磷石膏基水泥稳定碎石材料性能研究

陈洁 董江峰 薛佼 王小书 黄逸涵 黄绪泉

（1.湖北益通建设股份有限公司，湖北宜昌 443000；2.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002）

磷石膏是工业生产磷酸所产生的副产物，一般每生产1t的磷酸就会产生4.5～5.5t的磷石膏。中国每年生产上千万吨的磷石膏，由于没有相应的政策，大量的磷石膏任意堆积，不仅占用了土地资源，而且磷石膏中含有的少量磷、氟等有害杂质会造成环境的破坏。已有研究在道路基层中使用磷石膏改性二灰材料，取得了一定效果，相对于传统基层材料，使用工业废弃物用作基层材料的路面强度更高，且对环境影响小。本文通过室内试验探讨了磷石膏掺量、矿渣掺量、水泥掺量、外加剂及级配碎石对磷石膏基水泥稳定碎石材料强度和浸出毒性的影响，并在现场开展试验。

1 材料与方法

1.1 实验原材料

磷石膏：取自宜昌某堆场，外观为深灰色，pH≥3.0，氟离子浓度为53.32mg/L，总磷浓度为2.703mg/L，矿相成分主要是二水石膏；矿渣的比表面积≥700m2/kg；水泥的比表面积≥330m2/kg；外加剂：脱毒药剂；集配碎石：石屑、5～10mm 碎石、10～25mm 碎石。

原材料的主要化学成分见表1。

表1 原材料的主要化学成分

1.2 实验方法

1.2.1 磷石膏基水泥稳定碎石材料室内配比试验

采用φ150mm×150mm圆柱形试模，在压力机上压制成型，脱模后移入Rh=95%、温度20±1℃下进行标准养护。

1.2.2 力学性能试验

无侧限抗压强度试验参照交通运输部规范（T0805—1994）中的方法。

1.2.3 浸出毒性试验

浸出液的制备根据《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》（HJ 557—2010）。先将样品破碎然后称取过3mm筛，测量样品含水率后取试样置于浸取容器中，根据样品的含水率，以固液质量比1：10（kg/L）计算得到所需浸取剂的体积并加入到浸取容器中，在室温下振荡8h后静置16h，取上清液按照《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》（GB 11893—89）和《土壤水溶性氟化物和总氟化物的测定离子电极法》（HJ 873—2017）进行总磷、氟浓度的检测。

2 结果与讨论

2.1 磷石膏基水泥稳定碎石室内配比试验

由表2和图1可以看出，磷石膏掺量在5%～7%时对应试件的7d无侧限抗压强度均大于4.0MPa，强度要求满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）中的二级及二级以下重交通公路的底基层强度标准。随着磷石膏掺量的增加，强度先降低，在磷石膏掺量为7%时强度增加，磷石膏-矿渣-水泥胶凝体系水化反应生成钙矾石以及水化硅酸钙凝胶，钙矾石形成骨架结构，水化硅酸钙凝胶填充在钙矾石孔隙中形成密实的结构有利于强度的增加。

表2 磷石膏基水泥稳定碎石材料SCS配比

图1 SCS7d强度变化

图2 SCS浸出液氟浓度变化

图3 SCS浸出液总磷浓度变化

由图2可以看出随着磷石膏掺量的增加，SCS浸出液的氟离子浓度增加，磷石膏掺量为7%时对应的最大氟含量为1.967mg/L，但是符合满足《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）中氟化物一级排放标准，石屑掺量由29%增加到36%，对应的氟浓度减少，溶液中的Ca2+和游离的F-反应生成CaF2沉淀，起到固氟作用。由图3可以看出随着磷石膏掺量的增加总磷浓度降低后增加，磷石膏掺量为7%时对应的总磷浓度为0.011mg/L，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中总磷二级排放标准。

2.2 现场施工验证

工程试验段为某市政道路，使用磷石膏基水泥稳定碎石材料作为底基层材料的路段在摊铺50m左右时先用单钢轮压路机从边部向中间碾压一遍，在摊铺机接缝处跨缝碾压，复压紧跟初压使用单钢轮压路机碾压两遍，并检测压实度，终压采用胶轮压路机碾压两遍直至消除轮迹。其中5%磷石膏基水泥稳定碎石材料3d无侧限抗压强度为3.2MPa，7d无侧限抗压强度为5.3MPa，28d无侧限抗压强度为7.3MPa，压实度96，7d弯沉值102。6%磷石膏基水泥稳定碎石材料3d无侧限抗压强度为3.5MPa，7d无侧限抗压强度为5.8MPa，28d无侧限抗压强度为8.9MPa，压实度99，7d弯沉值21.3，7%磷石膏基水泥稳定碎石材料3d无侧限抗压强度为2.0MPa，7d无侧限抗压强度为2.6MPa，28d无侧限抗压强度为10.7MPa，压实度98，7d弯沉值102.8，上述几种不同配比的磷石膏基水泥稳定碎石材料的浸出液的氟浓度均小于10mg/L，总磷浓度均小于3mg/L。在现场施工期间检测的压实度均大于设计值，经过7d养生后检测的无侧限抗压强度、弯沉值等均满足设计要求，毒性符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中总磷二级排放标准和《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）中氟化物一级排放标准。

3 结论

（1）对于磷石膏基水泥稳定碎石材料通过各种配合比的无侧限抗压强度和浸出液的毒性情况综合来看，在矿渣-水泥-外加剂-级配碎石混合料中掺入磷石膏的量在7%左右为宜，含水率为5%，最优配合比为SCS6方案（磷石膏：矿渣：水泥：外加剂：10～25mm碎石：5～10mm 碎石：石屑=7：2：2：1：42：17：29）。

（2）从现场施工试验情况来看，磷石膏基水泥稳定碎石材料用作基层材料性能好。