固體廢棄物資源化對全球可持續發展具有重要意義。當前我國的固體廢棄物的排放量巨大,在工業廢棄物中粉煤灰和化學石膏是2種最大的污染源。通常每生產1tP2O5的濕法磷酸,一般要產生4.5～5.5t磷石膏。目前,我國濕法磷酸總年產量約2600萬tP2O5,副產磷石膏約1.3億t,利用率僅為4.3%～4.6%。我國滿負荷生產時年排放磷石膏約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,造成了嚴重的環境污染。

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,在我國有一定的應用規模,但是其強度受制于石灰粉煤灰之間緩慢的火山灰反應而發展緩慢,早期強度低,極大制約了其推廣應用。利用石膏對粉煤灰強度的硫酸鹽激發作用,研制一種磷石膏粉煤灰石灰結合料,并對其配合比進行了優化研究,可用于路基和路面基層底基層材料,可用于穩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

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　試驗方法

擊實試驗執行交通部規范T0804—94。無側限抗壓強度執行交通部規范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　結果與討論

試驗初步研究了磷石膏-粉煤灰-石灰結合料的組配對結合料的干容重、強度等性能的影響,并以材料的7d的無側限抗壓強度為指標,確定材料的最佳配比范圍,以及粉煤灰種類、壓實度對材料的7d強度的影響。該文還用磷石膏粉煤灰石灰結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合料的組配

本試驗對磷石膏粉煤灰石灰中的磷石膏粉煤灰比例,石灰摻量對結合料7d強度的影響進行研究,確定該結合料的合理組配范圍,試驗中粉煤灰∶磷石膏在92∶0到10∶82范圍內變動,石灰摻量在內摻4%～10%范圍內變動,試驗中結合料的壓實度為96%。其試驗結果見表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-石灰結合料的強度比石灰粉煤灰結合料的強度提高1倍以上,可根本解決傳統二灰(石灰粉煤灰)類路面基層材料早期強度低的缺點。該材料的合理的配比范圍為:磷石膏∶粉煤灰約在1∶1左右,石灰類穩定劑摻量超過8%后強度有所降低,應將穩定劑摻量控制在6%～8%。

2.2　壓實度對磷石膏粉煤灰石灰結合料強度的影響

磷石膏粉煤灰石灰結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部各種結構單元之間互相作用力強弱的反應,較大的干密度意味著越小的孔隙率和結構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度。試驗將4種配比的結合料制成93%、96%2種不同的壓實度的結合料,其7d強度見表3。

從表3試驗可以看出:壓實度為93%時結合料的強度比壓實度為96%時穩定體的強度有大幅降低。96%、93%時強度均在1.5～2.0MPa,可達到高等級公路路面基層二灰類材料的強度標準(≥0.8MPa)。當這種結合料在壓實度為93%或較低時,可用于路基的回填材料。

2.3　磷石膏粉煤灰石灰結合料穩定碎石基層材料

磷石膏粉煤灰石灰結合料穩定碎石作路面基層材料,壓實度為98%。其試驗結果見表4。

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

3　磷石膏粉煤灰石灰結合料的穩定機理

粉煤灰中加入一定量的石灰后,會發生火山灰反應,反應的定性描述是：

xCa(OH)2+SiO2+nH2O

xCaO·SiO2·(n+x)H2O

yCa(OH)2+Al2O3+nH2O

yCaO·Al2O3·(n+y)H2O

當磷石膏(CaSO4·2H2O)大量存在時,活性Al2O3的反應產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

取配比為穩定劑∶粉煤灰∶磷石膏=8∶40∶52的結合料,28d齡期的試樣在日本產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,其形成與生長會產生一定的膨脹,有利于材料內部粒料的結構連接的形成;SO42-離子的存在可激發粉煤灰的火山灰活性,加快反應的進程。磷石膏呈針狀、板狀等形貌(見圖1(a)),而粉煤灰多數呈球狀,磷石膏粉煤灰結合料中顆粒之間較大的內摩擦力,磷石膏穿插在結合料中(見圖1(b)),也有利于其強度的形成。粉煤灰在7天時表面有明顯的反應跡象,基本被反應產物覆蓋,而在28d則被針棒狀的反應產物和纖維狀的產物覆蓋,這些產物應該是AFt和C—S—H凝膠。

4　結　論

a.磷石膏粉煤灰石灰結合料和傳統二灰相比,強度提高1～2倍,最佳的配比范圍在磷石膏∶粉煤灰約1∶1,石灰類穩定劑的摻量為6%～8%。

b.壓實度對磷石膏粉煤灰石灰穩定劑的強度影響較大。當壓實度為93%～96%時,可達到高等級公路二灰類路面基層材料的強度要求;當壓實度為93%或較低時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二灰碎石強度提高約50%～100%,可達到高等級公路二灰類材料的強度標準。

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

文章來源：《建材世界》2009年第三十卷第五期，張英富等