磷石膏应用于农村公路路面建设的可行性研究.pdf

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1、公路交通技术2 0 0 8年 1 0月 第 5期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t O c t 2 0 0 8 N o 5 磷石膏应用于农村公路路面建设的可行性研究 范英儒 ， 黄煜镔 ， 唐建平 ( 1 重庆大学材料学院， 重庆4 0 0 0 4 5 ； 2 重庆大学土木学院， 重庆4 0 0 0 4 5 ； 3 杭州市公路管理局， 杭州3 1 0 0 0 4 ) 摘要： 降低农村公路造价是当前农村公路建设的重要问题之一。针对农村公路低交通量的特点， 通过磷石膏改性 二灰材料性能可成为农村公路的新型路面材

2、料 ， 具有重要的经济和社会环境效益。 关键词 ： 磷 石膏 ； 粉煤灰 ； 农村公路 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 0 2 2 0 3 中图分类号： U 4 1 6 2 文献标识码： A F e a s i b i l it y S t u d y o n Ap p l ic a t i o n o f Ar d e a l it e i n Ru r a I Ro a d Pa v e me n t Co n s t r u c t i o n F A N Y i n g r u ，HU A NG Y u b i n ，T A NG J n

3、 p i n g Ab s t r a c t ： Re d u c i n g r u r a l r o a d c o s t i s o n e o f t h e mo s t i mp o rt a n t c o n s i d e r a t i o n i n c u r r e n t r u r a l r o a d c o n s t r u c t i o n T a r g e t i n g a t t h e f e a t u r e o f l o w t r a f fi c v o l u me O i l mr al r o a d ，t h e a

4、 r d e a l i t e mo d i fi l i me a n d f l y a s h ma y b e u s e d f o r n o v e l p a v e me n t o f r u r a l r o a d ，t h i s w i l l b r i n g U S s u b s t a n t i a l e c o n o mi c al，s o c i al a n d e n v i r o n me n t a l b e n e fi t Ke y wo r d s ：Ar d e ali t e；f l y a s h；r u r a l

5、r o a d 利用地方工业固体废弃物修筑农村公路是降 低建设成本的一条有效的技术途径 ， 目前 国内许多 地区都已经开展了大量研究。工业固体废物是指在 工业 、 交通等生产活动 中产生 的采矿废 石 、 选 矿尾 矿 、 燃料废渣 、 化工生产及冶炼废渣等固体废物 ， 又 称工业废渣或工业垃圾。从道路应用角度看， 许多 工业固体废弃物可以资源化利用 l J 。通过适 当方式 综合利用工业 固体废弃物作为道路建筑材料 ， 能显 著降低道路建设成本 ， 具有显著的经济和社会环境 效益 ， 对磷石膏的研究利用就是这方面的尝试。 1 磷石膏性质及其在公路建设中的应用 磷石膏是硫酸湿法萃取磷酸时排出的

6、固体废弃 物 ， 每生产 1 t 湿法磷酸约产生 5 t 磷石膏。我 国是 磷肥生产和使用大国 ， 据不完全统计 ， 目前我国磷石 膏年排放量近 2 0 0 0万 t ， 并且 以每年 1 5 的速度增 长 ， 成为石膏废渣 中排放量最多的一种 。磷石膏 的 排放不仅 占用大量土地 、 污染环境 ， 而且给磷肥企业 造成很大负担 ， 它 的利用与开发一直是人们所关注 的问题。磷石膏资源化已成为我国磷肥行业能否实 现可持续发展的关键 。 磷石膏一般呈粉状， 含有 8 1 5 的附着水， 颗 粒直径一般为 51 5 0 t u n ， 其主要成分为C a S O 4 2 0， 一 般可达到 7 0

7、 9 0 左右。其中所含的次要成分 随矿石来源不同而异 ， 成分较为复杂 ， 此外 ， 还含有少 量的有机磷、 硫、 氟类化合物。磷石膏中的二水硫酸 钙含量超过普通天然石膏， 是一种重要的再生石膏资 源。但是磷石膏中含有诸多有害杂质， 使其性能劣 化， 限制了其资源化利用。目前全世界每年磷石膏排 放量约2 亿 t ， 但磷石膏利用率仅约为 4 5 ； 而我国 磷石膏利用率更低 ， 每年仅约 5 0万 t 磷石膏得 到应 用。传统的磷石膏处理方 法主要是堆放 ， 占地 面积 大， 维护费用高， 目前仍被大部分厂家采用。例如美 国年产 5 0万 t 磷 酸的湿法磷 酸厂， 需投 资 1 0 0 0

8、 1 2 0 0 万美元建造磷石膏堆放场 ， 仅佛罗里达州就有磷 石膏堆场 1 5 2 0 个。 目前 ， 世界各 国都 已认识到磷石膏对环境的危 害及磷石膏的可利用价值， 加大了开发利用的研究 力度， 并取得了相当丰硕的成果。磷石膏已用于水 泥工业 、 生产化工原料和石膏建材制品， 同时也用于 地基填筑 、 土壤改良及稀土元素提取等。 在以磷石膏作为筑路材料方 面， 近年来 ， 越来越 基金项 目： 交通 部西部 交通建设科技项 目( 2 0 0 6 3 1 8 0 0 0 9 9 ) ； 重庆市 自然科学 基金 资助项 目( 2 0 0 6 B I MI 6 6 ) 收稿 日期 ： 2 0

9、 0 80 32 0 作者简介： 范英儒( 2 9 7 2 一) ， 男， 四川省射洪县人， 硕士， 讲师 1 2 公路交通技术 2 0 0 8卑 多的专家学者进行了探索与研究 ， 并取得了一些有益 结论。例如， 沈卫国进行了粉煤灰磷石膏高早强路面 基层材料的研究 ， 试验研究表明粉煤灰磷石膏的强度 较二灰有较大提高， 粉煤灰磷石膏碎石比二灰碎石的 强度提高 了 5 0 1 0 0 2 - 4 ； 重庆交通大学董满生 证实磷石膏是一种品质优 良的路基填料 ； 美国佛罗 里达大学和迈阿密大学研究发现 ， 含粘土砂和磷石膏 的混合物是 良好的筑路材料。然而， 到 目前为止 ， 磷石膏在道路工程中实

10、际应用仍然较少。 2 磷石膏粉煤灰胶凝系统的研究 磷石膏混合料作为道路材料， 其强度及化学反 应问题是影响其在道路工程中利用 的主要问题。深 人展开掺加磷石膏 的路面材料的内部机理研究 ， 以 用于指导磷石膏在路面材料中的资源化利用是迫切 需要探讨 的关键 ， 而开发掺加磷石膏的新 型胶凝材 料系统更是核心问题。 从磷石膏的化学成分分析可知 ， 利用磷石膏适 当取代天然二水石膏完全是可能的， 而二水石膏在 许多胶凝系统 中均有应用 ， 因此开发磷石 膏粉煤灰 系统是最有希望利用磷石膏作为路面材料 的途径之 一 。粉煤灰 ， 由于其潜在 的火 山灰性质而在道路工 程 中已经得到广泛应用。石灰粉煤

11、灰稳定料 ， 俗称 二灰稳定材料 ， 是路 面工程 中应用较 为广泛 的一种 无机结合稳定料。已有应用 表明， 石灰粉煤灰稳定 材料如不掺入其他添加剂 ， 则早期强度较低 ， 根本原 因在于石灰与粉煤灰发生火山灰反应生成胶结物产 物过程较缓慢 。因此就此体系中的石灰粉煤灰胶凝 体系看 ， 在常温下仅用石灰激发粉煤灰活性是非常 缓慢 的， 一般需要 在石灰粉煤灰二相体 系中加入其 他物质实现常温下粉煤灰 的激发。已有研究表明， 在石灰粉煤灰 中加入硫酸盐能在常温常压下激发粉 煤灰火山灰活性 ， 原因在于： 在粉煤灰 一石灰 一硫酸 盐系统中， s ( ) j 一能与粉煤灰溶出的A l 及存在的

12、C a O反应生成 A F t ， 体积膨胀导致被 CS H包裹 的粉煤灰颗 粒重新露 出新 表面而加速 反应 ； 另外 ， S 一渗透到 cs H凝胶 中改变 了其透水性亦加 速了粉煤灰的火山灰反应_ 6 j 。因此 ， 利用磷石膏 作为火山灰材料的硫酸盐激发剂制备新型路面材料 的胶凝系统作 为农村公路路面材 料是有理论依据 的。 为了研究磷石膏对粉煤灰系统的激发效果 ， 实 验室通过砂浆试 验 ， 分别 对 比研究 了 N a 2 s o 4 、 磷石 膏对石灰粉煤灰系统早期强度发展的影响。研究中 胶砂比取为 1 ： 3 ， 水胶 比为 0 5 9 ， 结果见表 1 。 由试验结果可知 ，

13、 单纯 以二灰材料作为路面材 料的胶凝系统早期强度偏低 ， 但在粉煤灰石灰系统 中掺加少量的硫酸盐激发剂便 能显著提高早期强 度 。外掺 3 的硫酸钠 ， 2 8 d抗折 、 抗压强度 即可提 高 3 0 0 左右 ， 效果十分显著。与硫酸钠相 比， 磷石 膏作为激发剂， 尽管 7 d 强度仍然偏低， 但在2 8 d 以 后对系统强度 的作用效果即可接近硫酸钠 ， 对粉煤 灰石灰系统早期强度 的提高作用也很明显 。因此 ， 采用适当比例的粉煤灰 一石灰 一磷石膏可望组成新 型低强度混凝 土路面材料。 3 磷石膏粉煤灰路面材料的可行性讨论 近年来 ， 国内已经对低造价农村公路路面的结 构及其设计

14、方法 、 施工工艺等开展了大量研究 ， 然而 由于我国地域辽阔， 气候环境条件千差万别 ， 不同地 区的农村公路交通量存在显著差异 ， 因此难 以提出 农村公路路面结构设计规范 。此外 ， 随着农村公路 建设 的开展 ， 对以往 的农村公路设计方法也提出了 越来越多的问题 ， 需深入探讨 。 目前我国农村低等级公路现有路面形式多为泥 结碎石路面 、 水结碎石路面 、 泥灰结碎石路面 、 级配 碎砾石路面 ， 在许多地方甚至是无粒料路面， 这些路 面的特点是 ： 晴天时车过尘土飞扬 ， 雨天时路面到处 泥浆覆盖； 冬春季节易产生冻胀翻浆 ， 夏秋时分道路 表面磨损极快 ， 极易形成颠簸的波浪路面

15、 ， 路面舒适 性差_ 8 J 。由于我国许多地区具有丰富的石灰及粉煤 灰资源 ， 而这些原料是 良好的路用材料 ， 但如果直接 表 1 不同胶凝材料的强度发展情况 编号 胶凝材料 7 d 抗折强度， 7 d 抗压强度2 8 d 抗折强度2 8 d 抗压强度， 粉煤灰 石灰 N a 2 S O 4 磷石膏 M P a M P a M P a M P a 注： 1 *表示强度过低， 无法准确测出； 2 石灰采用电石渣代替。 ( 下转第 2 0页) 公路交通技术 2 0 0 8年 表2 试验与 F L AC 3 d模拟数据比较 2 )使用 F L A C 3 d 数值分析软件， 将表征沥青混 合料

16、粘弹性的4 个参数代人 F L A C 3 d 蠕变模型中加以 模拟 ， 不仅可以模拟整个蠕变试验过程 ， 还可以得到 蠕变变形曲线。结果显示 ， F L A C 3 d模拟所得蠕变变 形曲线能较好地表示试验所得蠕变变形曲线。 3 ) F L A C 3 d 不仅能较好地模拟蠕变试验， 还可 以表征沥青混合料的粘弹特性 ， 因此可将蠕变参数 应用于典型沥青混合料路面结构， 并用 F L A C 3 d 进 行分析计算 ， 以探讨不 同基层形式对面层塑性变形 的影响， 为路面结构设计提供参考。 参 考 文 献 1 沈金安 沥青及沥青混合料路用性能 M 北京 ： 人 民 交通出版社， 2 0 0

17、1 黄仰贤( 美) 路面分析与设计 M 齐诚 ， 译 北京 ： 人民交通出版社， 1 9 9 8 交通部公路科学研究所 I T J 0 5 2 2 O O 0 公路工程沥青及 沥青混合料试验规程 s 北京： 人民交通出版社， 2 O 0 0 李辉， 等 沥青混合料高温稳定性的单轴静载蠕变 试验 J 河南科技大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 3 ) ： 4 851 张肖宁 实验粘弹原理 M 哈尔滨 ：哈尔滨船舶工程 学院出版社，1 9 9 0 张肖宁 沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用 M 北京： 人民交通出版社 ， 2 0 0 6 周剑平 精通 嘶面n 7 O M

18、北京： 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 4 刘 波， 韩彦辉 ( 美 ) F L A C原理、 实例与应用指南 M 北京： 人民交通出版社 ， 2 0 0 5 () ， ( 上接第 1 2页) 使用二灰材料作为农村道路的路面结构， 却存在如早 期强度过低 、 抗冲刷能力较低 、 水稳定性较差 、 表面功 能不够理想等不足。然而， 如采用粉煤灰 石灰 一 磷 石膏系统将直接改善二灰材料的核心问题早期 强度过低的问题 ， 并不同程度改善二灰材料的其他 性能 ， 使其在农村公路路面 中应用成 为可能。从物 理力学性能的角度看 ， 粉煤灰 一石灰 一磷石膏稳定 碎石材料 2 8 d 抗压强度

19、可达到 1 0 MP a以上 ， 完全可 满足许多地方农村公路的承载需要。事实上 ， 重庆 地区的锶盐废渣路面 3年之后 的强度也仅 为 35 M P a ， 但路用情况仍然 良好。在耐久性方 面， 粉煤灰 一 石灰 一 磷石膏稳定碎石材料保留了二灰材料后期 强度发展 良好 的优点。因此可以预见 ， 随龄期 的增 长 ， 路面性能将进一步改善 。从环境角度看 ， 新型路 面材料充分利用工业固体废弃物， 节约堆场， 改善了 生活环境 。因此 ， 粉煤灰 一石灰 一磷石膏稳定类材 料具有成本低廉、 性能优越、 安全环保等诸多优点， 值得在农村公路中推广。 4 结语 目前 ， 我 国特别是西部地区农

20、村公路的建设 ， 存 在交通量小但 出行距 离长 、 设计 和施工水平低等特 点， 建设规模十分庞大， 但建设资金又十分匮乏。因 此 ， 如何降低 工程造价 、 节省投 资是 一个普遍性 问 题 ， 特别是在西部具有重要 的现实意义。灵活应 用 当地的原材料是降低工程造价的基础。在选择工程 材料 时， 充分利用当地资源 ， 避免远距离运输材料 ， 也是降低县 乡公路 和农 村公路工程 造价 的关键所 在。我国西南地 区存在大量废置的磷石膏 ， 合理 、 充 分利用磷石膏作为农村公路 的筑路 材料 ， 将拓宽磷 石膏的利用途径 ， 降低公路造价 ， 促进公路建设事业 的发展 ， 具有重要的社会

21、、 经济和环保效益。 参 考 文 献 1 徐雪源 磷石膏及其混合料的工程特性研究 D 南 京 ： 河海大学， 2 0 0 5 2 沈卫国， 周明凯， 赵青林， 等 粉煤灰磷石膏高早强路面基 层材料的 研究 J 粉煤灰综合利用， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 3 1 3 2 3 沈卫国， 周明凯， 查进 ， 等 磷石膏二灰基层材料配合 比设计方法研究 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 2 32 6 4 沈卫国， 周明凯， 余崇峻 ， 等 磷石膏改性二灰路面基层 材料的性能研究 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 1 0 ) ： 3 43 8 5 唐庆黔， 凌天清， 董满生 工业废料磷石膏在路基路面工 程中的应用 J 山东交通学院学报， 2 O 0 2 ， 1 0 ( 2 ) ： 4 9 5 2 6 岳子明， 李明秀 用磷石膏粉煤灰生产胶结材研究 J 首 都师范大学学报： 自然科学版， 2 11 1 7 ， 2 8 ( 1 ) ： 4 0 4 3 ， 4 9 7 杨敏， 钱觉时 石膏在粉煤灰 一石灰 一硫酸盐系统中 的作用 盯 粉煤灰综合利用， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 4 7 4 9 6 赵乐易 农村低交通量公路硬化粉煤灰路面研究 D 西安： 长安大学 ， 2 0 0 6 1 j 1 J 1 J J 1 J