（岩土工程专业论文）粉煤灰改性磷石膏及其混合料工程性质试验研究.pdf

摘要 摘要 磷石膏是化工厂用磷灰石与硫酸作用，湿法生产磷酸时产生的副产品。每生 产1 t p o 。大约产生5 t 磷石膏。在湿处理磷酸生产中产生的石膏废料，是磷工业 主要的废料处理问题，通常也是急需解决的环境问题。我国的磷石膏年产量7 0 0 余万t ，而每年的利用率较低。 论文首先介绍了磷石膏的产生和目前的主要应用领域。目前磷石膏的利用领 域包括工业，农业，化工。同时越来越多的土木工程工作者开始对磷石膏运用于 工程建筑中的可行性进行研究。 本论文以宿迁磷石膏堆弃物为研究背景，对其是否能够用于道路工程做出了 探索性试验研究。论文首先分析了磷石膏本身的化学物理性质以及其力学性质。 由于磷石膏具有遇水容易软化的性质，不能直接用于路基的填料，所以对其加以 改性。论文通过在磷石膏中加入粉煤灰来对其力学性质进行进一步的研究，发现 其力学性质有了一定的提高。同时论文研究了以石灰为添加剂的情况下，混合料 强度的变化以及其压缩性质的改变，为其能够用于实际工程提供一定的依据。 通过分析粉煤灰改性磷石膏强度的结果，论文将其改性后的磷石膏掺入土 中，对其产生的工程性质进行了进一步的研究，研究结果表明，这种材料在加入 土中之后，有利于土的工程力学性质的改善。并且在这个基础上以大量的试验数 据为依据，通过统计学知识，提出了一个土和改性磷石膏混合料配比的强度关系 公式。为其加入各种成分后强度的改变提供了一定的关系，试验表明在土中加入 磷石膏有利于强度的提高，同时粉煤灰的含量的多少对其强度的影响是相当显著 的。论文研究了以石灰为添加剂后土与改性磷石膏强度的改变，发现加入少量的 石灰后，混合料后期强度将有所提高，且其在长期的观察中不会产生膨胀作用。 通过以上试验和分析，论文给出了一个较合理的配比，以加入磷石膏，粉煤灰质 量比为7 ：3 时的材料占其与土的总混合料3 0 时作为最优配比。 通过分析粉煤灰改性磷石膏强度的结果，论文对其能够用于路基基层材料的 填筑做了初步的探讨。磷石膏、粉煤灰混合料以石灰为添加剂掺入碎石中发现工 程力学性质较好，对于路基基层材料来说其刚度较大，干缩性不明显，认为其是 摘要 一种可行的路基基层填筑材料。论文为了与实际工程相结合，结合某工程做了一 个有限元算例，对其改性后的土进行了评判。 关键词：磷石膏，粉煤灰，石灰，剪切强度，压缩指数，回弹指数。 l i a b s t “i c t a b s t r a c t p h o s p h o g y p s u mi s t 1 1 eb y p r o d u c to fp h o s p h a t ep r o d u c e db yp h o s p h o r i t e 锄d v i t r i 0 1 f i v e 七0 no fp h o p h o g y p s 啦w i l lp r o d u c e d 丽t he a c ht o no fp 2 0 5 9 0 t p h o s p h o g y p s u mi s o n eo ft h ee n v i r o 】 1 l n e 删p r o b l e m si nw a s t et r e a 仰e mo f p h o s p h o i n d u s 仃y ；w i l i c hn e e d sq u i c ka c t i o n t h eo u q ) u to fp h o s p h o g y p s u mi s i b o u t 7 0 0t o ni nc h i me a c hy e 鸥o f w h i c ht h ep e r c e n t a g eo f u s ei ss m a l l t h ep r o d u c t i o na 1 1 df i e l d so fu s eo fp ga r ed e s 嘶b e d 1 1 1 ef i e l d si n c l u d ei n d u s 仃y a i l da 鲥c u l t u r e m o r ea i l dm o r ee n 西n e e r sa r ew o r k i n gt or e s e a r c ht l l ep o s s i b i l i t ) ro f u s i n gp g i nc i v i le n g i n e e r i n g t e s tr e s e 锄c h e sa r ec o n d u c t e d 仞ir e s e 踟c hw h e t h e rp gc a l lb eu s e di nr o a d c o n s t m c t i o n ，a n dt h em a t e r i a l su s e di nt e s t sa r ef r o ms u q i a l l f i r s t l y ，t h ep h y s i c a l ， c h e m i c a la i l de n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d t h ep r o p e n i e so fp ga r en o ts t d b l e i fi tm e e t sw a t e r a sar e s u l t ，p gc a l ln o tb eu s e di nr o a dc o n s t n j c t i o nd i r e c t l ya n d n e e d sc h e m i c a la d d i c t i v e st oc h a n g ei t se n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s f l y - a s hi sa d d e di m o p ga i l dt e s t sa r ec o n d u c t e dt or e s e a r c ht h ee 蜀f e c t i 1 1 er e s u l t ss h o wt l l a tn y a s hc a i l i n l p r o v e t h em e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so fp gb ya d d i n gl i m ei n t op g 廿l eb e 撕n g c 印a c i t i e s ，c o m p r e s s i v ep r o p e r t i e sa r es t u d i e dw h i c hc a i lp r o v i d ei n f o 姗a t i o nf o rr o a d c o n s t m c t i o np r a c t i c e 1 h r o u g ha n a l y z i n gt h et e s t so fp g n ya s hb i n d e r ，i n l p i i o v e dp gi sa d d e di i l t o s o i l s a f t e rs t u d y i n gt h ee n g i n e e r i n gp m p e n i e so f l es o i l ，i ti sf o u n dm a tt 1 1 e e n g i n e e r i n gp r o p e n i e sa r ei m p r o v e d b a s e do nal a r g en u n l b e ro ft e s td a t aa n du s i n g s t a t i s t i c a lm e t h o d ，af o n i l u l ai se s t a b l i s h e dt 0c a l c u l a t et l l er e l a t i o n s l l i po ft h eb e a r i n g c a p a c i t yo fs 锄p l e sa n dp gb i n d e r1 1 l t i o ，w h i c hc a np r e d i c tt h ep r o p e r t i e so fs a l n p l e s t e s tr e s u l t ss h o wt l l a tp gc a i li n c r e a s et h eb e a r i n gc a p a c i t yo fs o i l s ，a n dm ec o n t e n to f n ya s hi n n u e n c e st h eb e a r i n gc a p a c i t i e sg r e a t l y l i m e p g s o i lb i n d e r sa r er e s e a r c h e d a tt h es 锄et i m e l i m eh a st h es a m ee a e c t 硒n ya s ht oi m p r o v em ep r o p e r t i e so f p g s o i lb i n d e r s l o n g - t e 蛐o b s e r v a t i o ns h o w st h a ts o i l 谢t 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撕n gc 印a c 帆c o m p r e s s i v ei n d e x ， e x p a n s i o ni n d e x 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：彤年，月s 7 日 1 1 学位论文使用授权说明 2 1河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国 学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印 件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：南锨冀矽硝年 厂其歹b 第一章绪论 1 1 磷石膏的产生及危害 第一章绪论 磷石膏( p g ) 是化工厂用磷灰石与硫酸作用湿法生产磷酸时的副产品。每 生产1t 磷酸约排出5t 磷石膏。据报道，全世界每年磷石膏的排放量高达1 1 0 0 0 1 30 0 0 万t 。其中只有4 5 0 5 0 0 万t 磷石膏得到了利用( 利用率仅为4 1 4 5 ) 。我国磷石膏是化学石膏中排放量最大的废料，年产量为7 0 0 万t ， 居世界第三【l 】。它的开发与利用一直是人们所关注的问题。磷石膏有综合利用价 值，但磷石膏利用率一直很低，绝大多数磷石膏或堆置于农田，或排放于江河， 不仅占用了大量土地，已经构成一种污染源，成为磷铵企业的包袱。由于其与天 然石膏相比还含有磷，氟，p 2 0 5 等有机物杂质，自然条件下通过水源、空气、污 染了环境，其主要产生的危害如下几点：1 废弃物中有害成分通过扩散渗入土壤 后，能杀死土壤中微生物，破坏了土壤的腐解能力，破坏周围的植被生长。2 废 弃物中有害物质随天然降水和地表径流进入湖泊、河流，或者下渗进入地下水体 造成水体污染，如果这种污染超越了大自然的调节能力时将会对周围人民生活带 来影响；3 污染大气，堆存的废渣，在大风吹动下会随风飘逸，扩散到很远的地 方。 磷石膏资源化利用已成为磷肥企业能否健康、持续发展的关键。随着城市化 向周边郊区的发展，江苏地区城市公路的建设也发展的如火如荼，如果能够将磷 石膏运用于路基填筑，不仅能够解决由于填筑路基所需要的土石方，而且可以使 得磷石膏这种废弃物得到综合的利用，从而节省大量的土地资源，避免了环境污 染给人们带来的威害。从而对企业发展j 社会发展，生态环境的发展有着重要的 意义。 我国现在主要运用的方法是湿法二水物法来制造磷酸，反应方程式如下： c a 5 ( p 0 4 ) f + 5 h 2 s 0 4 + 1 0 h 2 0 ，3 h 3 p 0 4 + 5 c a s 0 4 2 h 2 0 + h f 1 2 研究现状 1 2 1 目前磷石膏主要的利用领域 河海大学硕士论文 1 、利用磷石膏改良盐碱地 盐碱地主要是由于土壤长期积盐而形成。在这些盐中，大部分是危害较大的 可溶性盐，若能将这部分盐转化为危害性小的盐类，就能达到改良的效果，因为磷 石膏富含钙、磷，且大部分都以离子的形式存在，用它改良盐碱地有3 点优势。 1 ) c a 2 + 离子可与土壤中游离的n a 2 c 0 3 、n a h c 0 3 作用，生成c a ( h c 0 3 ) 2 、 c a 3 ( p 0 4 ) 2 、n a 2 s 0 4 ，既降低了土壤的碱性，也消除了碳酸盐对农作物的毒害。 2 ) 土壤胶体上可吸附大量n a + ，对农作物的生长不利，磷石膏中的c a 2 + 离 子可n a + 离子发生交换，使n a + 粘土转变为c a 2 + 粘土，因此有利于农作物的生 长。 3 ) 磷石膏含有磷元素，在缺磷的盐碱地使用时，可达到磷肥的效果。在我国西 有大面积的盐碱地，若利用磷石膏加以改良，将对缓解土地资源的贫乏有重要的意 义，目前无机化学工作者应加强对这方面的研究与开射2 j 。 2 、利用磷石膏生产联产水泥 该工艺主要是将磷石膏作适当处理、再添加焦炭、辅助原料等进回转窑，经 高温锻烧成熟料和含s 0 2 的气体，熟料经处理后掺入高炉矿渣、石膏，一同磨粉 制成水泥，并将分解生成的s 0 2 用于生产硫酸。【l 】该工艺是二十世纪初研制成功 的，五十年代，德国用磷肥副产的磷石膏为原料进行工业生产，技术己成熟可靠。 国内从六七十年代开始，在参观考察国外技术的基础上，自行设计和建设了云南 磷肥厂，用磷石膏联产水泥和硫酸，但由于云南的磷矿含硅较高，加上燃料媒质 的影响，生产的水泥质量并不稳定。九十年代山东鲁北化工集团成功生产出质量 稳定的水泥和硫酸，并取得明显的经济效益，但是进入八十年代后，由于世界能 源价格上升，硫磺价格下降及欧洲等地区水泥市场的疲软，国外的生产装置陆续 转产或关闭。国内的磷肥企业也认为该工艺的生产成本高，污染严重，工艺复杂， 所以，许多磷肥企业宁愿付磷石膏的排污费，也不愿将磷石膏制成水泥和硫酸。 因此，该工艺应用并不广泛【3 】。未经处理的磷石膏直接应用于水泥生产时有以下 危害：( 1 ) 磷石膏中的可溶p 2 0 5 使磷石膏呈酸性，这就加快了设备的腐蚀；同时由于 可溶p 2 0 5 的存在，水泥的凝结速率不正常，有可能造成水泥强度的降低。( 2 ) 磷 石膏中含水量一般为2 0 一3 0 ，这就会造成下料仓的结块、堵塞等。因此， 磷石膏在水泥生产中要得到长足的发展，就必须进行改性。磷石膏改性的方法主 2 第一章绪论 要有：水洗法、锻烧法、化合法和自然陈化法1 4 】一i l l 】。山东鲁北企业集团总公司于 2 0 0 0 底建成了1 套世界上最大的磷石膏硫酸一水泥联产装置，最口3 0 0l 【t 细磷 铵、4 0 0l ( t a 磷石膏制硫酸联产3 0 0k t a 水泥的生产线1 1 2 】。通过“九五 攻关， 该集团又完成了创新配套，用生产磷铵排放的废渣磷石膏制造硫酸联产水泥，硫 酸又返回用于生产磷铵，整个生产过程无废物排出，资源得到高效循环利用，形 成一个生态产业链。由于工程项目的投资大，使该技术推广受到一定限制，但从 资源综合利用和环境保护考虑，无疑是值得推广的。姚小牛【1 4 1 对利用磷石膏生 产高标号水泥熟料进行了试验研究，发现掺入磷石膏后水泥熟料的强度明显提 高。王波成【l5 】在对磷石膏生产硫酸联产水泥用新型还原剂的试验研究中提出了通 过采用磷石膏后采用一定的工艺能耗低，转化率高，为磷石膏废渣用于生产联产 水泥提供了一个新的路径。 3 、利用磷石膏生产水泥缓凝剂 水泥生产中要使用大量的缓凝剂，传统是用天然石膏( n g ) 作为缓凝剂。由于 p g 中含有p 2 0 5 、氟盐和有机杂质等，不能直接代替天然石膏，一般需要经过石灰 中和，再经锻烧后才能使用。目前已有试验证明，水泥中掺入p g 和n g 其性能基本 相近，且掺入p g 的水泥强度高于掺入n g 的水泥。也有资料介绍，用p g 代替n g 作为调凝剂掺入，不仅不会降低水泥强度，反而会提高后期强度。由于在使用时掺 入量相对较少，仅为水泥的3 一5 ，所以其放射性元素比活度符合建筑材料 放射性核素限量( g b 6 5 6 6 2 0 0 1 ) 的要求，可认为它对环境无害1 6 1 。马隆，李 若东【l8 】均对磷石膏用于水泥缓凝剂做出了一定的分析。来自盐城工学远的潘群雄 【1 9 】提出煅烧磷石膏可代替二水石膏作水泥的缓凝剂，并且有显著的增强效果。磷 石膏经高温煅烧，简单磷酸盐缩合多聚偏磷酸盐玻璃体、消除了可溶磷对水泥性 能的不良影响；多聚偏磷酸盐玻璃体是水泥的分散剂，有利于提高水泥浆体的流 动性、密实性；张占名【2 0 j 通过研究认为用磷石膏代替天然石膏能产生较大的经济 效益和社会效益。张昌清【2 l 】在磷石膏制水泥缓凝剂工艺述评中说明了用磷石膏制 水泥缓凝剂具有工艺简单、设备投资小、产品投资小、产品有市场、经济效益好 等优势、是利用磷石膏的一条好路径。存在的问题1 ) 大部分的磷石膏中因含有微 量杂质使得其配制的水泥凝结时间过长【2 22 3 1 ，2 ) 对水泥的强度亦有一定的影响 【2 4 2 5 1 。 河海大学硕士论文 4 、利用磷石膏制耐水型石膏砌块 应用磷石膏掺加复合材料生产的耐水石膏砌块尺寸精确、强度高、耐水性能 优良。经山东省建筑工程质量监督检验中心检测，各项性能指标优于j c t 6 9 8 1 9 9 8 标准中合格品的要求【2 6 】。 5 、磷石膏作为钙、硫、硅肥作用 硫在土壤中是和氮、磷、钾并列的第四种植物营养元素。硫是固氮酶系统的 组成部分，为豆科植物固氮所必需，施用磷石膏有助于豆科植物形成根瘤，增加 固氮量的和种子产量。据统计，我国近年有5 0 0 0 万亩土壤缺硫，长期施用钙镁 磷肥和今后施用高浓度复合肥料将造成更多的缺硫土壤，据试验，每亩施用2 0 k g 磷石膏，可保证当年不缺硫。 钙是作物需要量仅次于硫的第五种营养元素，它可以增强作物对病虫害的抵 抗能力，使作物茎叶粗壮，颗粒饱满，还可以减轻大白菜的干心病，苹果的苦痘 病，并提高西红柿的质量。若施用磷石膏是最佳增产手段。施用钙肥还可以活化 土壤中锰的作用，而磷石膏本身就含有钙和锰。 磷石膏中的硅与土壤中的硅不同，前者可溶性好，易被植物吸收，抗倒伏， 特别是水稻，甘蔗等更需要s i 0 2 。据盐城沿海地区农科所的试验表明，对水稻 每亩施用7 0 k g 磷石膏，其肥效优于2 0 蚝普钙。 另外，用磷石膏代替石膏以栽培食用菌( 平菇，风尾菇，金针菇) 也收到了 比石膏增加产量、提高品质的效果。由此可见，施用磷石膏不仅能改良碱土、盐 渍土，而且含有作物所需的磷、钙、硫、硅等营养元素，对农业将大有作为。 磷石膏可用于改良缺磷土壤作为化肥。目前磷石膏用于化肥工业主要用于生 产硫酸铵和硫酸钾；利用磷石膏与碳酸铵碳酸氢铵进行复分解反应即可以制备硫 酸铵和碳酸钙粗品，又可以继续加工制备具有高附加值的硫酸钾和超细碳酸钙 【2 7 】 o 6 、利用磷石膏研制混凝土高效膨胀剂 混凝土膨胀剂的主要原料就是天然硬石膏。近年来，随着膨胀剂市场需求量 的增加以及政府出于安全对一些存在安全隐患的石膏矿进行封矿，导致天然硬石 膏价格持续上涨，给膨胀剂生产企业带来巨大的成本压力。f 2 羽因此，利用磷石膏 研制膨胀剂，有着广阔的发展空间。 4 第一章绪论 1 2 2 磷石膏在土木工程中的应用 冶金部建设总院的黄新例提出采用工业废石膏与水泥配合加固地基，在保证 加固土等强度的条件下，可以节省水泥2 0 3 0 左右，有时甚至可以节省水泥 4 0 以上。对某些土质利用废石膏加固可以得到单纯用水泥加固达不到的技术效 果，从而拓宽了水泥加固的应用领域，通过取代原来的技术方案，实现了更大的经 济效益。经过大量的试验研究和2 0 0 余栋项工程的应用实践表吲3 0 3 2 】：将工业 废石膏用于地基加固，不需要投入资金和增加设备，不需要加工和耗费能源，废石 膏不需处理，或稍加处理就可与水泥一起直接拌入土中。地基加固不是连续性的 生产过程，对于那些排弃量较小，难以进行工业化利用的废石膏资源也可以充分利 用。 河水清【3 3 】经研究阐述了用化学工业废料磷石膏和石膏作为主要原料，胄邑够生 产石膏陶瓷饰面砖，其质量不亚于陶瓷面砖，并能用生产陶瓷饰面砖的生产线进 行工业化生产。席美云【3 4 1 ，徐翠云【3 5 1 提出了磷石膏与少量水泥、纤维增强材料、 纸浆等加压可制成磷石膏纤维板；磷石膏与黄磷渣、萤石、颜料等配料，可制成彩 色陶瓷装饰材料；磷石膏与铜矿浮选废渣可制成玻璃和水晶玻璃材料；在煅烧磷石 膏制成的石膏板中加入增强纤维( 如玻璃纤维等) 可代替木材：磷石膏与水泥、砂 子( 碎石灰石) 可制成高强度石膏砖；以硫酸盐作激发剂，矿渣改性可配制出性能良 好，强度与耐水性明显优于建筑石膏的新型磷石膏基无水石膏胶结材；以石灰石、 矾土和磷石膏煅烧制取硫铝酸盐水泥熟料，再加入磷石膏和石灰，经磨细可制成低 碱度水泥：霍冀川等在工业废渣液态渣、磷渣中加入硅酸盐水泥熟料、磷石膏及 少量外加剂，制成了有实用价值的砌筑水泥；磷石膏代替普通石膏作为膨胀组分生 产磷石膏矾土膨胀水泥等。贵州宏福实业开发有限总公司的冉云飞【3 6 】提出了磷石 膏砌块在建筑中应用，其适用于高层建筑框架结构的内隔墙、分户墙、填充墙以 及大型公共建筑装饰等。用磷石膏为一定原料代替普通粘土砖的课题在国外有很 多的研究。文章【37 j 给出了在不同配比下磷石膏混合料砖材的无侧限抗压强度，密 度及耐久性，对比了与普通粘土砖的工程性质。许贤吲3 8 】提出了磷石膏基碾压混 凝土适用于修建停车场，磷石膏对混凝土的强度无害，其伴合物具有良好的压实 性。张健【3 9 j 提出了用磷石膏加工抹面砂浆的研究，认为在一定的处理后，磷石膏 可用于抹面砂浆的研制。刘毅【4 0 】通过对磷石膏用于工程实际的研究提出了与单 5 河海大学硕士论文 纯用水泥加固地基相比，用磷石膏与水泥配合加固软土地基可大幅度提高加固 土强度。在强度要求相同的条件下，可显著降低水泥用量和固化剂总用量。特别 是对单纯用水泥加固效果不好的泥炭质土，磷石膏的增强效果更加突出，从而拓 宽了水泥加固技术适用的土质条件范围。因此，用工业废石膏与水泥配合加固软 土地基能够带来显著的技术、经济和环境效益。磷石膏用于生产石膏建筑材料主 要是将磷石膏中的二水硫酸钙在不同的转化条件下脱水生成q 或刀型半水石膏， 然后再加工成石膏板材、砌块、石膏粉及其它装饰材料。【4 1 5 5 】 磷石膏用于路基建设方面在国内还是一个新的课题，在国内已经有一些专家 及学者对其的运用的可行性进行了初步的研究。董满生【5 6 】通过自己的研究提出了 磷石膏路基当量回弹模量高达2 0 0 m p 以上，不仅满足路基强度要求，而且远高 于基层强度低值，弯成值也满足路面基层要求，他认为磷石膏是一种品质优良路 基填料。磷石膏和粉煤灰一起能够处理过湿土路基。磷石膏还可用作半刚性基层 改性材料。在二灰混合料，水泥粉煤灰混合料和水泥碎石混合料基层中掺磷石膏 加入适量，不同程度改善基层路用性能，降低工程造价。文献【5 7 】介绍了评测磷石 膏改性石灰，粉煤灰路基垫层材料的立方体容积研究方法，通过该方法得出混合 料中最优的骨料、石灰、磷石膏、粉煤灰的含量。李玉华【5 8 】提出在二灰加入粉状 磷石膏，将激发粉煤灰活性，从而大大提高了强度，特别是对磨细粉煤灰效果显 著，最佳掺量为内掺左右。粉状磷石膏在道路工程中的应用，即改善了路基的性 能，又保护了环境，并且降低了成本，因此，值得推广应用。 1 2 3 磷石膏综合利用中未能解决的问题 l 、作为公路基层、路基填料的磷石膏的改良方法及配合比： 2 、磷石膏混合粒料用作公路基层，对其干缩特性、温缩特性的研究甚少： 3 、作为公路基层、路基填料的磷石膏混合料的拌制工艺( 拌和方法、次数、 时间) 、填压工艺、质量控制与质量检测问题； 4 、磷石膏混合料的疲劳特性、动力特性： 5 、磷石膏混合料作为路基填料的排水设计问题、控水问题： 6 、磷石膏混合料作为道路基层材料的强度及化学反应问题。 因而对磷石膏在道路工程中的利用展开深入、系统的研究，解决上述问题， 具有重要的经济意义和社会意义。随着对磷石膏研究的不断深入，磷石膏混合料 6 第一章绪论 公路基层、磷石膏路堤的设计理论的不断完善，测试技术的不断提高，磷石膏在 我国道路工程中将有着广阔的应用前景。 1 3 研究的目的和意义 本论文以江苏省公路科学研究计划项目为依托，与宿迁市公路管理局合作， 采用宿迁当地磷石膏废弃物，对磷石膏及其混合料基本物理力学性质进行初步的 探索，为磷石膏用于路基材料的可行性进行初步的探讨，对其用于路基材料提供 一定的理论依据。将磷石膏有效应用与路基建设，有深远的意义，可以产生如下 效益： 1 、解决磷胺企业废料的再生利用问题，变废为宝，降低磷胺企业生产成本。 2 、减少占地空间，节约宝贵土地资源。 3 、部分解决公路建设筑路材料需求，节约工程成本。 4 、保护生态环境，符合科学发展、可持续发展的社会要求。 5 、产生较大的社会效益、经济效益和环境效益，意义重大。 1 4 主要研究内容 论文对磷石膏用于路基材料进行了探索性的研究，在我国现在的工业废料粉 煤灰的应用已经非常成熟了，如果也能将磷石膏得到很好的利用那将是非常有意 义的。 选择宿迁当地有代表性磷石膏进行下列研究，目的是对磷石膏的物理、化学 及力学性质进行深入的了解，同时研究其混合料工程性质。通过对磷石膏性质的 试验研究，指出其不足，并且通过加入粉煤灰来改性其工程性质，并将改性磷石 膏与碎石混合料进行用于路基基层材料的初步强度探索，同时由于现阶段国内筑 路填土材料的短缺，通过用改性后磷石膏材料与土混合后对其工程性质进行初步 试验研究，主要对其强度和压缩性能进行试验研究，并且通过研究得出较合理的 混合料配比方式，对其能用于路基填筑材料做出初步的评价，同时通过有限元数 值计算的方式，对其做出一定的评价。主要包括如下内容： 磷石膏基本物理化学特征分析：化学元素成份、矿物成分分析。 磷石膏的基本物理力学性质试验研究：击实实验、强度特性、压缩特性并对 其进行胀缩性实验研究 7 河海大学硕上论文 对磷石膏混合料基本工程特性的系列室内实验研究 结合高等级公路建设，进行磷石膏与粉煤灰，磷石膏与粉煤灰及土，磷石膏 与粉煤灰及石灰、土混合料，磷石膏与粉煤灰及石灰加碎石等多种配比混合料工 程特性实验研究，结合公路工程中对路堤及基层材料的需求，得出一种适合用于 公路工程实际的配比方案，并解释作用机理，同时通过有限元计算对其进行工程 评价。针对不同组合的磷石膏混合料拟进行以下系列实验： 磷石膏混合料击实特性研究。通过击实实验测定其最优含水率，分析其影响 因素。 磷石膏混合料变形特性与强度特性研究，主要通过击实实验，剪切实验，压 缩实验证实其强度是否满足路基强度的要求，并分析其强度产生的机理。 磷石膏混合料胀缩特性研究。考虑时间因素，并分析在一定条件下磷石膏混 合料是否发生膨胀。 磷石膏混合料在反复加载作用下变形特性研究，通过反复的加载卸载来看其 压缩特性的变化。 1 5 技术路线 l 、深入研究磷石膏的基本物理化学性质 选择宿迁当地代表性磷石膏进行下列系列研究，目的是对磷石膏的物理力学 性质进行全面深入的了解，也为进一步研究其混合料性质提供依据。包括： 1 ) 磷石膏基本物理化学特征分析：化学元素成分、矿物晶相分析： 2 ) 磷石膏的基本物理力学性质试验研究：击实试验、强度特性、压缩特性。 2 、粉煤灰改性磷石膏混合料试验研究 1 ) 粉煤灰改性磷石膏击实试验 采用标准击实试验方法，测定粉煤灰改性磷石膏的含水率与于密度的关系， 从而确定粉煤灰改性磷石膏的最佳含水率与相应的最大干密度，借以了解粉煤灰 改性磷石膏的压实性能，为下面的压缩和膨胀试验制样提供依据。 2 ) 粉煤灰改性磷石膏压缩试验 选择上面各配比方案分别进行单向压缩试验。压力逐级为1 2 5 ，2 5 ，5 0 ，7 5 ， l o o ，2 0 0 l ( p a 。分别绘制压缩曲线。 3 ) 粉煤灰改性磷石膏强度特性研究。选择上述配比方案分别进行直剪强度 8 第一章绪论 试验。 4 ) 以石灰为添加剂( 石灰含量5 ) 粉煤灰改性磷石膏混合料试验研究 以石灰为添加剂对粉煤灰改性磷石膏进行压缩试验与胀缩性试验，选择粉煤 灰改性磷石膏所得出的较优配比方案，加入5 石灰作为添加剂进行压缩试验， 直接剪切试验。并对其进行胀缩性试验研究，压力保持2 5 k p a ，测定在保持充分 水浸情况下胀缩量与时间关系，历时一个月。 3 、石灰、粉煤灰、磷石膏、碎石混合料试验研究 1 ) 石灰、粉煤灰、磷石膏、碎石混合料击实试验 对于碎石来说，其本身并没有粘聚力，我们通过以上试验所得到的优选方案， 在碎石中加入以石灰为添加剂的磷石膏、粉煤灰混合料，采用标准重型击实试验 方法，测定石灰、粉煤灰、磷石膏、碎石混合料的含水率与干密度的关系，从而 确定石灰、粉煤灰、磷石膏、碎石混合料的最佳含水率与相应的最大干密度，借 以了解石灰、粉煤灰改性磷石膏的压实性能，为下面的压缩试验制样提供依据。 2 ) 石灰、粉煤灰、磷石膏、碎石混合料压缩试验 选择上面各配比方案的击实试验，对其压缩特性进行试验。掺碎石样采用自 行研制的直径为1 0 c m 压力盒。并同时分别进行单向反复加卸载压缩试验。压力 逐级加载。再逐级卸载，再逐级加载，如此5 次反复，分别绘制它们的压缩曲线、 回弹曲线、再压缩曲线。 3 ) 石灰、粉煤灰、磷石膏、碎石混合料强度特性研究 对取好的配比方案分别进行三轴试验研究。测定其强度特性，得出强度指标。 4 、粉煤灰、磷石膏、土混合料试验研究 1 ) 粉煤灰、磷石膏、土混合料击实试验 采用标准击实试验方法，测定粉煤灰、磷石膏、土混合料的含水率与干密度 的关系，从而确定粉煤灰、磷石膏、土混合料的最佳含水率与相应的最大干密度， 借以了解粉煤灰、磷石膏、土混合料的压实性能，为下面的压缩和膨胀试验制样 提供依据。 2 ) 粉煤灰、磷石膏、土混合料压缩试验 选择上面各配比方案的击实试验分别进行单向压缩试验。压力逐级为1 2 5 ， 2 5 ，5 0 ，7 5 ，l o o ，2 0 0 l ( p a ，分别绘制压缩曲线。 9 河海大学硕士论文 3 ) 粉煤灰、磷石膏、土混合料强度特性研究 对以上配比方案分别进行直剪强度试验。并以5 含量的石灰为添加剂对其 进行七天龄期强度试验，观察石灰对混合料强度的影响。 4 ) 粉煤灰、磷石膏、土混合料在反复加卸载作用下变形特性研究 选择上述各配比方案中最佳和相对最佳者分别进行单向反复加卸载压缩试 验。压力逐级加1 2 5 ，2 5 ，5 0 ，7 5 ，1 0 0 ，2 0 0 l 【p a 。再逐级卸载，再逐级加载， 如此5 次反复，分别绘制它们的压缩曲线、回弹曲线、再压缩曲线。 5 、数值模拟计算 通过p l a x i s 有限元软件，建立路基模型，对其进行变形和稳定性的仿真模拟， 对改性后混合料做进一步的分析。 1 0 第二章粉煤灰改性磷石膏工程性质试验研究 第二章粉煤灰改性磷石膏工程性质试验研究 2 1 磷石膏的基本特性试验研究 2 1 1 试验目的 通过对磷石膏进行化学分析，得出其主要的化学成分。通过击实、压缩、剪 切试验研究磷石膏本身的各种基本性质。 2 1 2 试验材料分析 本研究以江苏宿迁的工业废料磷石膏为研究对象。用6 0 温度烘干。从磷 石膏的光谱扫描图( 见图2 1 ) 中可以看出，磷石膏是以二水磷石膏为主，主要组 成是二水硫酸钙，此外还有一定量m e 2 + 、f 、f e 3 + 、a 1 3 + 、未分解的磷矿粉和酸 不溶物等( 化学成份见表2 1 ) 。磷石膏呈一定的酸性，主要是由于原状磷石膏中 含有少量的水容性p 2 0 5 ，f - 、及酸性有机物等杂质5 羽。其呈灰色，比重约为2 5 ， 磷石膏是多组份的复杂的结晶体，一般含结晶水1 9 左右。 图2 1 磷石膏光谱扫描 表2 1 磷石膏的化学成分( ) 结晶有机酸不 a 1 2 0 3s i 0 2f e 2 0 3m g o c a o s 0 3p 2 0 5f p h 水质 溶物 o 2 93 5 20 2 50 8 93 0 6 84 1 6 42 0 3o 6 33 51 9 9 50 1 40 7 3 磷石膏主要成分是c a s 0 4 2 h 2 0 ，所以其含结晶水比较高，而这种物质在一定 的温度下就会脱水其主要反应方程式如下： ( 1 ) 加水胶凝：c a s 0 4 o 5 h 2 0 + h 2 0 c a s 0 4 2 h 2 0 ( 1 ) 河海大学硕士论文 ( 2 ) 加热脱水：c a s 0 4 2 h 2 0 c a s 0 4 0 5 h 2 0 c a s 0 4 ( 2 ) 【5 9 】 而磷石膏脱水温度一般是在5 5 6 0 之间，这就是其结晶水析出的温度。 所以我们在测量其含水率时应当控制其温度，不能高于5 5 ，否则所测含水率 就会有结晶水析出。 2 1 3 磷石膏击实试验 为了得到磷石膏的强度特性，我们首先做了磷石膏最优含水率关系曲线：试 验所用仪器为轻型击实仪。 制样方法，采用干土法，将磷石膏风干后按照不同的含水率配置5 个试样( 按 照2 含水率递增) ，拌匀后闷料一夜备用。所得击实曲线如下： 1 21 41 61 82 02 22 42 6 含水率( ) 图2 2 磷石膏击实曲线 从图2 2 中可以看出，磷石膏最优含水率在1 8 左右。 2 1 4 剪切试验 试验采用直剪快剪方法，每组试样取四个试样，在四种不同垂直压力p 下进 行剪切试验。取垂直压力分别为1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 l 【p a ，各个垂直压力都是一 次施加。所采用的仪器是应变控制式剪切仪，结构示意图如图2 3 ： 1 2 5 4 3 2 1 l l l 1 l e眦。、一pd瑙糙巾 第二章粉煤灰改性磷石膏工程性质试验研究 图2 3 剪切试验仪器主要构件 l 一垂直变形百分表2 一垂直加压框架3 推动座4 一剪切盒 5 一试样6 一测力计7 一台板8 一杠杆9 一砝码 不同竖向荷载条件下，其抗剪强度也不同，由于路基所受压力较小，以下对 其在2 0 0 l ( p a 竖向荷载下的强度列表对比，试验剪切速率控制在6 圈每分钟，既 1 2 1 1 1 m 每分钟的速率。 3 0 0 2 5 0 噩2 0 0 l 妾1 5 0 基l o o 恤 5 0 o o + 1 0 0 k p a + 2 0 0 k p a * 4 0 0 k p a 十3 0 0 k p a 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 剪切位移( 0 0 1 咖) 图2 4 剪应力与剪位移关系曲线 河海大学硕士论文 3 0 0 2 5 0 2 0 0 山 s1 5 0 1 0 0 5 0 o 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 o ( k p a ) 图2 5 磷石膏抗剪强度线 从图2 4 、2 5 中可以看出，磷石膏具有一定的粘聚力，其抗剪强度较高。 2 1 5 软化试验研究 在相同的干密度条件下，用不同含水率条件下试验来进行磷石膏强度试验， 来观察由于水的作用对磷石膏强度的影响。 表2 2 剪切强度与含水率关系 潞 1 6 1 8 2 0 剪切竖向压力、 1 0 0 k p a 剪切强度 1 1 5 6 88 9 1 78 4 3 5 ( 1 一a ) 2 0 0 l a 剪切强度 ( 1 a ) 1 9 2 81 5 9 0 61 5 3 5 2 从表2 2 可以看出，在相同的干密度条件下，含水率越高，其强度越低，这 是因为由于磷石膏本生不耐水，在含水越高的情况下会出现软化现象，所以，磷 石膏直接用作充填材料显然是不合适的，必须将其改性。 2 2 粉煤灰改性磷石膏试验研究 2 2 1 试验目的 由于磷石膏本身不能直接用于填筑材料，所以需要将其改性，由于磷石膏是 一种酸性物质，所以本论文选择粉煤灰这种碱性性质的材料对其进行改性。通过 击实、剪切、压缩试验对改性后材料进行各种力学性质的分析，将其与未改性磷 1 4 第二章粉煤灰改性磷石膏工程性质试验研究 石膏做对比。 2 2 2 制样方法 制样方法：将磷石膏与粉煤灰混合料( p f ) 自然风干后按照一定的配比均匀 搅拌。由于磷石膏和粉煤灰经风干后含水量非常低可忽略不计，所以在拌制含水 率时按直接加入的水来计算，制成粉煤灰与磷石膏质量比( p f 含量比) 分别为9 ： 1 ，8 ：2 ，7 ：3 6 ： 4 。 2 2 3 击实试验 试验按土工试验规程 ( s l 2 3 7 0 1 1 1 9 9 9 ) 执行。本试验采用轻型击实 仪，主要仪器设备有击实仪，天平，推土器，台秤，试样标准筛，烘箱等。 通过磷石膏本身的击实试验测得其最优含水率是18 ，而对其加入不同含 量的粉煤灰后最优含水率的变化见表3 。 表2 3 粉煤灰含量对最优含水率的影响 磷石膏粉煤灰( p f ) 含量比最优含水率 9 ：1 2 0 8 ：2 2 4 7 ：3 2 6 6 ：42 8 矿 e o 型 稍 h - 斗 f q ，则认为存在这种线性关系。 这是一种假设性检验。 3 4 2 用线性回归分析方法建立的混合料强度关系曲线： 在试验当中，存在着各种各样的误差，对于剪切试验来说，上下槽之间接触 面之间的摩擦，手动转动转轮时产生的误差，还有上面提到的由于剪切面的错动 产生的误差，还有竖向荷载是否垂直产生的误差，试验总是存在一定的不稳定性， 这次和上次会产生一定的出入，为了对试验产生的数据得到一个系统的分析，应 用统计学随着而产生。这是一个估计值，是一个最趋近于真实值的估计值，为我 们处理数据提供了一个有效的数学工具。本论文采用多元线性回归分析方法，对 数据进行一个系统的分析。主要方式如下： 为了分析混合料中各种成分含量对强度的影响，需要找出一种定量的评价指 标，本论文采用的是多元回归的分析方法，主要的步骤如下： 首先为了表示含量对强度的影响，用y 表示剪切强度，并假设其与混合料 中各种成分含量的关系是一种多元线性的关系。又要考虑竖向压力的影响，所以 需要对两种不同影响因素考虑进去。假设公式如下 y = a + b x lx 2 + c x lx 3 + d x lx 4 + e x 2 + f x 3 + g ) ( 4 ( 3 1 1 ) 其中x l 表示压力，x 2 、x 3 、) ( 4 分别表示与土的含量、磷石膏的含量、粉煤 灰的含量成一定关系的变量。 o r g i n 软件为多元线性方法的分析提供了一个很好的平台，避免了繁琐的计 算过程，通过运用该软件，得出了以下公式 y = o 2 5 3 + o 6 5 0 x 1x 2 + 3 0 4 8x lx 3 + 9 6 7 4 x 1x 4 一o 2 5 9 x 2 - 1 0 1 7 x 3 2 4 1 6 x 4 ( 3 1 2 ) 公式可以写成如下形式： ) ，= o 2 5 3 +