CN113121186A - 一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%‑8%、粉煤灰10%‑12%、α石膏0%‑20%、磷石膏62%‑82%。本发明优点在于:提供了一种无侧限抗压强度满足使用要求的用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,配比设计合理,使用指标理想,具有很好的推广前景。

Description

一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方
技术领域
本发明涉及一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方。
背景技术
磷石膏是湿法磷酸工艺中所产生的工业固体废弃物,每生产1吨P2O5大约产生5t磷石膏。磷石膏的主要成分是二水石膏,一般呈灰白色或灰黑色,化学式为CaSO4·2H2O,pH为1.5-4.5呈酸性,含水率很高,所含的结晶水为20%-25%,黏性较强,其堆积密度达1000kg/m3,与水相当。我国的排放量异常庞大,2013年我国副产磷石膏年排放量就已经接近7000万t(实物量),而综合利用量只有约1700万t。综合利用率不足25%。截至2014年,磷石膏年排放量7000余万t,累计堆存量约3亿t,脱硫石膏的年排放量约7550万t,累计堆存量约1.3亿t。磷石膏的大量堆存加重了堆存地周围的环境负荷,不仅占用了大面积土地,浪费资源,而且对水资源、土壤资源、生物资源、大气资源造成一定破坏。如磷石膏中含有少量的磷、氟及游离酸等有害物质,长期堆积还会引起地表和地下水的污染,同时影响人们的身体健康,严重制约着我国磷肥行业可持续发展。目前,我国磷石膏的利用还存在着整体利用水平不高、利用领域有待拓宽和外延许多技术难题有待解决等问题。因此,全面分析我国磷石膏的利用现状及相关技术革新进展,对磷石膏资源化利用研究具有重大意义。
为了增加磷石膏的消耗量,提高磷石膏的利用率,国内围绕磷石膏的综合利用途径展开了大量的研究,提出了磷石膏作为筑路材料、建筑材料等应用途径。
目前对磷石膏用于道路工程中已有一定的研究和应用,但依然存在很多疑难问题,如研究不深入、现场施工工艺不成熟,从而导致道路工程应用不够广泛,因此对于磷石膏作为主要材料用于道路工程仍需做进一步深入理论研究和实践。云南省随着经济、社会发展,需要修建大量的公路,若改性或改良后的磷石膏能够用于路面基层材料,将消耗大量磷石膏,节约处置磷石膏堆存投入大量资金,不仅对磷矿业开发和公路工程建设均具有重大的经济效益,而且对节约土地资源,降低环境污染,具有显著的社会效益。
为充分利用工业固废磷石膏,以磷石膏作为主要原料,与粉煤灰、α石膏、水泥按照一定比例进行掺和组成的混合料用作路面工程基层/底基层,以无侧限抗压强度和劈裂强度为评价指标,研究不同配方对强度的影响规律,通过深入开展一系列实验室试验,研究高掺量磷石膏用于公路路面底基层/基层的可行性,并应用于工程实践。在充分利用磷石膏的情况下,考虑经济性,同时满足规范对于混合料无侧限抗压强度的要求,寻求用于路面底基层的最佳配方,实现工业固废磷石膏充分利用的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供的技术方案为:一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%-8%、粉煤灰10%-12%、α石膏0%-20%、磷石膏62%-82%。
作为一种优选方案,一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%、粉煤灰10%-12%、α石膏15%、磷石膏67%-69%。
作为一种优选方案,一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%、粉煤灰10%-12%、α石膏20%、磷石膏62%-64%。
作为一种优选方案,一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥8%、粉煤灰10%-12%、α石膏0%、磷石膏80%-82%。
本发明优点在于:提供了一种无侧限抗压强度满足使用要求的用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,配比设计合理,使用指标理想,具有很好的推广前景。
具体实施方式
下面用具体实施例说明本发明,并不是对本发明的限制。
实施例1
一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%、粉煤灰10%-12%、α石膏15%、磷石膏67%-69%。
实施例2
一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%、粉煤灰10%-12%、α石膏20%、磷石膏62%-64%。
实施例3
一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥8%、粉煤灰10%-12%、α石膏0%、磷石膏80%-82%。
实施例1-3的配方的实验室7天无侧限抗压强度均大于4Mpa,其中实施例1配方相对经济,实施例2配方和实施例3配方性能相对较高。
为选取本发明的原料配比,做了如下实验:
1.水泥用量、水泥种类对混合料性能的影响
分别采用12%、15%、18%的水泥与磷石膏组成的混合料来成型试件,研究水泥用量对混合料性能的影响,并与不加水泥仅含有磷石膏的混合料性能进行比较,试验结果见表1:
表1不同水泥用量下的无侧限抗压强度试验结果
水泥掺量 0 12% 15% 18%
无侧限抗压强度(MPa) 1.34 3.54 4.45 4.65
从试验结果可知,不加水泥的磷石膏,强度过低,水泥的加入明显提高了无侧限抗压强度,并随着水泥用量的增加,无侧限抗压强度明显提高。从水泥土微观结构角度分析,因为水泥土的结构是由水泥胶结性水化产物包裹胶结土颗粒和胶结水化物或膨胀性水化物填充土颗粒间的孔隙而成,所以水泥土强度的增长主要是由于土体颗粒之间联结的增强和土体密实度的增大。因此,水泥土无侧限抗压强度之所以随水泥掺量的增加而提高,其原因有两个方面:
(1)水泥掺量增加,水泥的胶结水化产物增多,导致水泥胶结水化物与胶结土颗粒的作用增强;
(2)磷石膏中掺入水泥后,胶结性水化物或膨胀性水化物填充磷石膏颗粒间的孔隙,促使混合料密实度增大。混合料的孔隙与磷石膏的孔隙相比明显减少,而且随着水泥掺量的增加,孔隙减少越明显。单独用磷石膏作为底基层材料不可取,因其无侧限抗压强度无法得到保障,需加入胶凝材料加以改善才能满足底基层材料对强度的要求。
分别在磷石膏材料中掺入325水泥和425水泥两种不同型号的水泥来成型试件,水泥和粉煤灰的用量固定,水泥用量6%,粉煤灰用量10%,7d无侧限抗压强度试验结果如下表2:
表2掺入不同型号水泥后的无侧限抗压强度试验结果
水泥型号 325水泥 425水泥
无侧限抗压强度(MPa) 3.79 4.18
从试验结果可知,加入425型号水泥的混合料相比325型号水泥其无侧限抗压强度略大,胶结效果好,混合料强度的提高主要来自于水泥胶结材料本身强度的提高。
2.过筛或不过筛两种情况对混合料性能的影响
由于天然堆积的磷石膏材料中含有部分结团大颗粒(粒径大于1mm),水泥稳定磷石膏混合料在拌合过程中这些结团颗粒难以分散,导致磷石膏与水泥的裹附不均匀,同时,由于结团颗粒本身强度不高(低于水泥稳定磷石膏混合料的强度)。这些颗粒的存在致使混合料中存在水泥不能有效裹附的团粒,这些团粒周围界面容易产生应力集中而导致团粒内部产生破坏。
为了分析团粒的影响,一组采用0.3mm筛子对磷石膏进行筛分,一组不筛分。在相同的水泥用量、用水量、压实度的情况下分别成型试件。加入适量的水和13%的水泥用量来成型试件,比较两种情况对混合料性能的影响规律,试验结果见表3。
表3磷石膏过筛与不过筛下的无侧限抗压强度试验结果
磷石膏是否过筛 过筛 不过筛
无侧限抗压强度(MPa) 3.84 3.76
从试验结果可知,磷石膏过0.3mm筛后的无侧限抗压强度相比不过筛的略大,但差别不明显。原因在于,不过0.3mm筛的磷石膏存在的材料结团的情况,从而影响磷石膏与水泥及水的接触,影响混合料的拌合均匀性。
3.不同水质对混合料性能的影响
分别采用自来水、NaOH溶液(浓度4%)、电石渣水来成型试件,研究不同水质和水的不同碱性程度对无侧限抗压强度的影响,混合料由磷石膏、水泥和水组成,水泥用量为混合料干质量的13%,磷石膏用量混合料干质量的87%,试验结果见表4、表5。
表4不同水质下的无侧限抗压强度试验结果
水质 自来水 NaOH溶液(浓度4%) 电石渣水
无侧限抗压强度(MPa) 3.76 1.52 3.67
表5碱性程度不同的水质下的无侧限抗压强度试验结果
水的PH值 PH值7-8 PH值8-9 PH值9-10
无侧限抗压强度(MPa) 3.76 3.46 3.04
从试验结果来看,使用不同PH值的拌合用水,混合料的无侧限抗压强度从大到小的顺序排列为:自来水>电石渣水>NaOH溶液(浓度4%);使用不同碱性的无侧限抗压强度按从大到小的顺序排列为PH值7-8>PH值8-9>PH值9-10。由此看来采用中性的自来水(PH值为7-8)其无侧限抗压强度最佳,后续试验研究及最佳配方的优选中用水均为自来水。
4.加入速凝剂对混合料性能的影响
在磷石膏与水泥组成的混合料中,分别采用加速凝剂和不加速凝剂的两组混合料进行性能试验,水泥用量采用13%,磷石膏用量87%,速凝剂掺量为混合料干质量的0.5%,分析其对混合料性能的影响程度。试验结果见表6。
表6加速凝剂与不加速凝剂的无侧限抗压强度试验结果
是否加速凝剂 不加速凝剂 加速凝剂
无侧限抗压强度(MPa) 3.76 3.27
从试验检测结果可知:加速凝剂的无侧限抗压强度低于不加速凝剂的混合料。
5.粉煤灰用量对混合料性能的影响
为探寻一种性价比更高的水泥稳定磷石膏混合料配方,尝试在磷石膏与水泥混合组成的基层混合料中加入粉煤灰和α石膏。分别在α石膏及水泥用量保持一致的情况下,采用掺量为7%、8.5%、10%、11.5%、13%、14.5%的粉煤灰来成型试件,α石膏用量10%,水泥用量4%,比较不同粉煤灰用量对混合料性能的影响规律,试验结果见表7。
表7不同粉煤灰用量的无侧限抗压强度试验结果
粉煤灰掺量 7% 8.5% 10% 11.5% 13% 14.5%
无侧限抗压强度(MPa) 2.37 3.15 3.91 4.62 4.45 4.54
从试验结果可知:随着粉煤灰用量的提高,无侧限抗压强度先增加后降低,在一定区间内随着粉煤灰用量的增加而增加,随后便降低。可见粉煤灰用量的增加在一定程度上可以改善混合料的无侧限抗压强度。但需要控制粉煤灰的用量,在保证可能充分利用的前提下,适当提高其粘结作用的材料的用量,使得无侧限抗压强度满足要求,寻求最佳的混合料配方,选定粉煤灰的用量12%。
6.α石膏用量对混合料性能的影响
在第5条中混合料配方的基础上将水泥用量提高至6%,粉煤灰用量采用10%,水泥及粉煤灰的组成用量保持不变,改变α石膏的用量,分别采用用量为10%、15%、20%的α石膏来成型试件,其中磷石膏的组成分别为74%、69%、64%,比较不同α石膏掺量对混合料性能的影响规律,试验结果见表8。
表8不同α石膏掺量的无侧限抗压强度试验结果
Figure BDA0002994352050000051
从试验结果可知:无侧限抗压强度随着α石膏用量的改变呈递增趋势,并且效果较明显。可见由α石膏、磷石膏、粉煤灰、水泥组成的混合料中,除水泥外,α石膏也能够起到良好的粘结效果。三种配方混合料的无侧限抗压强度都能达到5Mpa以上,室内试验结果满足规范对普通二级公路的基层材料强度不小于4.0Mpa的技术要求。但是,在实际工程应用中,对磷石膏、水泥、α石膏组成的路用材料的拌合、运输、压实过程的控制难以达到室内试验的精准度,实际上混合料的强度会有所降低。
结合α石膏价格相比磷石膏价格高这一客观因素,为了尽可能充分的利用磷石膏,同时兼顾经济性,选取α石膏用量为15%作为最佳配方的组成部分。
实验结论
通过改变混合料的组成比例,开展室内试验研究变量对于混合料性能的影响规律及程度,对试验结果分析后得出以下结论:
1.不加水泥的磷石膏,强度过低,水泥的加入明显提高了无侧限抗压强度,并随着水泥用量的增加,无侧限抗压强度明显提高。在实际工程应用中,若未控制好施工工艺,水泥含量过低将极大的影响抗压强度指标的均匀性。
2.磷石膏过0.3mm筛后的混合料无侧限抗压强度相比不过筛的情况较为理想,但差别不大。
3.使用不同水质混合料的无侧限抗压强度按从大到小的顺序排列为:自来水>电石渣水>NaOH溶液(浓度4%);使用不同碱性的无侧限抗压强度按从大到小的顺序排列为PH值7-8>PH值8-9>PH值9-10,
4.加速凝剂的无侧限抗压强度低于不加速凝剂的混合料,因此加速凝剂在改善混合料7天无侧限抗压强度方面无明显优势。
5.随着粉煤灰用量的提高,无侧限抗压强度先增加后降低,在一定区间内随着粉煤灰用量的增加而增加,随后便降低。粉煤灰在一定用量范围内上可以改善混合料的无侧限抗压强度。
6.无侧限抗压强度随着α石膏用量的改变呈递增趋势,并且效果较明显。可见由α石膏、磷石膏、粉煤灰、水泥组成的混合料中,除水泥外,α石膏也能够起到良好的粘结效果。
本发明在具体使用时,注意事项如下:
在实验室成型试件的过程中,含水率、水泥用量、压实度等指标均能做到精确的控制,然而在现场施工过程中,因为自然气候条件、施工机械、施工工艺等因素的制约,各项指标很难控制理想。另外,通过实验室试验研究可知:由磷石膏、粉煤灰、α石膏、水泥和水拌合而成的混合料,受水泥含量的影响很大,在施工过程中若出现水泥拌合不均匀或者因外界条件而流失的情况,将影响路面工程底基层/基层的强度,因此在施工过程中务必注意混合料的拌合均匀性,并且现场的养生必须到位。
施工注意事项:
1.用水量的控制;
2.水泥、磷石膏、粉煤灰、α石膏的分散均匀性;
3.施工延迟时间的影响;
4.施工压实度的控制;
5.结构层排水要求。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,其特征在于,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%-8%、粉煤灰10%-12%、α石膏0%-20%、磷石膏62%-82%。
2.根据权利要求1所述的一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,其特征在于,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%、粉煤灰10%-12%、α石膏15%、磷石膏67%-69%。
3.根据权利要求1所述的一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,其特征在于,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥6%、粉煤灰10%-12%、α石膏20%、磷石膏62%-64%。
4.根据权利要求1所述的一种用于道路基层的磷石膏和胶凝材料混合料的配方,其特征在于,由以下质量百分比的原料混合而成:水泥8%、粉煤灰10%-12%、α石膏0%、磷石膏80%-82%。
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