固体废弃物资源化对全球可持续发展具有重要意义。当前我国的固体废弃物的排放量巨大,在工业废弃物中粉煤灰和化学石膏是2种最大的污染源。通常每生产1tP2O5的湿法磷酸,一般要产生4.5～5.5t磷石膏。目前,我国湿法磷酸总年产量约2600万tP2O5,副产磷石膏约1.3亿t,利用率仅为4.3%～4.6%。我国满负荷生产时年排放磷石膏约2000万t,利用率极低。近来我国脱硫石膏的年产生量也超过1000万t。目前的粉煤灰年排放量约为2.0亿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,造成了严重的环境污染。

石灰粉煤灰路面基层可以大量利用粉煤灰,并有很好的抗裂性,在我国有一定的应用规模,但是其强度受制于石灰粉煤灰之间缓慢的火山灰反应而发展缓慢,早期强度低,极大制约了其推广应用。利用石膏对粉煤灰强度的硫酸盐激发作用,研制一种磷石膏粉煤灰石灰结合料,并对其配合比进行了优化研究,可用于路基和路面基层底基层材料,可用于稳定砂砾和碎石用于高等级路面基层和底基层的铺筑。为大量利用废石膏和湿排粉煤灰探索了一条有效的途径。

1　试　验

1.1　原材料

磷石膏取自襄阳县磷肥厂磷石膏堆场。粉煤灰取自襄樊热电厂,有干排灰和湿排灰2种。稳定剂由生石灰加入10%的外加剂磨制而成。碎石取自襄樊市5～30mm碎石。

1.2　试验方法

击实试验执行交通部规范T0804—94。无侧限抗压强度执行交通部规范T0805—94,粉煤灰磷石膏用φ5.0×5.0cm3试模成型,而粉煤灰碎石则采用φ10×10cm3试模成型。

2　结果与讨论

试验初步研究了磷石膏-粉煤灰-石灰结合料的组配对结合料的干容重、强度等性能的影响,并以材料的7d的无侧限抗压强度为指标,确定材料的最佳配比范围,以及粉煤灰种类、压实度对材料的7d强度的影响。该文还用磷石膏粉煤灰石灰结合料和碎石制备的路面基层材料。

2.1　磷石膏粉煤灰石灰结合料的组配

本试验对磷石膏粉煤灰石灰中的磷石膏粉煤灰比例,石灰掺量对结合料7d强度的影响进行研究,确定该结合料的合理组配范围,试验中粉煤灰∶磷石膏在92∶0到10∶82范围内变动,石灰掺量在内掺4%～10%范围内变动,试验中结合料的压实度为96%。其试验结果见表2。

从表2可以看出:磷石膏掺量加大,干容重逐渐增加,由于磷石膏比重比粉煤灰略大。磷石膏-粉煤灰-石灰结合料的强度比石灰粉煤灰结合料的强度提高1倍以上,可根本解决传统二灰(石灰粉煤灰)类路面基层材料早期强度低的缺点。该材料的合理的配比范围为:磷石膏∶粉煤灰约在1∶1左右,石灰类稳定剂掺量超过8%后强度有所降低,应将稳定剂掺量控制在6%～8%。

2.2　压实度对磷石膏粉煤灰石灰结合料强度的影响

磷石膏粉煤灰石灰结合料是一种多孔的材料,其干密度随成型的压力或碾压功的变化而变化,这种材料干密度是材料孔隙率及材料内部各种结构单元之间互相作用力强弱的反应,较大的干密度意味着越小的孔隙率和结构单元之间较多的接触和较大的连接力,也就意味着较高的强度。试验将4种配比的结合料制成93%、96%2种不同的压实度的结合料,其7d强度见表3。

从表3试验可以看出:压实度为93%时结合料的强度比压实度为96%时稳定体的强度有大幅降低。96%、93%时强度均在1.5～2.0MPa,可达到高等级公路路面基层二灰类材料的强度标准(≥0.8MPa)。当这种结合料在压实度为93%或较低时,可用于路基的回填材料。

2.3　磷石膏粉煤灰石灰结合料稳定碎石基层材料

磷石膏粉煤灰石灰结合料稳定碎石作路面基层材料,压实度为98%。其试验结果见表4。

用粉煤灰磷石膏碎石路面基层材料强度比二灰类提高50%～100%,强度有了根本的改善,都达到了高等级路面二灰类基层材料的强度要求。

3　磷石膏粉煤灰石灰结合料的稳定机理

粉煤灰中加入一定量的石灰后,会发生火山灰反应,反应的定性描述是：

xCa(OH)2+SiO2+nH2O

xCaO·SiO2·(n+x)H2O

yCa(OH)2+Al2O3+nH2O

yCaO·Al2O3·(n+y)H2O

当磷石膏(CaSO4·2H2O)大量存在时,活性Al2O3的反应产物将会被三硫型钙矾石(AFt)所取代。

3Ca(OH)2+Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

取配比为稳定剂∶粉煤灰∶磷石膏=8∶40∶52的结合料,28d龄期的试样在日本产SX-40型扫描电子显微镜下观察电镜照片如图1所示。

粉煤灰磷石膏路面基层材料是一种多孔的材料,AFt呈针棒状,其形成与生长会产生一定的膨胀,有利于材料内部粒料的结构连接的形成;SO42-离子的存在可激发粉煤灰的火山灰活性,加快反应的进程。磷石膏呈针状、板状等形貌(见图1(a)),而粉煤灰多数呈球状,磷石膏粉煤灰结合料中颗粒之间较大的内摩擦力,磷石膏穿插在结合料中(见图1(b)),也有利于其强度的形成。粉煤灰在7天时表面有明显的反应迹象,基本被反应产物覆盖,而在28d则被针棒状的反应产物和纤维状的产物覆盖,这些产物应该是AFt和C—S—H凝胶。

4　结　论

a.磷石膏粉煤灰石灰结合料和传统二灰相比,强度提高1～2倍,最佳的配比范围在磷石膏∶粉煤灰约1∶1,石灰类稳定剂的掺量为6%～8%。

b.压实度对磷石膏粉煤灰石灰稳定剂的强度影响较大。当压实度为93%～96%时,可达到高等级公路二灰类路面基层材料的强度要求;当压实度为93%或较低时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层比传统二灰碎石强度提高约50%～100%,可达到高等级公路二灰类材料的强度标准。

d.磷石膏粉煤灰石灰结合料的强度来源于石灰和粉煤灰之间的火山灰反应,AFt的大量形成及磷石膏的片状晶体间较大的内摩擦力。

文章来源：《建材世界》2009年第三十卷第五期，张英富等