（岩土工程专业论文）磷石膏及其混合料的工程特性研究.pdf

摘要 摘要 本文通过对磷石膏的理化试验、级配试验、击实试验、三轴试验、固结试验等物理、 化学、力学试验，对磷石膏的工程特性进行了系统的研究；通过磷石膏一石灰一粉煤灰混合 料、磷石膏一石灰一粉煤灰一粘土混合料击实试验、无侧限抗压强度试验、水稳试验、膨胀 试验、收缩试验，对磷石膏一粉煤灰一石灰混合料、磷石膏一石灰一粉煤灰一粘土混合料的工 程特性进行了系统研究。 研究表明，磷石膏具有一定的抗剪强度和水稳定性，可以单独作为地基处理时的换填 或填方材料。在工程实际应用中，可根据建筑物对地基变形的要求，合理选择压实系数， 从而满足工程安全的需要。 在石灰一粉煤灰、石灰一粉煤灰一粘土混合料中可掺入磷石膏，掺入后的混合料无侧限 抗压强度随着磷石膏掺入量增加，逐渐增长，当磷石膏的掺入量为1 5 时，混合料的强度 达到最高；之后随磷石膏掺入量的增加，混合料的强度逐渐下降。 当在粉煤灰一粘土混合料中可掺入磷石膏时，混合料的无侧限抗压强度与有石灰的混 合料相比有较大的下降，当掺入石灰时无侧限抗压强度才会提高，石灰掺入量为8 时， 该混合料的无侧限抗压强度最高，但随着石灰掺入量的增加，强度增加不明显。 在石灰一粉煤灰一粘土混合料中掺入磷石膏，随着粉煤灰的掺入量的增大，混合料的无 侧限抗压强度也随之增加，当粉煤灰的掺入量超过2 0 后，混合料的强度开始有所下降。 试验表明，磷石膏一粉煤灰石灰粘土混合料的最佳配合比( 磷石膏：粉煤灰：石灰： 粘土) 为1 5 ：2 0 ：6 ：5 9 和1 5 ：2 5 ：8 ：5 2 。 磷石膏一粉煤灰一石灰混合料的干缩试验表明，混合料试件中的水分蒸发在开始5 d 内 比较多，占总蒸发量的9 0 以1 - - 。混合料的干缩应变最大量为0 0 6 8 且主要发生在前期。 磷石膏一粉煤灰一石灰一粘土混合料的吸水膨胀试验表明，其膨胀量随时间发展而增大， 在前3 d 里达总膨胀量9 5 以上，后期趋于平稳，最大膨胀应变为2 4 2 。膨胀量偏高的主 要因为是磷石膏本身的膨胀量比较大，但作为路面基层材料或水位以上的填料是可行的。 【关键词】磷石膏工程特性击实试验无侧限抗压强度水稳试验干缩试验膨 胀试验 a b s n u a a b s l r a c t e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h o g y p s u ma r es t u d i e di nd e t a i lb yc o m p a c t i o nt e s t ， g r a d a t i o nt e s t ，t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s ta n dc o n s o l i d a t i o nt e s t e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft w o k i n d so fi t sm i x t u r e s ，n a m e l yp h o s p h o g y p s u m l i m e f l y a s ha n dp h o s p h o g y p s u m l i m e f l y a s h - c l a y a r ea l s os t u d i e dr e s p e c t i v e l yb yc o m p a c t i o nt e s t ，u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t ，w a t e rs t a b i l i t yt e s t , e x p a n s i o nt e s ta n ds h r i n k a g et e s t e x p e r i m e n t ss h o wt h a tp h o s p h o g y p s u mh a ss h e a rs t r e n g t ha n dw a t e rs t a b i l i t yt os o m e d e g r e e ，s oi tc a nb eu s e dt of u n d a m e n tt r e a t m e n t b a s e do nb u i l d i n gs e t t l e m e n tc o n t r o l ，c h o o s i n g r e a s o n a b l ec o m p r e s s i v ec o e f f i c i e n to fp h o s p h o g y p s u m ，g o o ds a f e t yr e q u e s tc a nb es a t i s f i e di n e n g i n e e r i n gp r o j e c t a d d i n gp h o s p h o g y p s u mi n t ol i m e f l y a s hm i x t u r e so rl i m e - f l y a s h - - c l a ym i x t u r e s ，t h em o r e p h o s p h o g y p s u ma d d e d ，t h eb i g g e ru n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n 【g t ho ft h en e wm i x t u r e s o b t a i n e db e f o r et h er a t i oo fp h o s p h o g y p s u mm a s st on e wm i x t u r e sm a s sr e a c h e s1 5 w h e nt h e r a t i ob e y o n d1 5 ，t h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ft h en e wm i x t u r e sd e c r e a s e s a d d i n gl i m ei n t op h o s p h o g y p s u m f l y a s h - - c l a ym i x t u r e s ，t h en e wm i x t u r e su n c o n f i n e d c o m p r e s s i o ns t r e n g t hi n c r e a s e sd e e p l yb e f o r ea d d i t i o nr a t i oo fl i m er e a c h e s8 w h e nt h er a t i o b e y o n d8 ，t h ei n c r e a s eo fn e wm i x t u r e su n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t hc a r lb en e g l e c t e d a d d i n gf l y a s h i n t o p h o s p h o g y p s u m l i m e c l a ym i x t u r e s ，t h en e wm i x t u r e su n c o n f i n e d c o m p r e s s i o ns t r e n g t hh a c r e a s e sb e f o r ea d d i t i o n - f a t i oo ff l y a s hr e a c h e s2 0 w h e nt h er a t i o b e y o n d2 0 ，t h ein e wm i x t u r e su n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t hd e c r e a s e s t h eo p t i m u mr a t i oo fp h o s p h o g y p s u m ：f l y a s h ：l i m e ：c l a yi s1 5 ：2 0 ：6 ：5o r1 5 ：2 5 ：8 ：5 2 t h es h r i n k a g et e s to fp h o s p h o g y p s t t m f l y a s h l i m em i x t u r e ss h o wt h a t i t se v a p o r a t i o n p e r f o r m sm a i n l yi ne a r l y5d a y sb e y o n d9 0 ，a n di t sm a x i m u ms h r i n k a g es t r a i ni so 0 6 8 t h ee x p a n s i o nt e s to fp h o s p h o g y p s u m - f l y a s h l i m em i x t u r e ss h o wt h a t i t se x p a n s i o n p e r f o r m sm a i n l yi ne a r l y3d a y sb e y o n d9 5 b e c a u s eo fb i ge x p a n s i o no fp h o s p h o g y p s u m ，t h e m i x t u r e sm a x i m u me x p a n s i o ns t r a i nc a nr e a c h2 4 2 a l t h o u g hi t sb i g g e re x p a n s i o ns t r a i n ，i ti s a v a i l a b l ef o ru st ou s e p h o s p h o g y p s u mm i x t u r e sa sr o a d b e dm a t e r i a lb e y o n dg r o u n d w a t e rl e v e l k e yw o r d s ：p h o s p h o g y p s u m ：e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：c o m p a c t i o nt e s t ；u n c o n f i n e d c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ；w a t e rs t a b i l i t yt e s t ；s h r i n k a g et e s t ；e x p a n s i o nt e s t l i 第一章磷石膏的现状及综合利用 第一章磷石膏的现状及综合利用 1 1 磷石膏的现状 磷石膏是湿法生产磷酸时产生的工业副产物。磷石膏主要组成是二水硫酸钙，此外还 有一定量p o 气f 1 、f e ”、a 1 ”、未分解的磷矿粉和酸不溶物等。磷石膏呈较强的酸性，p h 约1 5 2 0 ，多数呈灰白色，有的呈贡色和灰黄色，d ，约为2 0 2 4 ，松散状态下的密度 约0 8 5 9 c m 3 左右。磷石膏是多组份的复杂的结晶体，一般含结晶水1 9 左右，附着水4 1 2 。 磷石膏排放量巨大，通常每生产1 吨磷酸需排放3 5 吨磷石膏。据资料报道，全世 界磷石膏的年排放量高达1 5 1 8 亿吨，利用率仅为4 1 4 5 ，我国磷石膏的年排 放量也超过1 0 0 0 万吨。 1 2 磷石膏的综合利用 从6 0 年代至今，不少国家都在致力于磷石膏再利用的研究开发工作，并在理论上和 实践上都取得了不少成果。现今，磷石膏的综合利用主要在以下几方面巾“巾1 巾3 ： 1 2 1 利用磷石膏生产相关制品及农业方面的应用 1 2 1 1 磷石膏在农业上的应用 1 磷石膏用于改良盐碱地 盐碱地的形成主要是土壤积盐作用的结果，对农作物的危害，表现在盐害与碱害。如 将对作物危害较大的可溶性盐类转化为危害性小的盐类，则达到改良土壤的目的。利用磷 石膏中的c a 2 和土壤中的游离的碳酸氢钠、碳酸钠作用，生成碳酸氢钙、磷酸钙和硫酸钠 以降低土壤碱性，消除碳酸盐对作物的毒害。同时，钙离子也可代换土壤胶体上的钠离子， 使钠粘土变成钙一粘土，其化学反应为： n a 2 c o 。+ c a s 嘎；c a c 0 3 + n a 2 s 矾 2 n a h c 0 3 + c a s 0 4 ；c a ( h c 魄) 2 + n a 。s o 。 比| 2 n a + + c a s 0 4 = ；= 比| c a 2 + + n a z s 吼 由此可见，施用磷石膏后，可以降低土壤中的碱害，改善物理性状，加强土壤生物的 活性，促进养分转化，补充活性钙，增强土壤的抗碱能力。又由于磷石膏均含有一定的磷 素，因此，在缺磷的盐碱地施用，兼有磷肥的增产效果。 2 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， 河海大学工程硕士论文 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。若旄用磷石膏是最佳增产手段。旋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 o ：。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 k g 普钙。 另外，用磷石膏代替石膏以栽培食用菌( 平菇，凤尾菇，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。 3 磷石膏对土壤渗水性能的改良 国外学者长期研究后认为：旌用磷石膏后大大改善了土壤的结壳，因为磷石膏的微溶 性，增加了水的电解质含量，使粘粒成絮状体存在，结壳具有多孔性，因此可有较小的容 重和较大的导水率，使土壤的渗水能力得到提高，使地机径流减少，土壤流失大幅度下降。 种子出菌率也可大幅度提高。 4 磷石膏作为酸性土的改良剂 用磷石膏代替石灰作为酸性土的改良，主要是利用磷石膏中的硫酸钙与土壤反应，由 于表面的代换性反应而产生碱度： f o ( 臻 f e + c a 2 + s 0 2 - 一一f 甜 f e + c a 2 + + o h a 1 ( o h ) 。+ c a s o a 1 ( o h ) s o , + c a ( o h ) z a l 茹i o 。( 0 h ) 。+ 2 c a s 0 4 + 5 h 。o - 2 a i ( o h ) s o , + 2 h z s i o 一+ 2 c a ( o h ) z 由于上述反应，土壤溶液的p h 值可望提高，代换性铝数量则下降。大量田间试验证 明：磷石膏的施用由于c a 代换了a l ，而降低了整个土壤剖面的代换性a l 含量和a l 饱和 度。土壤溶液中的a 1 ( s 0 4 ) + 可溶性化台物大大上升，从而铝离子( a 1 3 + ) 浓度和活度则下降， 而c a ”的浓度和活度明显地增加。由此说明施用磷石膏是最适合能改良土层酸度的钙化合 物。 1 2 1 2 利用磷石膏生产相关制品 1 利用磷石膏生产建筑用胶凝材料( q 一半水石膏；0 一半水石膏) ； 2 利用磷石膏制硫酸联产水泥； 3 利用磷石膏生产硫酸钾： 4 利用磷石膏制硫酸铵并联产硫酸钾铵和氮磷钾复合肥料： 5 利用磷石膏作水泥缓凝剂和生产低碱度水泥： 第一章磷石膏的现状及综合利用 6 利用磷石膏直接制加压磷石膏纤维板； 7 利用磷石膏制建筑标准砖，磷石膏石灰煤渣空心砌块“1 8 利用磷石膏生产陶瓷装饰材料。 1 2 2 磷石膏在土木工程中的应用 这几年来，越来越多的专家、学者开始对磷石膏在土木工程中的利用进行探索与研究， 并取得了一些有益结论。 1 9 9 8 年上海市政工程研究院孙家瑛以化工废黄石膏和矿物添加剂为主要原料，掺加少 量激发剂制各路基材料，对其物理力学性能进行了研究，并在上海市中心的黄坡路改建回 填过程中进行了试点工程应用。他们大量室内试验研究表明废黄石膏路基材料力学性能远 远超过二灰碎石和粉煤灰回填材；合理的配比甚至使其2 8 d 的强度达到3 2 5 # 水泥标准； 并且在膨胀率、溶出率、吸水率等强烈影响路基材料应用的性能方面完全能够满足复合路 基材料质量要求“。2 0 0 1 年武汉理工大学硅酸盐工程研究中心的沈卫国进行了粉煤灰磷 石膏高早强路面基层材料的研究。实验研究表明粉煤灰磷石膏的强度较二灰有较大提高， 粉煤灰磷石膏碎石比二灰碎石的强度提高5 0 1 0 0 “。同年，重庆交通学院道路工程 系的董满生进行了工业废料磷石膏在路基工程中的应用研究，他们经过大量室内试验得出 磷石膏膨胀量很小，水稳定性好，强度满足j t j 0 3 3 - 9 5 公路路基旅工技术规范上路床 对路基填料的要求。另外，他们还进行了磷石膏路基野外模拟试验，所得的当量回弹模量、 弯沉值也表明磷石膏是一种品质优良的路基填料w t 3 o 以上研究表明磷石膏在道路工程中 的应用有较大的潜力。磷石膏作筑路材料的研究在美国广为开展，美国佛罗里达大学和迈 阿密大学在研究中发现，含粘土砂和磷石膏的混合物是良好的筑路材料“。一些研究者在 二基层中加入强碱性激发剂或直接掺加少量水泥来提高其力学强度及水稳定性，取得了一 定效果，但其干缩率仍不能改善，且这些方法需要很大的成本，因而在实际工程应用较少。 这些成果对本项目的研究有着较大的指导意义。 以上磷石膏主要被用作工业原料，小部分用于农业中，有的工艺投资大，成本高，技 术要求高，它们所消耗的磷石膏很少。而磷石膏的排放不仅占用大量土地，且污染了环境， 也给磷肥企业造成很大负担，磷石膏资源化成效已成为磷肥企业能否健康、持续发展的关 键。因此，开展磷石膏新的用途，推动磷石膏的综合利用，已成为磷肥企业、科研部门关 注和刻意解决的重要问题。磷石膏的综合利用不仅可节约占地空间，改善环境，而且还可 以把它作为一种再生资源，变废为宝，产生出很好的经济效益与社会效益。因而对之展开 进一步研究是当务之急。 1 2 3 磷石膏综合利用中末畿解决的的问题及前景 河海大学工程硕e 论文 我国关于磷石膏在道路工程中的利用方面的研究起步较晚，对磷石膏在道路工程中的 利用方面的研究还未形成成熟、系统的理论，其设计理论、施工技术、检测技术还未完善， 工程应用实例几乎空白。磷石膏在道路工程中没有得到广泛的应用主要是因为目前人们未 能较好地解决下列问题： 1 作为路面基层、路基填料的磷石膏混合料各种成分的合宣配合比； 2 磷石膏混合粒料用作路面基层，对其干缩特性、温缩特性的研究甚少； 3 作为路面基层、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，磷石膏混合料路面基层、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 本研究的目的和内容 i 3 1 本研究的目的 江苏省生产磷胺企业约有9 家，年生产磷胺能力约3 6 万吨，磷石膏年产量约1 2 6 万 吨，盐城地区磷石膏的年排放量一直较大，仅盐城市双昌化工有限责任公司一家磷石膏年 排放量就高达2 0 万吨左右，占地1 0 1 5 亩，磷石膏利用率一直极低，绝大多数磷石膏或 弃于堆场，或排放于江河，不仅占用了大量土地，已构成一种污染源，成为磷胺企业的包 袱。随着我国化工业的发展，磷石膏的排放还将与日俱增。因此，磷石膏的开发利用是目 前亟待解决的课题。 目前，江苏省高速公路建设的重点已移向苏北，苏北地区的公路建设即将兴起一个新 的高潮，而大规模公路的修建需要大量的筑路材料。如果能够将盐城地区磷石膏用于当地 公路的建设，那么不仅可以解决磷胺企业废料的再生利用问题，节约占地空问，节约能源， 净化环境，对企业发展、社会发展、生态环境的保护将有着重要的社会意义，而且还可解 决公路建设中的筑路材料需求，变废为宝。因此，利用部分粉状磷石膏应用到工程中去将 会产生较大的经济效益。 1 | 3 2 本研究的内容 4 第一章磷石膏的现状及综合利用 本顼研究以盐城市科技局立项的磷石膏的应用研究项目为背景，为磷石膏的工程应用 做前期可行性研究，并为此提供一定的科学依据。采用室内试验的研究方法，通过对盐城 地区磷石膏进行理化试验、级配试验、击实试验、三轴试验、固结试验，对磷石膏的物理、 力学性质进行全面、深入、系统研究。对磷石膏一石灰一粉煤灰、磷石膏一石灰一粉煤灰一粘 土混合料的进行击实试验、无侧限抗压强度试验、水稳试验、干缩试验、膨胀试验，对磷 石膏一石灰一粉煤灰、磷石膏一石灰一粉煤灰一粘土混合料的工程特性进行了系统研究，并对 磷石膏用粉煤灰石灰粘土作为路面基层材料的强度机理进行初步探讨。对磷石膏粉煤灰混 合粒料( 掺少量石灰) 作为路面基层材料以及路堤填料的可行性进行探索性的研究，为磷 石膏在道路工程中的应用提供一定的科学依据，为磷石膏的工程应用实践作前期的准备。 河湃大学工程硕士论文 第二章磷石膏的工程特性研究 2 i 磷石膏的产生形态 2 1 1 磷石膏的产生 磷石膏是湿法生产磷酸时产生的工业副产物“”1 。 本研究以盐城市磷肥厂的工业废料磷石膏为研究对象。用低于7 0 温度烘干。从磷石 膏的x 射线衍射图中可以看出，磷石膏是以二水磷石膏为主( 见图2 1 ) ，主要组成是二水 硫酸钙，此外还有一定量p o f 一、f e ”、a 1 ”、未分解的磷矿粉和酸不溶物等( 化学成份 见表2 1 ) 。磷石膏呈较强的酸性，p h 约1 5 2 0 ，多数呈灰白色，有的呈黄色和灰黄色， 比重约为1 3 1 4 ，松散容重约0 8 5 9 c 3 左右。磷石膏是多组份的复杂的结晶体，般 含结晶水1 9 左右，附着水4 1 2 。 g g 撩“鹘 图2 1 磷石膏的x r d 图 表2 1 磷石膏的化学成份 a l 。0 。s l 观 f e z 0 3m g oc a 0s 0 3p 2 魄 f - p h 结晶水有机质酸不溶物 0 2 93 5 20 2 5 o 8 93 0 6 84 1 6 42 0 3o 6 3 3 51 9 9 50 1 40 7 3 2 1 2 磷石膏的形态嘲 磷石膏主要是以四种结晶形态存在： 1 针状晶体 6 第二章磷石膏的工程特性研究 晶体的尺寸大小为：长8 0 5 0 0 um 、宽2 0 1 0 0 u 【n ，厚5 1 0pm ，长宽比约4 5 。 在反应料稠度很大时，这种晶体具有悬浮倾向，在料浆脱水时呈中性。 2 单分散板状结晶 晶体多为平行四边形或截菱形，结晶尺寸为：长4 0 2 0 0 um 、宽3 0 1 5 0 “m 、厚5 l o um 、长宽比约为1 3 1 5 。湿法磷酸过滤时，这些晶体具有沿水平“层”相互堆积的 倾向，从而产生不利于间隙液体移动的现象。 3 密实晶体 由板状晶体转化而来，当板状晶体厚度增长到几十i lm 时，即形成密实晶体，它的形 成条件与板状晶体相似。 4 多晶体核晶体 是有“毛刺”的密实晶体的聚合体，其形状类似一个5 0 1 0 0 “m 的球体，这种晶体 在湿法磷酸生产时具有良好的过滤性能。 磷石膏中杂质有可溶性和不可溶性杂质两类。前者是在过滤洗涤时未能除去而夹杂的 杂质，常见的有：( h 2 p 吼) - - ( s i f 。) 2 - 、f 一、n a + 、k + 等。后者是磷矿中杂质转化而形成的结 晶体及磷矿中未分解的不溶性杂质，常见的有：s i 0 2 、c a f 。、n a 。s i r 、c a s 0 4 、s if 6 、a l r 、 n a a lf 6 等结晶体及f e 、n a 、k 、m g 、a 1 、s r 等形成的磷酸盐混合物，由此可知，磷石膏是 多组份的复杂的结晶体。 2 1 3 磷石膏的物理特性 磷石膏多呈灰白色，有的呈黄色和灰黄色，相对密度约为2 0 5 2 4 5 ，松散状态下的 干密度为0 8 5 9 c m 3 。磷石膏是多组份的复杂结晶体，一般含水量为1 9 左右。液限为5 2 ， 塑限为3 2 ，塑性指数为2 0 ，回弹模量为3 2 0 7 m p a 。 本研究所用磷石膏的组成及颗粒级配见表2 2 。 表2 2磷石膏的颗粒级配 4粒径d m2l0 ，5 o 2 5o 1 o 0 7 50 0 5 0 0 10 0 0 5 i 小于该粒径占全 1 0 09 9 6 99 7 5 9 8 9 0 8 7 1 1 63 4 2 01 8 3 48 3 62 5 5 重的百分数 从试验磷石膏级配及粒径的范围可以看出：本试验所用磷石膏就其颗粒大小及颗粒组 成而言，类似于粉砂土；磷石膏中粒径小于0 0 7 5 的颗粒重占3 4 2 0 ，该部分颗粒中含有 一定的粉粒和粘粒，加之磷石膏的自硬性和毛细水的表面张力，因而其强度特性将表现出 一定的粘聚力，但数值较小；从颗粒级配来看，不均匀系数k u = 8 3 6 ，接近级配良好的一 类，因此其工程性能较好。 试验中所用磷石膏的比重试验测定，平均值为2 3 7 。当磷石膏的压实系数为n = o 9 5 河海大学工程硕士论文 时，其干密度pd = 1 3 5 9 c m 3 。当磷石膏的压实系数为r t = 0 9 0 时，其干密度pd = l 2 7 9 c c m 3 。 2 2 磷石膏的工程特性 2 ，2 1 磷石膏的击实特性 采用交通部( ( j t j 0 5 1 9 4 轻型i 法击实标准( 单位体积的击实功为5 9 8 2 j ) 测定磷石 膏的击实特性。 !l0l j 202 ：3 0 含水量 图2 2 石膏的击实试曲线 图2 2 为本研究所用的盐城磷肥厂产生的废石膏的击实试验结果。可以看出： 1 所选的磷石膏的最优含水量w o = 2 0 1 6 ；最大干密度pa = 1 4 1 9 c m 3 ； 2 含水量超过最优含水量后曲线较陡。 2 2 2 磷石膏的强度特性 1 静力强度特性 磷石膏的静力强度特性包括强度指标，应力应变关系，水稳定性等内容采用静三轴 仪对压实系数n 为0 9 5 、0 9 0 的2 组磷石膏试件作不固结不排水剪切试验相应的干密度 为pd ：1 3 5 9 c m 3 、pd = 1 2 7 9 c m 3 ，含水量为2 0 。每组试件分别采用2 5 k p a ，5 0 k p a ，1 0 0 k p a ， 1 5 0 k p a 4 组不同的围压进行试验。 表2 3 列出了两组养护龄期为7 d 时的磷石膏试样的抗剪强度指标由、c 。图2 3 和图 2 4 给出了由试验结果所绘出的应力圆及抗剪强度线 8 钙铊“如弛”弧巧“珏 ，l ii一 n e 2 n 型龆= i = 第二章磷石膏的工程特性研究 表2 3 磷石膏2 种密实度的强度特性 压实系数( q )0 i k p a 03 k p a 巾( 。)c 瓜p a 2 2 0 72 5 3 3 1 05 0 o 9 53 2 8 74 1 0 6 4 7 1 91 0 0 6 6 0 71 5 0 1 8 0 9 2 5 2 6 1 45 0 0 9 03 3 7 82 7 3 3 4 3 1 41 0 0 6 2 6 21 5 0 5 d 4 0 0 时 3d d 生 、 。7 - 00 1d 0 3 d o4 0 d 5 0 0 5d o7 0 0 a t c p a 图2 3 密实度为0 9 5 时的抗剪强度线 5 0 0 4 0 d 皇3 0 0 2d o 1d 0 10 0 2 0 03 0 0 4 0d 5dd5 d d7 0 0 口肛p a 图2 4 密实度为o 9 0 时的抗剪强度线 9 河海大学工程硕士论文 由于磷石膏中存在定数量的粉粒、粘粒，且磷石膏灰中有活性氧化物s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ， f e 2 0 3 ，c a o 等，它们在水中发生具有一定强度和硬性的水化胶凝物质，因而在强度方面表 现为具有一定的粘聚力，但其数值较小。 2 影响磷石膏强度指标因素 影响磷石膏工程性质的因素很多。工程中所关心的主要是含水量w ，压实系数n 及龄 期对磷石膏强度特性的影响，因为它们直接关系到磷石膏的水稳定性以及磷石膏地基的承 载力和沉降变形等。其中压实系数n 的影响可参见表2 3 、表2 4 。随着压实系数n 的增 大，磷石膏的抗剪强度指标和最大主应力峰值均增大含水量对磷石膏抗剪强度的影响可 见表2 4 。 表2 4 含水量及密实度对磷石膏抗剪强度指标的影响 压实系数( q )w 由( 。)c 腰a 2 03 2 8 74 1 0 9 51 53 4 2 13 8 1 03 5 6 13 3 2 03 3 7 82 7 0 9 0 1 53 4 8 6 2 5 1 03 5 4 82 1 2 02 9 6 6 1 4 0 8 0 1 53 3 印1 0 从表2 4 可以看出，随着含水量的增加，摩擦角由值减少，c 值增大。 该试验资料表明，含水量w 和压实系数n 均对应力一应变曲线形状和试件破坏形态有 影响，但在一定的范围内含水量w 的影响较小，而压实系数q 的影响很明显。 2 2 3 磷石膏水化硬化特点爱结构 2 2 3 1 水化产物1 、1 1 “2 1 x 射线物相分析表明，主要水化产物有钙矾石，水化硅酸钙，水化早期有氢氧化钙a 2 2 3 2 水化硬化特点及结构 磷石膏水化物硬化体强度发展主要是依靠钙矾石与水化硅酸钙凝胶，随着水化的进行 钙矾石与水化硅酸钙凝胶不断增加，硬化体强度不断提高，当水化趋于停止、钙矾石与水 化硅酸钙不再生成时，硬化体强度趋于稳定。钙矾石晶体在硬化体中起骨架作用，水化硅 酸钙凝胶则分布在空隙中，对降低孔隙率，提高硬化体强度起重要作用大量的二水磷石 膏作为微集料填充在硬化体中。 大量水硬性的钙矾石，水化硅酸钙凝胶形成，对二水磷石膏有包裹作用，阻碍或减弱 1 0 第一章磷石膏的工程特性研究 水对硬化体中二水石膏的侵蚀作用，受侵蚀的只是作为微集料的二水石膏，而不是磷石膏 硬化体中作为强度主要来源的二水石膏，使得二水石膏受水侵蚀后，对硬化体破坏作用相 对较弱。 2 2 4 磷石膏的压缩特性 土的压缩性质直接影响到建筑物基础的沉降量，磷石膏作为地基的换填材料，需要对 其压缩特性研究。本文对压实系数q 为0 9 5 、o 9 0 ，含水量w 为1 5 、2 0 条件下的磷石 膏试件进行常规压缩试验，测得的压缩模量e s l 2 和压缩系数a l 一2 见表2 5 。 表2 5 磷石膏的压缩试验结果 压实系数( n )含水量( ) e s l z i v l p a a 1 2 m p a 1 51 0 0 30 1 9 4 0 9 0 2 01 1 0 4 -o 1 3 0 1 5 1 0 8 6o 1 8 6 o 9 5 2 01 l j 60 1 2 8 表2 5 反映了工业废料磷石膏的压缩性具有如下规律： 1 在压实系数n 为0 9 5 ，0 9 0 ；含水量为1 5 ，2 0 时，该磷石膏的压缩模量e s i 一2 在1 0 0 3 1 1 5 6 m p a 2 _ f 日q ，压缩系数a 1 在o 1 2 8 0 1 9 4 m p a 1 之间相当于中等低的压缩性土； 2 在相同含水量w 的条件下，随着压实系数r l 的提高，磷石膏的压缩模量e s l 2 增高， 而压缩系数8 l - 2 降低。 河海大学工程硕_ 论文 第三章磷石膏混合料的击实试验 3 1 研究条件的选择。钉 半刚性混合材料强度主要是由无机结合料和稳定材料在内部发生一系列的化学反应和物 理反应而形成，而材料的用量、混合料的成型的过程以及养生时间和养生环境的温度与湿度 等对这些反应有直接的影响，因而半刚性混合材料强度的形成和发展过程较为复杂。 环境温度越高，半刚性混合材料内部的化学反应就越快，越强烈，其强度也就越高。试 验研究表明，对于无机结合料稳定细粒土，其初期的强度较低，一般在后期还有较大的强度 增长，因此不仅要求其在初期的环境温度较高，在养生的后期其环境温度也不宜太低，当温 度在5 o 时强度就难于形成和基本上没有什么增长，而当温度低于o 。c 时，如果遭受反 复冻融，其强度还可能下降。 水分是半刚性混合材料发生化学反应的重要影响因素，过多的水分或水分不足会使无机 结合料稳定混合材料的强度达不到预期值，养生时保持适宜的湿度才能便得混合料的水分不 至于过分散失，从而保持混合料的强度发展正常。 半刚性混合材料的化学反应要持续一个相当长的时间才能完成，在大致相同的环境条件 下，半刚性混合材料的强度和刚性( 回弹模量或弹性模量) 都随龄期增长而不断增长，尤其 是具有慢凝性质的石灰粉煤灰稳定材料和石灰稳定材料其硬结过程都相当长。试验研究还表 明，尽管不同材料的增长幅度不相同，同种材料在不同地区的增长幅度也不同，但各类半刚 性混合材料的强度随龄期增长都有一个共同的特点，即结合料剂量越大，龄期对强度的影响 也越大。 由于半刚性混合材料的强度形成过程较复杂，选择合适的研究环境也就尤其重要，在进 行稳定类型和稳定方法的研究中材料的用量变化将作为研究内容，因此在研究环境选择上我 们主要考虑环境温度、湿度、养生时间等几个因素。 l 、研究环境的温度选择 由于本课题的研究对象位于南方与北方交界处，偏于保守考虑取室内养护的温度恒定在 2 0 2 范围内。 2 、研究环境的湿度选择 参照相关规范的要求，对于室内试验研究的养生应进行保湿。本处为稳定细粒混合料， 试件的尺寸较小，可直接在保湿的养护室内养生，而不需要再加套塑料薄膜或蜡封保湿。对 于试验路段，在混合料铺筑压实之后，应设法覆盖保湿着重7 d 以上，且在支除覆盖后应尽快 施工其上结构层，不使其遭受暴晒、水分过分散失，影响结构的后期强度发展和造成干燥收 缩。 3 、养生时间选择 本研究选择磷石膏混合料的养生时间为7 天和2 8 天二种龄期。 篁三兰壁至童堡垒塾塑圭兰苎墼 一 3 2 试验材料 1 粉煤灰：粉煤灰取自盐城发电厂的湿排灰，然后晒干，收存。 粉煤灰的化学成分见表3 1 ，矿物组成成分见表3 2 ，粉煤灰的物理性能见表3 3 表3 1 粉煤灰的化学成分 s i 0 2a 1 2 仉f e 2 0 3 c a 0 m g o s o 。l o s s其他 5 1 6 5 2 7 3 24 7 83 5 71 0 6o 3 68 4 0 2 8 6 表3 2 粉煤灰的矿物组成成分 p 2 0 5 有机酸不 c a os o ，h 2 0 水溶 总f水溶f r ：o 共晶不溶p = 魄 成分 溶物 p 2 0 5 3 0 3 44 0 5 11 9 0 00 3 1o 3 30 0 40 4 00 1 8o 1 l 7 0 50 4 l 表3 3 粉煤灰的物理性能 4 9 0 0 孔筛筛余比表面积 比重 c m 2 g 2 4 8 83 2 8 51 9 2 磷石膏：磷石膏取自盐城市磷肥厂的工业废料磷石膏。 3 石灰：经消解生石灰所得熟石灰，质量为i 级，c a o + m g o 含量为5 5 9 6 。 4 粘土： 粘土的化学成分见表3 4 ，粘土的物理力学指标见表3 5 。 表3 4 粘土的化学成分 s i0 2a 1 2 0 3f e 2 mc a o m g o l o s s | 6 6 1 4 1 3 6 l 4 5 3 4 9 52 0 37 4 9 表3 5 粘土的物理力学指标 含水 粘聚 压缩压缩 相对密重度干重度孔隙液限塑限塑性液性内摩攘 量 力 系数模量 k n m 3k n m 3比 指数指数角。 k p am p a 一1m p a 2 7 92 7 4 1 9 5 1 5 2 0 8 4 93 9 82 1 0 1 8 80 3 7 5 9 8 3 90 1 71 0 3 6 河海大学i 程硕士论文 3 3 试验内容 1 击实试验 测定磷石膏、磷石膏一粉煤灰一石灰一粘土混合料各种配比试样的最大干密度、最优含水量。 2 比重试验 测定磷石膏、磷石膏一粉煤灰一石灰一粘土混合料各种配比试样的比重。 3 试块无侧限抗压强度试验 测定磷石膏一粉煤灰一石灰、磷石膏一粉煤灰一石灰一粘土混合料各种配比试样在7 天、2 8 天龄期的无侧限抗压强度。 4 水稳定性试验 测定磷石膏一粉煤灰一石灰、磷石膏一粉煤灰一石灰一粘土混合料各种配比试样在7 天、2 8 天龄期水稳定性。 5 收缩性能试验 测定磷石膏一粉煤灰一石灰、磷石膏一粉煤灰一石灰一粘土混合料部分配比试样在7 天龄期的 收缩性能。 5 膨胀性试验 测定磷石膏粉煤灰一石灰、磷石膏一粉煤灰一石灰一粘土混合料部分配比试样7 天龄期的 膨胀性能。 3 4 正交设计方法 3 4 1 三种设计方法的比较 本研究的试验采用磷石膏一粉煤灰一石灰、磷石膏一石灰一粉煤灰一粘土混合料作为研究对 象。 在磷石膏混合料配合比设计中，会遇到几种因素对一指标或多指标的影响效果大小的问 题，而且这几种因素又有不同的水平，例如本课题中，磷石膏( a ) 、粉煤灰( b ) 、石灰( c ) 、 粘土( d ) 等因素是影响强度性能和水稳性能的主要因素，而这四种因素又有多个不同的水平 ( a l 、如、屯、) ，现在要研究这几种因素对混合料强度和水稳性能影响的效果大小。 研究上述问题，主要有以下三种方法“： 1 孤立变量法 孤立变量法，即先按照经验维持其中几个因素不变，如b 、c 、d 不变而a 变化( a ，、凡、 a 。a 4 ) ，确定出最佳a 剂量如如；维持a 。、c 、d 不变而b 变化( b 。、b ：、b s 、) ，确定最佳b 剂量如b 4 ；以此类推，最后确定最佳试验组合a ，c 。d ：。这种试验方法能得到一定的效果，但 1 4 第三审磷杠膏混台料的击实试验 它最大缺点是试验的代表性太差，这样安排试验自然是不全面的。另外，如果几种因素之间 存在交互作用的情况下，就要按上述四因素全部组合进行试验，我们称之为全面试验。此外， 用“孤立变量法”安排试验，如不作重复试验，它给不出试验误差的估计。 2 全面试验法 全面试验法，顾名思义，就是把涉及到某指标的几种因素，按照不同的水平全部进行组 合试验。例如本课题进行全面试验需要4 x 4 x 4 4 = 2 5 6 次。“全面试验法”对事物内部的规 律性可以剖析得比较清楚，但是最大的缺点是要求的试验次数太多。试验中采用的因素数目 每增加一个，即使是二个水平的情况，其试验次数也要增加到原来的二倍，即当因素增加时， 试验次数是按等比级数增加的。因此，遇到多因素多水平的试验时，作全面试验的次数多得 惊人，实际上往往不可能做到。 3 正交试验法 从“孤立变量法”到“全面试验法”的比较中，自然要问：有没有这样的一种方法，既 能保持较少的试验次数，又能克服上述缺点呢? 回答是肯定的。正交设计就是一种科学地安 排多因素试验方案和有效地分析试验结果的好方法。它吸收了上述两种方法的优点，克服了 它们的缺点。正交设计是用一套编好的正交表，从为数众多的多因素的全面试验中，挑选出 次数比较少，但很有代表性的组合条件去做试验，通过较少的试验，并进行简单的计算就能 找出较好的工艺条件或最优配方。 3 ，4 2 正交设计基本方法和拟水平法 3 4 2 1 什么是正交表 正交表利用“均衡分散性”与“整齐可比性”这两条正交性原理，从大量的试验点中挑 选出适量具有代表性的试验点制成有规律排列的表格，这种表称为正交表，它是正交设计的 基本工具。 正交表l 。( 4 4 ) 有1 6 个横行，4 个列行。表中由字码“1 ”、2 、3 、4 组成。它有 两个特点：( 1 ) 每个纵列1 、2 、3 、4 出现的次数相同，都是4 次；( 2 ) 任意两个 纵列，其按方向形成1 6 个有序数字对( 1 ，1 ) 、( 1 ，2 ) 、( 1 ，3 ) 、( 1 ，4 ) 、( 2 ，1 ) 、( 2 ，2 ) 、 ( 2 ，3 ) 、( 2 ，4 ) 、( 3 ，1 ) 、( 3 ，2 ) 、( 3 ，3 ) 、( 3 ，4 ) 、( 4 ，1 ) 、( 4 ，2 ) 、( 4 ，3 ) 、( 4 ，4 ) 出现的次数相同，都是次即任意两纵列的字码“1 ”、“2 ”、“3 ”、“4 ”的搭配是均衡的。这 两个特点正是“均衡分散法”和“整齐可比法”这两条正交性原理的体现，也就是正交