固體廢棄物資源化對全球可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前我國的固體廢棄物的排放量巨大,在工業(yè)廢棄物中粉煤灰和化學(xué)石膏是2種最大的污染源。通常每生產(chǎn)1tP2O5的濕法磷酸,一般要產(chǎn)生4.5～5.5t磷石膏。目前,我國濕法磷酸總年產(chǎn)量約2600萬tP2O5,副產(chǎn)磷石膏約1.3億t,利用率僅為4.3%～4.6%。我國滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)年排放磷石膏約2000萬t,利用率極低。近來我國脫硫石膏的年產(chǎn)生量也超過1000萬t。目前的粉煤灰年排放量約為2.0億t,利用率也只有45%。磷石膏和粉煤灰的大量堆存,占用大量的土地和水域,造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

石灰粉煤灰路面基層可以大量利用粉煤灰,并有很好的抗裂性,在我國有一定的應(yīng)用規(guī)模,但是其強(qiáng)度受制于石灰粉煤灰之間緩慢的火山灰反應(yīng)而發(fā)展緩慢,早期強(qiáng)度低,極大制約了其推廣應(yīng)用。利用石膏對粉煤灰強(qiáng)度的硫酸鹽激發(fā)作用,研制一種磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料,并對其配合比進(jìn)行了優(yōu)化研究,可用于路基和路面基層底基層材料,可用于穩(wěn)定砂礫和碎石用于高等級路面基層和底基層的鋪筑。為大量利用廢石膏和濕排粉煤灰探索了一條有效的途徑。

1　試　驗(yàn)

1.1　原材料

磷石膏取自襄陽縣磷肥廠磷石膏堆場。粉煤灰取自襄樊熱電廠,有干排灰和濕排灰2種。穩(wěn)定劑由生石灰加入10%的外加劑磨制而成。碎石取自襄樊市5～30mm碎石。

1.2　試驗(yàn)方法

擊實(shí)試驗(yàn)執(zhí)行交通部規(guī)范T0804—94。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度執(zhí)行交通部規(guī)范T0805—94,粉煤灰磷石膏用φ5.0×5.0cm3試模成型,而粉煤灰碎石則采用φ10×10cm3試模成型。

2　結(jié)果與討論

試驗(yàn)初步研究了磷石膏-粉煤灰-石灰結(jié)合料的組配對結(jié)合料的干容重、強(qiáng)度等性能的影響,并以材料的7d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo),確定材料的最佳配比范圍,以及粉煤灰種類、壓實(shí)度對材料的7d強(qiáng)度的影響。該文還用磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料和碎石制備的路面基層材料。

2.1　磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料的組配

本試驗(yàn)對磷石膏粉煤灰石灰中的磷石膏粉煤灰比例,石灰摻量對結(jié)合料7d強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究,確定該結(jié)合料的合理組配范圍,試驗(yàn)中粉煤灰∶磷石膏在92∶0到10∶82范圍內(nèi)變動(dòng),石灰摻量在內(nèi)摻4%～10%范圍內(nèi)變動(dòng),試驗(yàn)中結(jié)合料的壓實(shí)度為96%。其試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出:磷石膏摻量加大,干容重逐漸增加,由于磷石膏比重比粉煤灰略大。磷石膏-粉煤灰-石灰結(jié)合料的強(qiáng)度比石灰粉煤灰結(jié)合料的強(qiáng)度提高1倍以上,可根本解決傳統(tǒng)二灰(石灰粉煤灰)類路面基層材料早期強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。該材料的合理的配比范圍為:磷石膏∶粉煤灰約在1∶1左右,石灰類穩(wěn)定劑摻量超過8%后強(qiáng)度有所降低,應(yīng)將穩(wěn)定劑摻量控制在6%～8%。

2.2　壓實(shí)度對磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料強(qiáng)度的影響

磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料是一種多孔的材料,其干密度隨成型的壓力或碾壓功的變化而變化,這種材料干密度是材料孔隙率及材料內(nèi)部各種結(jié)構(gòu)單元之間互相作用力強(qiáng)弱的反應(yīng),較大的干密度意味著越小的孔隙率和結(jié)構(gòu)單元之間較多的接觸和較大的連接力,也就意味著較高的強(qiáng)度。試驗(yàn)將4種配比的結(jié)合料制成93%、96%2種不同的壓實(shí)度的結(jié)合料,其7d強(qiáng)度見表3。

從表3試驗(yàn)可以看出:壓實(shí)度為93%時(shí)結(jié)合料的強(qiáng)度比壓實(shí)度為96%時(shí)穩(wěn)定體的強(qiáng)度有大幅降低。96%、93%時(shí)強(qiáng)度均在1.5～2.0MPa,可達(dá)到高等級公路路面基層二灰類材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)(≥0.8MPa)。當(dāng)這種結(jié)合料在壓實(shí)度為93%或較低時(shí),可用于路基的回填材料。

2.3　磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料穩(wěn)定碎石基層材料

磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料穩(wěn)定碎石作路面基層材料,壓實(shí)度為98%。其試驗(yàn)結(jié)果見表4。

用粉煤灰磷石膏碎石路面基層材料強(qiáng)度比二灰類提高50%～100%,強(qiáng)度有了根本的改善,都達(dá)到了高等級路面二灰類基層材料的強(qiáng)度要求。

3　磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料的穩(wěn)定機(jī)理

粉煤灰中加入一定量的石灰后,會發(fā)生火山灰反應(yīng),反應(yīng)的定性描述是：

xCa(OH)2+SiO2+nH2O

xCaO·SiO2·(n+x)H2O

yCa(OH)2+Al2O3+nH2O

yCaO·Al2O3·(n+y)H2O

當(dāng)磷石膏(CaSO4·2H2O)大量存在時(shí),活性Al2O3的反應(yīng)產(chǎn)物將會被三硫型鈣礬石(AFt)所取代。

3Ca(OH)2+Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

取配比為穩(wěn)定劑∶粉煤灰∶磷石膏=8∶40∶52的結(jié)合料,28d齡期的試樣在日本產(chǎn)SX-40型掃描電子顯微鏡下觀察電鏡照片如圖1所示。

粉煤灰磷石膏路面基層材料是一種多孔的材料,AFt呈針棒狀,其形成與生長會產(chǎn)生一定的膨脹,有利于材料內(nèi)部粒料的結(jié)構(gòu)連接的形成;SO42-離子的存在可激發(fā)粉煤灰的火山灰活性,加快反應(yīng)的進(jìn)程。磷石膏呈針狀、板狀等形貌(見圖1(a)),而粉煤灰多數(shù)呈球狀,磷石膏粉煤灰結(jié)合料中顆粒之間較大的內(nèi)摩擦力,磷石膏穿插在結(jié)合料中(見圖1(b)),也有利于其強(qiáng)度的形成。粉煤灰在7天時(shí)表面有明顯的反應(yīng)跡象,基本被反應(yīng)產(chǎn)物覆蓋,而在28d則被針棒狀的反應(yīng)產(chǎn)物和纖維狀的產(chǎn)物覆蓋,這些產(chǎn)物應(yīng)該是AFt和C—S—H凝膠。

4　結(jié)　論

a.磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料和傳統(tǒng)二灰相比,強(qiáng)度提高1～2倍,最佳的配比范圍在磷石膏∶粉煤灰約1∶1,石灰類穩(wěn)定劑的摻量為6%～8%。

b.壓實(shí)度對磷石膏粉煤灰石灰穩(wěn)定劑的強(qiáng)度影響較大。當(dāng)壓實(shí)度為93%～96%時(shí),可達(dá)到高等級公路二灰類路面基層材料的強(qiáng)度要求;當(dāng)壓實(shí)度為93%或較低時(shí)仍可用于路基的回填材料。

c.磷石膏粉煤灰石灰碎石路面基層比傳統(tǒng)二灰碎石強(qiáng)度提高約50%～100%,可達(dá)到高等級公路二灰類材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

d.磷石膏粉煤灰石灰結(jié)合料的強(qiáng)度來源于石灰和粉煤灰之間的火山灰反應(yīng),AFt的大量形成及磷石膏的片狀晶體間較大的內(nèi)摩擦力。

文章來源：《建材世界》2009年第三十卷第五期，張英富等