水泥等材料配合使用時，不但拓寬了技術適用的土質范圍，而且可大幅度提高加固土的強度，具有更廣闊的實用性和適用性。

李玉壽[11]研究人員針對軟土路基常存在剝落、崩塌、滑坡、沉落和凍脹等病害，對含有有機質含量較高和較低的軟土分別加入磷石膏、粉煤灰和同時加入磷石膏與粉煤灰。通過實驗發現在有機質含量較高的軟土中磷石膏和粉煤灰復合加固效果最好，磷石膏作用強于粉煤灰；有機質含量較低的軟土中磷石膏和粉煤灰復合加固效果最好，粉煤灰作用強于磷石膏。對于有機質含量較高的軟土路基，需要采用適當比例的磷石膏、粉煤灰和水泥才能取得較好的加固作用，具有顯著的技術經濟效益。

2.4 磷石膏作為紅黏土土壤調理劑

紅黏土在我國黃河以北地區分布廣泛，具有承載、抗壓和抗剪能力強的特性。紅黏土具有高天然含水量和高液限等物理性質，因此用于路基時將造成高裂隙性、高收縮率和高水敏性等不良特征。紅黏土路基同時還具有壓實困難和干縮開裂嚴重的特點，在開挖與攤鋪過程中易黏附在車輛和壓路機上，這些都將影響紅黏土在公路工程中的應用，必須采取一定的技術措施對紅黏土進行處治后才能應用于公路工程中，使其具有一定的強度和承載力，從而可以保證路基的穩定性和使用質量。有研究表明，紅黏土的液塑限和含水率隨著分布深度增大而增加，從而具有水敏性的特征，含水率較低容易出現開裂，含水率太高又容易泥化，為了使其在路基工程中得以應用，須將紅黏土作為路基填料需要對其進行改良[12]。有研究將磷石膏應用于紅黏土調理劑，改良后的紅黏土具有較好的剛度、水穩定性、強度和路用性能，此技術不僅可以改善紅黏土不宜作為路基材料的工程性質，還能解決磷石膏堆放帶來的土地占地和環境污染等問題。

陳開圣等[13]研究人員針對在紅黏土中加入磷石膏等材料后的穩定料作為路基填料理論上可行，系統研究了混合料基本性能、抗壓強度、水穩性、動力特性、承載能力和微觀結構。通過實驗發現混合料強度隨磷石膏含量增加先增大后減小，混合料水穩性隨磷石膏含量增加而增大，加入適量外加劑比如水泥等能與混合料發生反應，在其表面形成板面，將降低混合路基填料的滲水性和增加其水穩定性。楊德忠等[14]研究人員針對磷石膏資源浪費和紅黏土工程特性問題，建議磷石膏和紅黏土使用比例為1∶1，水泥用量和水玻璃摻量分別為4%和2%，此方案同時滿足減少水泥用量和增加磷石膏摻量的目的，并且能夠達到路基對水穩定性和強度的要求。

2.5 磷石膏作為黃土土壤調理劑

我國幅員遼闊，地理和氣候差異大，黃土主要分布在干旱、半干旱地區。黃土是一種以粉粒為主、多孔隙、天然含水量小的黏質土，具有濕陷性、滲透性、易崩解等特性。由于黃土具有上述特性，在各種自然因素，尤其在雨水侵蝕作用下，會導致公路產生各種嚴重病害，并且濕陷性黃土在自然環境作用下對公路的危害更為嚴重。我國黃土的組成成分、沉積厚度、力學性質等存在地域差異，因黃土具有濕陷性，如果黃土濕陷下沉量和下沉速度過大，會導致路基沉降，因此需要對路基中原有的黃土進行改良[15]。可以通過使用處理后的磷石膏加石灰的方案改善土壤的力學性能，提高土壤的強度，采用去除原有土層，然后回填的方案應用于具體路基工程中。已有研究用磷石膏改良綜合處治濕陷性黃土路基水穩定性和抗凍穩定性兩方面的路用性能，確保改良后的黃土在滿足強度和抗壓回彈模量標準的基礎上具有良好的路用性能。

趙蒙等[16]研究人員針對黃土具有強親水性、顆粒級配不同層位差異明顯等特性，對改良的黃土進行了較為全面和系統的研究。在黃土中摻入磷石膏和水泥等摻加料，系統研究了改良黃土的抗滲性、抗凍性、微觀結構和強度特性。實驗表明磷石膏和水泥共同改良黃土的效果較好，能提高黃土的抗滲性、抗壓性、抗凍性等特性，磷石膏能使水泥水化產物鈣礬石大量增加，改良黃土網狀骨架，從而提高土顆粒之間的膠結強度。結果表明此項治理技術對治理病害路基沉降效果明顯，可以解決磷石膏堆積污染問題，同時在保證工程質量的前提下促進磷石膏的綜合利用，不但可以降低工程成本，還可以取得可觀的社會和經濟效益。

3 結語

路基作為道路的生命，發揮著非常重要的作用。我國疆域遼闊，各地情況不盡相同，存在著多種土壤種類，需要對這些土壤進行固化才能滿足路基施工要求。我國磷石膏的儲存量很大，發展磷石膏資源化利用工藝，是減少環境污染、解決企業困擾和實現企業可持續發展的必然之路。將磷石膏用于穩定不同路基土壤結構，滿足施工要求，顯著降低磷石膏的存放量。總之，磷石膏是路基工程建設中值得廣泛普及的二次資源，其通過適當處理后可以成為一種質優價廉的道路施工材料，經過合理的配合比應用可以確保道路的暢通性、安全性和使用壽命。

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