改性磷石膏在道路基層中的應(yīng)用

潘屹立

中國(guó)化學(xué)工程第十六建設(shè)有限公司 湖北宜昌 443000

1 工程概述

磷石膏是以硫酸濕法制取磷酸時(shí)產(chǎn)生的一般工業(yè)固體廢物，含有一定有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷殘留成分，使得磷石膏呈酸性。按目前的生產(chǎn)工藝，每生產(chǎn)1t 磷酸排出4t 左右的磷石膏。湖北省磷礦資源保有資源量、年開采量、磷化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模、磷肥產(chǎn)量均居全國(guó)第一，也是磷石膏產(chǎn)生第一大省。全省現(xiàn)有31 家磷石膏產(chǎn)生企業(yè)，2020 年，產(chǎn)生磷石膏2996 萬(wàn)t，綜合利用1073.5 萬(wàn)t，綜合利用率僅為35.8%?，F(xiàn)有磷石膏堆存量約3.07 億t，占全國(guó)一半。宜昌市又是湖北磷石膏大市，每年的磷石膏產(chǎn)量占全省一半以上。

2018 年10 月，中國(guó)化學(xué)工程第十六建設(shè)有限公司承接了湖北宜昌枝江姚家港化工園區(qū)（北控片區(qū)）場(chǎng)地平整及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目總用地面積約880 畝，一期用地面積約400 畝，一期項(xiàng)目投資20 億元，建設(shè)周期24 個(gè)月。其中涉及到道路工程。道路路基寬分別為9.0m、15.0m、6m 等。

2 道路基層設(shè)計(jì)的一般要求

根據(jù)受車輛荷載大小和形式不同，將基層路面系統(tǒng)劃分成多層系統(tǒng)，從上而下分別稱為路面結(jié)構(gòu)、上路床、下路床、上路堤和下路堤，其中路面結(jié)構(gòu)可再細(xì)分為瀝青(砼)路面、基層和底基層(后者視線路等級(jí)而有所區(qū)別)。而上路床、下路床、上路堤和下路堤則稱為路堤?；鶎勇访嫫拭嫒鐖D1 所示。

圖1 基層路面剖面圖（單位：m）

為了使路堤能夠提供足夠強(qiáng)度和剛度，基層質(zhì)量從填料選擇和路堤填筑施工兩方面來(lái)控制?；鶎犹盍系闹笜?biāo)由承載比（CBR）表示，路堤填筑施工由壓實(shí)度?；鶎犹盍献钚BR 要求如表1、表2 所示，路床壓實(shí)度要求如表3所示。

表1 基層填料最小CBR要求

表2 路床填料最小CBR要求

表3 路床壓實(shí)度要求

3 磷石膏特性及施工技術(shù)難點(diǎn)分析

合格的基層材料和路面基層材料至少應(yīng)具有4 項(xiàng)基本性質(zhì)：強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度應(yīng)滿足工程需要；有足夠的水和溫度的穩(wěn)定性；有足夠的整體穩(wěn)定性；對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)嚴(yán)重影響。

單純磷石膏施工存在以下問(wèn)題：

（1）磷石膏轉(zhuǎn)化成具有膠凝性的半水石膏，一般工藝是煅燒，但磷石膏含水，煅燒需要消耗更多額外能源；

（2）與水化硅酸鈣相比，β- 半水石膏水化結(jié)晶的二水石膏晶粒粗大，強(qiáng)度低，即膠凝性差。事實(shí)上也很少在石膏制品中加入其他填料；

（3）如果全部以煅燒磷石膏充填基層或路面基層，不添加集料，就目前情況而言，石膏水化產(chǎn)物孔隙大，會(huì)形成水的通道，遇水軟化，也不具可行性。

因此，以單一磷石膏（煅燒磷石膏）作為無(wú)機(jī)結(jié)合料，其強(qiáng)度和水穩(wěn)性都難以達(dá)到工程要求，不具可行性。對(duì)于單一磷石膏，除了存在強(qiáng)度問(wèn)題，還有水穩(wěn)性問(wèn)題。各種石膏都具有一定的可溶性，這是石膏的內(nèi)稟特性。20℃時(shí)，二水石膏溶解度為2.08g/ L，α- 半水石膏為6.20g/ L，β- 半水石膏為8.15g/ L。當(dāng)有流動(dòng)水作用于磷石膏顆粒時(shí)，比如位于地下水位以下時(shí)，石膏一定會(huì)發(fā)生溶解，整體變得疏松，強(qiáng)度顯著降低。對(duì)于沒有膠結(jié)的石膏顆粒含水量高時(shí)會(huì)直接液化，水穩(wěn)定性更差。

通過(guò)添加其他無(wú)機(jī)膠凝材料，如高分子固結(jié)材料，則有可能使磷石膏為主的復(fù)合體在強(qiáng)度和耐水性方面達(dá)到路用要求，實(shí)現(xiàn)其在基層和路面底基層中的大規(guī)模應(yīng)用。但鑒于石膏溶解度較大這一內(nèi)稟特性，這一體系可能更適合用于較干燥道路，以及道路位于地下水位以上的部位。

在強(qiáng)度和水穩(wěn)性問(wèn)題解決之后，將磷石膏用作道路材料還需解決溫度穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性和環(huán)境友好的問(wèn)題。對(duì)于環(huán)境友好這點(diǎn)而言，磷石膏中可溶性磷會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，可溶氟會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，進(jìn)入地下水系統(tǒng)直接影響道路沿線的人居安全。為解決此問(wèn)題，一是通過(guò)加入某些助劑使可溶性磷、氟形成難溶化合物；二是提高密實(shí)度，降低開孔率，盡量隔絕所形成磷酸鹽和氟化物與水接觸。

綜上所述，不能以單一的磷石膏作為道路材料，但將磷石膏與無(wú)機(jī)、有機(jī)膠凝材料（膠結(jié)材料）配合使用還是有望將其用作基層填料和路面底基層材料的，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)是：提高強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度和提高耐水性。

4 磷石膏改性施工工藝

4.1 無(wú)害化預(yù)處理

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的磷石膏預(yù)處理工藝流程如圖2 所示。為研究預(yù)處理對(duì)磷石膏中有害雜質(zhì) F-的固化效果，以及檢測(cè)磷石膏中有害重金屬的含量，對(duì)未處理磷石膏和預(yù)處理磷石膏進(jìn)行了浸出毒性檢測(cè)。浸出液準(zhǔn)備按《固體廢物浸出毒性浸出方法- 硫酸硝酸法》（HJ/ T 299）實(shí)施，測(cè)試按《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)——浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）所載方法進(jìn)行。從未處理和預(yù)處理磷石膏中有害離子及重金屬的檢測(cè)結(jié)果可以看出：預(yù)處理前后氟離子、磷酸根離子在浸出液中的濃度顯著下降。預(yù)處理磷石膏中有害離子含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建材用磷石膏指標(biāo)，從而達(dá)到用作基層材料的要求。

圖2 磷石膏預(yù)處理工藝流程

4.2 最佳配合比

通過(guò)對(duì)比各種磷石膏預(yù)處理工藝的研究，為大量消耗磷石膏，依據(jù)道基層層填料的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種大摻量磷石膏（≥77%）結(jié)合料，將其應(yīng)用于道路上路床填料。該部分主要研究工業(yè)廢渣磷石膏、粉煤灰的主要物理化學(xué)特性，以及磷石膏- 粉煤灰體系的強(qiáng)度形成機(jī)理。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較確定了石灰∶磷石膏∶粉煤灰的配合比6∶77∶17 和6∶87∶7 作為后續(xù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)配合比，在此基礎(chǔ)上，以NaAlO2和三乙醇胺作為無(wú)機(jī)、有機(jī)激活劑研究其對(duì)石灰- 磷石膏-粉煤灰無(wú)機(jī)結(jié)合料體系的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和承載比的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：在達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)強(qiáng)度要求的前提下，為盡可能降低公路基層造價(jià)，選擇基礎(chǔ)配比石灰∶磷石膏∶粉煤灰=6∶87∶7，添加0.5%NaAlO2和0.1%三乙醇胺對(duì)結(jié)合料進(jìn)行復(fù)摻，其CBR 值為38.7%，達(dá)到了作為上路床填料的強(qiáng)度要求。

4.3 改性磷石膏拌合料混料裝置

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)通過(guò)原料選擇、配方設(shè)計(jì)、制備工藝的研究開發(fā)出磷石膏用于二級(jí)及二級(jí)以下公路用基層填料。但因磷石膏遇水易軟化，粘性較大，在進(jìn)行攪拌機(jī)攪拌時(shí)容易結(jié)塊，導(dǎo)致混合料攪拌不均勻。為解決上述問(wèn)題，通過(guò)研究，得到一種磷石膏路面基材混料裝置，實(shí)現(xiàn)磷石膏路面基材料的混料，提高混合效率，降低結(jié)塊率?；炝涎b置如圖3 所示。

圖3 混料裝置示意圖

4.4 施工參數(shù)

（1）預(yù)處理。石灰∶磷石膏∶粉煤灰（質(zhì)量比）=6∶87∶7，外摻9%的水混合均勻，并陳放3d 以上對(duì)磷石膏進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)處理磷石膏。預(yù)處理磷石膏中的有害離子溶出量明顯減小，符合磷石膏作為建材的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）配合比。通過(guò)試配后形成的最佳配合比設(shè)計(jì)，配合比為改性磷石膏∶水泥∶碎石為65%∶5%∶30%，外摻6%的固化劑。

（3）拌合料生產(chǎn)。混合料的拌合采用磷石膏路面基材混料裝置，拌合站每小時(shí)生產(chǎn)拌合物250t，生產(chǎn)能力滿足工程施工進(jìn)度要求。

（4）混料裝置。為保證進(jìn)度和質(zhì)量，公司自主研發(fā)了磷石膏路面基材混料裝置（專利號(hào)：ZL 2020 2 2271614.7），用于拌合料的生產(chǎn)。

（5）在砼路面的情況下采用改性磷石膏拌合物作為基層具有良好的疲勞特性，在經(jīng)過(guò)50 萬(wàn)次加載后，基層表面累積變形小于2mm。

5 工程應(yīng)用

為滿足施工進(jìn)度和環(huán)保節(jié)能要求，盡可能利用固廢材料，采用公司自主研發(fā)的實(shí)用新型專利《磷石膏路面基材混料裝置》（證書號(hào)第13739843 號(hào)），以橫三路、縱三路、縱六路等三條道路（約2.5km）為試驗(yàn)段，采用500mm 厚磷石膏穩(wěn)定碎石（分三層攤鋪），作為廠區(qū)內(nèi)道路的基層材料。

施工程序?yàn)椋含F(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備→磷石膏水穩(wěn)材料拌制→運(yùn)輸→攤鋪→碾壓→接縫處理（分三層）→養(yǎng)生。

試驗(yàn)段選擇廠區(qū)內(nèi)縱三路為試驗(yàn)路段，線路起止樁號(hào)K2+070—+420，全長(zhǎng)350m，全部為道路基層。地基為強(qiáng)夯后的回填土，地基上為粉質(zhì)粘土。試驗(yàn)全路段采用改性磷石膏拌合料做基層填料，現(xiàn)場(chǎng)取樣的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度為平均值0.65MPa。改性磷石膏拌合料基層混合料，基層厚度50cm，現(xiàn)場(chǎng)取樣改性磷石膏拌合料的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度平均值為0.95MPa。路段采用C30 砼路面，厚25cm。施工完成后，現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)結(jié)果平均壓實(shí)度為96.4%，可以達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙96%以上的壓實(shí)度?；鶎油旯ず蟮膹澇翙z測(cè)值通過(guò)檢測(cè)，整個(gè)線路基層和基層完工時(shí)的彎沉檢測(cè)結(jié)果，彎沉平均值為0.362mm。試驗(yàn)說(shuō)明改性磷石膏拌合料修建的基層的剛度大，均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。

2018 年該段線路完工，運(yùn)行4 年，截至2022 年線路保持完好（見圖4），兩側(cè)邊坡無(wú)任何坍塌現(xiàn)象，路面除局部因?yàn)轫砰_裂引起的裂縫外，無(wú)任何下沉現(xiàn)象，整個(gè)路面平整，基層兩側(cè)硬路肩沒有任何裂縫。

圖4 路面現(xiàn)狀

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

磷石膏水穩(wěn)與傳統(tǒng)水穩(wěn)相比節(jié)約成本約20%，水泥磷石膏穩(wěn)定碎石材料按配合比為磷石膏∶水泥∶碎石為65%∶5%∶30% ，外摻6%的固化劑。由于幾種不同水穩(wěn)材料的施工工藝基本一致，施工成本差異主要表現(xiàn)在材料構(gòu)成上，所以對(duì)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)做比較分析時(shí)只需考慮原材料。以每立方米普通水泥穩(wěn)定碎石和改性磷石膏穩(wěn)定碎石為例，比較結(jié)果如表4 所示。

表4 混合料計(jì)算成本分析對(duì)照表 元/ m3

應(yīng)用項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益如下：在湖北宜昌枝江姚家港化工園區(qū)(北控片區(qū))場(chǎng)地平整及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目使用改性磷石膏拌合料合計(jì)7.727 萬(wàn)m3，在材料上相比傳統(tǒng)材料節(jié)約：7.727×（261.3- 206.3）=425 萬(wàn)元。

7 結(jié)論

使用廢棄物磷石膏，作為廠區(qū)道路水穩(wěn)層主要原料，節(jié)約資源，改良環(huán)境，降低成本。使用自主研發(fā)的混料裝置，為施工現(xiàn)場(chǎng)不間斷提供優(yōu)質(zhì)的、符合要求的改性磷石膏路面基層材料。通過(guò)試驗(yàn)段修建和4 年的觀察，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了佐證，并對(duì)施工工藝進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了磷石膏用作基層填料的可靠性和永久性。磷石膏堆積場(chǎng)地需經(jīng)過(guò)防滲等一系列處理，費(fèi)用高額，如堆放地不經(jīng)過(guò)處理，會(huì)使土地、地下水、空氣環(huán)境等嚴(yán)重污染。大規(guī)模地應(yīng)用工業(yè)廢渣作基層填料，變廢為寶。一則解決了工業(yè)廢渣堆放、占地、污染環(huán)境的問(wèn)題，按500 萬(wàn)m3、堆高25m，可解決土地20 萬(wàn)m2。第二解決了基層填料占山開挖需要占用土地的問(wèn)題，可以節(jié)約山地開挖20 萬(wàn)m2。兩者相加，相當(dāng)于節(jié)約土地40 萬(wàn)m2，社會(huì)效益和環(huán)境效益十分巨大。