孟維正,蔣 關(guān)魯,*,袁 德昭,鮑晶晶
(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031;2.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)
磷石膏是生產(chǎn)磷復(fù)肥時(shí)產(chǎn)生的固體廢棄物,不僅占用土地地面資源,起風(fēng)時(shí)也會增加空氣中細(xì)顆粒物含量,危害人體健康.截至2017年底,中國磷石膏堆積量已達(dá)到5億t,全國年產(chǎn)量約為0.75億t,磷石膏的年產(chǎn)量遠(yuǎn)超年利用量[1],磷石膏的處理已迫在眉睫.國內(nèi)外主要將工業(yè)廢料磷石膏應(yīng)用于水泥原料、緩凝劑、農(nóng)作物肥料、建材原料4個(gè)方面[1-2],但利用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法跟上產(chǎn)出量的增長速度.若能將其作為路基路面填料,可以在很大程度上解決磷石膏堆積問題.
國內(nèi)對磷石膏的工程性能曾進(jìn)行過一些初步研究.徐雪源等[3-5]通過靜三軸試驗(yàn)、動三軸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)研究了磷石膏的工程特性,但未針對磷石膏飽水軟化的性質(zhì)提出改良方案.荀勇[6]論證了將磷石膏和粉煤灰摻入水泥中用于加固軟土.董滿生等[7]證明了磷石膏可作為摻加物改良路面半剛性基層性能,但兩者磷石膏消耗量極少,幾乎不能解決磷石膏堆積問題.查進(jìn)等[8]在貴陽市將磷渣與碎石以一定比例混合后作為試驗(yàn)段基層填料,證明了磷渣作為路用材料的可行性,但其擊實(shí)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)(最佳含水率為5.5%,最大干密度為2.06 g/cm3)與德陽市磷石膏擊實(shí)性能有巨大的差異,且并未給出磷石膏水穩(wěn)定性改良方案.李章鋒[9]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)、加州承載比(CBR)試驗(yàn)和室內(nèi)動態(tài)模型,證明磷石膏經(jīng)過改良后強(qiáng)度可滿足路基填料的要求,但該方案不夠完善,無法進(jìn)行不同等級公路填料的比選.
工業(yè)廢料磷石膏粒徑分布范圍與粉土吻合,但其含水率較高,水穩(wěn)定性較差,很難進(jìn)行工程應(yīng)用.故本文在已有研究基礎(chǔ)上,采用針對德陽市磷石膏研發(fā)的2種改善水穩(wěn)定性的液黏劑(還原劑和液黏劑等相結(jié)合),對摻加少量水泥、生石灰,半水石膏的工業(yè)廢料磷石膏進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、UCS試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn);并提出解決磷石膏堆積難題的方案.
磷石膏取自德陽市工業(yè)廢料磷石膏,呈深灰色,風(fēng)干之后呈灰白色,粒徑在0.05~0.35 mm之間,呈正態(tài)分布,屬于粉土,pH值在3.5~4.1之間,含水率1)文中涉及的含量、組成等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).高達(dá)24%.磷石膏是復(fù)雜的多組分結(jié)晶體,主要有針狀晶體、板狀晶體和密實(shí)晶體,其晶體粗大,表面覆蓋可溶磷、有機(jī)物等雜質(zhì).磷石膏的主要化學(xué)組成見表1.
表1 工業(yè)廢料磷石膏主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of industrial waste phosphogypsum
研究所用改良工業(yè)廢料磷石膏的摻加物有:Ⅰ型液黏劑(A)、Ⅱ型液黏劑(A′)、M32.5砌筑水泥(C)、生石灰(L)、β型半水石膏(G).液黏劑成分配合比見專利[10].
各改良磷石膏試件配合比見表2.配合比以各摻加物占風(fēng)干磷石膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì).同時(shí),制備無摻加物的磷石膏試件作為對照組(P).
參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0804—1994方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),選擇重型擊實(shí)和干土法,僅對試件P、A3、AC1、ACL6、A′G4進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn).根據(jù)JTG E51—2009規(guī)程中T 0843—2009、T 0845—2009方法來確定磷石膏及改良磷石膏的最佳含水率和最大干密度.
無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照J(rèn)TG E51—2009規(guī)程中T 0805—1994方法進(jìn)行,試件采用靜壓法制作,為直徑5 cm、高5 cm、體積98.2 cm3的圓柱體試件.每組制作14個(gè)試件,其中7個(gè)試件在標(biāo)準(zhǔn)條件((20±2)℃,相對濕度95%以上)下養(yǎng)護(hù)6 d,再在飽水條件((20±2)℃,試件浸泡于水中)下養(yǎng)護(hù)1 d;另外7個(gè)試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d.對養(yǎng)護(hù)至7 d后的各試件進(jìn)行UCS試驗(yàn),得到飽水養(yǎng)護(hù)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度UCS′和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度UCS.水穩(wěn)定性系數(shù)K取UCS′與UCS的比值,結(jié)果均列于表2.
表2 改良磷石膏試件配合比、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性Table 2 Mix proportion,unconfined compression strength and water stability of modified phosphogypsum specimens
為研究養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,對ACL3組的7個(gè)試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、14、21、28 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn);另外7個(gè)試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6、13、20、27 d后飽水養(yǎng)護(hù)1 d,再進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).
參照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中T 0134—1993方法,對試件A′G5、A′G6(摻加不同比例的Ⅱ型液黏劑與石膏組)與P(無摻加物的磷石膏),進(jìn)行90%、95%、98%壓實(shí)度下的CBR試驗(yàn).
為了定量地模擬改良磷石膏路基竣工后5 a內(nèi)不同壓實(shí)度和不同填土高度下路基頂面沉降量,進(jìn)行離心機(jī)試驗(yàn).設(shè)計(jì)壓實(shí)度85%、95%、100%,填土高度4、8、12、16、20 m的15組土樣.試驗(yàn)采用西南交通大學(xué)土工離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室TLJ-2型離心機(jī),離心加速度為100g,干密度比例尺為1∶1,土樣壓實(shí)度由干密度控制,因此壓實(shí)度比例尺也為1∶1,幾何比例尺為1∶100,以2 cm作為1個(gè)單位厚度(環(huán)刀高度),先用靜壓法制作高度為2 cm的土樣,然后將環(huán)刀和其中的土樣疊起來以達(dá)到各土樣厚度,最后放入離心模型架的土樣筒中.離心模型架見圖1,頂板和底板均為鋼板(高剛度可排除試驗(yàn)過程中板體變形誤差)離心模型架共18個(gè)筒,由于試驗(yàn)設(shè)備所限,只使用了15個(gè)筒(每個(gè)筒為不同的填土高度和壓實(shí)度).本試驗(yàn)采用HG-C1400型和HG-C1200型2種激光位移計(jì),傳感器支架固定在頂板上,可通過支架來調(diào)節(jié)桶內(nèi)激光傳感器高度.由固結(jié)參數(shù)的時(shí)間比例尺可知模擬路基5 a的沉降只需4.3 h.
圖1 離心模型架Fig.1 Centrifuge model bracket
為了通過分層總和法計(jì)算土樣在自重作用下的總沉降,參照J(rèn)TG E40—2007規(guī)程中T 0137—1993單軸固結(jié)儀法,對85%、95%、100%壓實(shí)度的土樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),測定其壓縮模量Es.
試件P、A3、AC1、ACL6、A′G4的擊實(shí)曲線如圖2所示.由圖2可見,最佳含水率平均值14.91%,最大干密度平均值1.61 g/cm3.5組改良方案摻加物質(zhì)量最大的是A′G4,其最大干密度和最佳含水率并未見明顯變化.
圖2 試件P、A3、AC1、ACL6、A′G4的擊實(shí)曲線Fig.2 Compaction curves of specimen P,A3,AC1,ACL6,A′G4
各改良磷石膏試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果列于表2,由表2可見:當(dāng)2種液黏劑單摻的摻量較少時(shí),飽水試件不具有強(qiáng)度,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與液黏劑摻量成正比.由單摻液黏劑的A、A′組對比可知,Ⅱ型液黏劑較Ⅰ型液黏劑對磷石膏的改良效果更好.由A與AC組對比可知飽水試件仍具有較高強(qiáng)度,說明復(fù)摻效果優(yōu)于單摻,水泥可以提高磷石膏的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.
由表2中Ⅰ型液黏劑與水泥、生石灰以不同比例復(fù)摻時(shí)AC、ACL、ACL′組的UCS試驗(yàn)結(jié)果可見:當(dāng)水泥、生石灰以等質(zhì)量摻加時(shí)ACL組較主摻水泥的ACL′組效果更好,當(dāng)生石灰摻量增加到2.50%時(shí)(水泥、生石灰總摻量5.00%),UCS到達(dá)峰值,說明存在水泥、生石灰復(fù)摻最佳配合比.在水泥、生石灰總摻量為7.00%時(shí),ACL與ACL′組的UCS相差很小.說明水泥和生石灰復(fù)摻的比例決定了磷石膏改良后強(qiáng)度的變化趨勢,水泥和生石灰總摻量決定了不同改良方案下的強(qiáng)度增量.
由表2中Ⅰ型液黏劑與半水石膏、生石灰復(fù)摻時(shí)AGL組、Ⅰ型液黏劑與不同比例水泥、生石灰復(fù)摻時(shí)ACL、ACL′組的UCS試驗(yàn)結(jié)果可知:在摻加等質(zhì)量生石灰的情況下,額外摻加水泥的試件UCS要高于額外摻加半水石膏的試件;此外,由UCS′數(shù)據(jù)對比可知,摻加水泥的試件水穩(wěn)定性改良效果優(yōu)于摻加半水石膏的試件,說明生石灰與水泥復(fù)摻效果要優(yōu)于生石灰與半水石膏復(fù)摻效果;不等質(zhì)量復(fù)摻水泥、生石灰的改良效果也要優(yōu)于半水石膏、生石灰的改良效果.
水泥先通過硅酸鹽和鋁酸鹽水化形成水泥漿,然后水泥漿中的Ca2+與土體中金屬離子發(fā)生離子置換,形成水泥土,凝結(jié)為空間網(wǎng)絡(luò),空間網(wǎng)絡(luò)逐漸變密實(shí)硬化,最后Ca(OH)2發(fā)生碳化反應(yīng),強(qiáng)度提高[11].生石灰是先通過CaO水化,Ca2+與土體低價(jià)陽離子發(fā)生置換導(dǎo)致分子引力增大,形成小土團(tuán),接著發(fā)生火山灰反應(yīng),土體密實(shí)度、強(qiáng)度水穩(wěn)定性都有所提高,最后熟石灰碳化致使土體強(qiáng)度增強(qiáng).水泥、生石灰雙摻時(shí),水泥中SiO2、Al2O3與生石灰充分發(fā)生火山灰反應(yīng),較單摻時(shí)強(qiáng)度更高,因此表2中的ACL組與ACL′組UCS要高于AC組.生石灰在摻量較低時(shí),主要起穩(wěn)定作用,降低土體的塑性和親水性,增強(qiáng)水穩(wěn)定性.水泥、生石灰摻量超過某個(gè)界限后,水泥已不需要過多的生石灰參與火山灰反應(yīng),部分生石灰殘留在土體孔隙中,導(dǎo)致改良土體強(qiáng)度不再增長甚至降低.
由表2中Ⅱ型液黏劑與半水石膏復(fù)摻時(shí)A′G組的UCS試驗(yàn)結(jié)果可知:未飽水時(shí),半水石膏摻量10%的試件UCS略大于半水石膏摻量5%的試件;飽水時(shí),半水石膏摻量10%的試件在液黏劑摻量為0.50%時(shí)即具有強(qiáng)度,而半水石膏摻量5%的試件在液黏劑摻量為0.75%時(shí)才具有強(qiáng)度.說明Ⅱ型液黏劑及半水石膏復(fù)合摻量對工業(yè)廢料磷石膏強(qiáng)度提高較小,對水穩(wěn)定性提高較大.
試件ACL3在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖3.由圖3可見:試件ACL3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而增大;標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度UCS較飽水養(yǎng)護(hù)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度UCS′增長更快.這是由于飽水養(yǎng)護(hù)下水泥已經(jīng)充分水化,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下水泥接觸水分條件有限,未能完全水化,隨齡期延長,逐漸完成水化凝結(jié)硬化.
圖3 試件ACL3在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 Unconfined compression strength of specimen ACL3 at different ages
各改良磷石膏試件的水穩(wěn)定性系數(shù)K見表2所示.由表2可知:Ⅱ型液黏劑比Ⅰ型液黏劑對磷石膏的水穩(wěn)定性改良效果更好;摻加Ⅰ型液黏劑的改良磷石膏ACL中,水泥與生石灰等比例摻加且兩者摻量均為2.5%時(shí),改良磷石膏水穩(wěn)定性最好,其飽水養(yǎng)護(hù)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件;復(fù)摻水泥與生石灰改良磷石膏ACL和ACL′的水穩(wěn)定性優(yōu)于復(fù)摻生石灰與半水石膏改良磷石膏AGL.
復(fù)摻水泥與生石灰改良磷石膏水穩(wěn)定性較好的原因?yàn)椋核嗯c生石灰發(fā)生結(jié)晶硬化,與磷石膏形成共晶體,導(dǎo)致試件溶解度降低;火山灰作用的膠凝物在微小磷石膏團(tuán)外圍形成保護(hù)膜,減少了試件透水性;碳化作用形成的CaCO3等鹽類對磷石膏顆粒起膠結(jié)作用,試件整體性加強(qiáng).以上3種作用共同提高了改良磷石膏的水穩(wěn)定性.
90%、95%、98%壓實(shí)度下試件A′G5、A′G6和P的CBR試驗(yàn)結(jié)果見表3.其中試件P在CBR試驗(yàn)預(yù)壓階段已達(dá)2.5 mm位移,其加州承載比CBR=0%.由表3可知:改良磷石膏試件A′G5、A′G6的CBR隨著壓實(shí)度的增大而增大,這是因?yàn)閴簩?shí)度增大減小了土粒間空隙,土粒嵌合更緊密,提高了抗剪強(qiáng)度;半水石膏摻量均為10%時(shí),增加Ⅱ型液黏劑摻量對CBR影響不大;3種試件吸水量均隨著壓實(shí)度的增大而降低,這是因?yàn)閴簩?shí)度增大減小了土粒間空隙,試件滲透性降低,擊實(shí)試驗(yàn)排出的自由水無法得到補(bǔ)充,因此試件吸水量降低.
CBR試驗(yàn)飽水4 d膨脹量結(jié)果見表3.由表3可見,試件A′G5在90%壓實(shí)度下膨脹量最大,為0.60 mm,與陳善雄等[12]研究的中、弱膨脹土CBR膨脹量試驗(yàn)對比,可將試件A′G5、A′G6和P視為非膨脹土或弱膨脹土;添加半水石膏和液黏劑后,膨脹量幾乎不變,可見半水石膏和液黏劑對磷石膏膨脹性的影響極??;同種試件膨脹量隨著壓實(shí)度的增高基本呈降低趨勢,這是由于壓實(shí)度增高,試件滲透性降低,內(nèi)部補(bǔ)充的自由水減少所致.
表3 CBR試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of CBR
綜上所述:改良磷石膏A′4、AGL3、A′G3、A′L、A′G、A′GL1、A′GL2可以滿足JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》石灰穩(wěn)定土對二級及二級以下公路在路面基層及底基層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求(500~700 kPa);改良磷石膏ACL4、ACL5、ACL6、ACL′4、ACL′5、ACL′6可以滿足JTGT F20—2015細(xì)則對水泥穩(wěn)定土二級及二級以下公路在路面底基層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求(1 000~3 000 kPa).JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中,高速公路、一級公路對路床CBR最小值的要求為8%,改良磷石膏A′G5、A′G6的CBR值均高于規(guī)范要求,可以作為各等級公路的路床;高速公路、一級公路對路堤CBR最小值的要求為4%,改良磷石膏A′G5、A′G6也可滿足此要求.因此,對水穩(wěn)定性要求較高的地區(qū)(南方)或強(qiáng)度要求較高的地區(qū),推薦采用改良磷石膏ACL4、ACL5、ACL6、ACL′4、ACL′5、ACL′6的配合比;對水穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求較低的地區(qū)推薦采用改良磷石膏A′G5、A′G6的配合比.在滿足路基路面強(qiáng)度要求的前提下,考慮經(jīng)濟(jì)性因素后,選擇性價(jià)比較高的改良磷石膏A′G5來進(jìn)行后續(xù)壓縮試驗(yàn)和離心機(jī)試驗(yàn).
對離心試驗(yàn)所得不同壓實(shí)度、不同填土高度土樣由于自重產(chǎn)生的沉降量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并作幾何比例尺轉(zhuǎn)換,得到沉降量-時(shí)間(S-t)曲線,見圖4~6.在竣工初期,S-t曲線斜率較大,此階段沉降占最終沉降比例也很大,說明竣工初期,路基沉降速度較快,填土的固結(jié)并未徹底結(jié)束,在中期,路基沉降速度明顯放緩,說明此時(shí)路基固結(jié)基本完成,開始進(jìn)入次固結(jié)階段,路基沉降的原因以土的蠕變?yōu)橹?路基填土高度越高,最終沉降越大,固結(jié)期也越長.對比圖4~6可知,相同填土高度下,壓實(shí)度越低的填土,殘余形變越大,固結(jié)期也越長.
圖4 85%壓實(shí)度下路基頂面S-t曲線Fig.4 S-t curves of subgrade under 85% degree of compaction
圖5 95%壓實(shí)度下路基頂面S-t曲線Fig.5 S-t curves of subgrade under 95% degree of compaction
圖6 100%壓實(shí)度下路基頂面S-t曲線Fig.6 S-t curves of subgrade under 100%degree of compaction
改良磷石膏A′G5的壓縮模量結(jié)果見表4.最終沉降采用分層總和法來計(jì)算,具體步驟如下:(1)將路基由頂至底進(jìn)行分層,第1層和第2層為1 m厚(離心模型半個(gè)環(huán)刀高),以下各層均為2 m厚(離心模型一個(gè)環(huán)刀高);(2)壓縮模量計(jì)算:最頂層質(zhì)量較小,不考慮其自重沉降,其余各層均以該層上覆質(zhì)量與壓縮試驗(yàn)所得Es之比作為該層壓縮模量,不同填土高度土層的Es由壓縮試驗(yàn)所得結(jié)果(表4)內(nèi)插可得;(3)沉降量計(jì)算:第1層由于沒有上覆質(zhì)量故沉降量極小,忽略不計(jì),將其余各層沉降量累加,得到各壓實(shí)度、各填土高度下的路基頂面最終沉降,結(jié)果見圖7~9.由圖7~9可擬合得到不同壓實(shí)度、不同填土高度下路基頂面沉降的時(shí)程公式,以便得到工后不同時(shí)刻的路基頂面沉降值并進(jìn)行定量分析.由于篇幅所限,擬合公式不在此給出.
圖7 85%壓實(shí)度路基頂面最終沉降Fig.7 Final settlement of subgrade under 85% degree of compaction
表4 改良磷石膏A′G5的壓縮模量EsTable 4 Es of modified phosphogypsum A′G5
圖8 95%壓實(shí)度路基頂面最終沉降Fig.8 Final settlement of subgrade under 95% degree of compaction
圖9 100%壓實(shí)度路基頂面最終沉降Fig.9 Final settlement of subgrade under 100% degree of compaction
將離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與分層總和法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,可知試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為接近,數(shù)據(jù)可靠性較高.但由于分層總和法計(jì)算時(shí)忽略了路基最頂層的自重沉降,因此其相對于離心試驗(yàn)結(jié)果存在一定差值.粉土等一般路基容許工后沉降在公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中并未給出,參考DG/TJ 08-2237—2017《道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》:高速公路、一級公路、城市快速路、城市主干路工后沉降要求不大于20 cm,其他道路工后沉降要求不大于30 cm.85%、95%、100%壓實(shí)度的20 m及以下高度的路堤均可滿足20 cm的工后沉降要求.
(1)工業(yè)廢料磷石膏直接用于路基路面填料無法滿足水穩(wěn)定性要求,摻加液黏劑等可以改善其水穩(wěn)定性.當(dāng)水泥與生石灰等比例摻加時(shí),試件水穩(wěn)定性最好.隨齡期延長,改良磷石膏未飽水時(shí)強(qiáng)度增長較飽水時(shí)更快.改良磷石膏吸水量隨著壓實(shí)度的增大而降低.
(2)水泥與生石灰以等質(zhì)量摻加較主摻水泥效果更好,生石灰增加到風(fēng)干磷石膏質(zhì)量的2.5%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度到達(dá)峰值.經(jīng)過改良的磷石膏可以滿足路床路堤的強(qiáng)度要求,綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素后,半水石膏占風(fēng)干磷石膏質(zhì)量10%,液黏劑占風(fēng)干磷石膏質(zhì)量0.5%為最佳配合比.
(3)85%、95%、100%壓實(shí)度的20 m及以下高度的路堤均可滿足20 cm的工后沉降要求.