（岩土工程专业论文）石灰改性磷石膏及其混合料工程性质研究.pdf

摘要 论文介绍了磷石膏及其混合料在土木工程方面的应用现状。磷石膏是磷胺工 业所产生的废弃物，大量堆放对环境会造成极大的污染，在经济上也会对企业造 成极大的包袱。磷石膏应用比较广泛，但用量都比较少。磷石膏及其混合料作为 道路建设材料则可以解决磷石膏的堆放问题以及高速公路建设中填土短缺问题。 磷石膏的基本物理化学及其工程性质是影响其使用的关键因素。运用光谱分 析仪器研究磷石膏的元素成分，从而分析其化学成分。采用击实试验，直剪试验 和压缩膨胀试验研究其最大干密度，各种压实度情况下强度和压缩膨胀特性。 磷石膏直接作为路基填料还有很多不足之处，在磷石膏中加入石灰可以改善 磷石膏的各种工程特性。击实试验表明加入适量的石灰可以增大磷石膏的最大干 密度。加入适量的石灰，磷石膏压缩性能得到改善。在相同时间的密闭自然养护 条件下，加入石灰的磷石膏强度明显优于未加入石灰的磷石膏。但是，加入过多 的石灰，磷石膏表现出明显的膨胀特性。 石灰改性过后的磷石膏可以加入土中形成混合料用于路基的建造。通过研究 江苏地区常见的粉质粘土与5 石灰改性磷石膏混合料的击实特性，压缩特性， 剪切特性，提出了粉质枯土中加入的5 石灰改性磷石膏的最佳含量，为路基设 计和施工提供参考。 石灰改性磷石膏还可以加入石子中改善石料的配比，增加石料的密实性。在 石灰改性磷石膏中加入粉煤灰，混合料的性质可以得到进一步提升，其抗剪强度 增加尤其明显。 石灰改性磷石膏及其混合料随各种组分的不同，其各种工程性质也不同。通 过含磷石膏土以及含磷石膏石子的三轴试验，研究了石灰改性磷石膏对土和石子 强度和变形的影响，并提出了判断混合料优劣的e x p 模型方法。在此模型中，通 过模拟试样的应力应变曲线，得出a ，b 两个参数。参数a 可以反应试样的初始 状态，而b 参数可以反应试样的变形的非线性。e x p 模型还可应用于分级路基 填筑的有限元模拟，为路基施工建设提供参考。 关键词：磷石膏，石灰，粉质粘土，石子，路基，变形，试验，模型 a b s t r a c t p h o s p h o g y p s u m ( p g ) a n di t sb i n d e r sa r es t o d i e df o rc i v i lc o n s t r u c t i o ni nt h e d i s s e r t a t i o n p gi sab y - p r o d u c to fp h o s p h o r i ci n d u s t r y i fi ti sp l a c e dw i t h o u ta n y t r e a t m e n t , p h o s p h o g y p s u mm a y c a u s es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s e c o n o m i ca n d s o c i a lp r o b l e m sa p p e a rb e c a u s eo fp gp o l l u t i o n p gi su s e di nc e m e n tp r o d u c t s ，s o i l t r e a t m e n t ，e t c h o w e v e r , o n l ys m a l la m o u n to fp gc o m p a r e dt ot h et o t a l ，i su s e di n t h ea b o v em e n t i o n e di n d u s t r i e s i fp gi su s e di nr o a dc o n s t r u c t i o n 髂t h er o a d s u b - g r a d e ，p r o b l e m sf r o mp g g a l lb es o l v e d t h i sa l s os o l v e st h es h o r t a g eo fs o i l sf o r r o a de o u s t r u c t i o n t h e p r o p e r t y , e s p e c i a l l y o f e n g i n e e r i n g i s t h e k e y p o i n t o f p g t r e a t m e n t a n du s p e c t r a la n a l y s i se x p e r i m e n ti sc o n d u c t e dt oa n a l y z et h ee l e m e n t si np gp r o v i d e db y s uq i a nb u r e a uo fr o a dc o n s t r u c t i o n t h ec o m p o n e n t so fp g 黜g o tf r o mt h et e s t t h r o u g hs t a n d a r dp r o c t o rc o m p a c t i o nt e s t s ，d i r e c ts h e a r i n gt e s t s ，c o m p a c t i o nt e s t sa n d e x p a n s i o nt e s t s ，t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa r er e s e a r c h e d p gi sn o ts u i t a b l et od i r e c t l yu s ea sr o a ds u b - g r a d e l i m ec a ni m p r o v et h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fp gs t a n d a r dp r o c t o rc o m p r e s s i o nt e s t ss h o wt h a tt h e m a x i m u md r yd e n s i t yo f p gi n c r e a s e sa n di t sc o m p r e s s i v eq u a l i t yg e t sb e r e t , i f i th a s c e r t a i na m o u n to fl i m e u n d e rt h es a m ec u r i n gc o n d i t i o n s ，l i m e dp gh a sh j i g h e l u 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 ht h a nt h o s ew i t h o u tl i m e t e s t sa l s os h o wt h a tt o o m u c hl i m em a k e sp ge x p a n do b v i o u s l y l i m e dp gg a l lb eu s e di nr o a dc o n s t r u c t i o nb ym i x i n gi n t os o i l s r e s e a r c h e so f s i l tc l a y , w h i c he x i s t si nm a n y p a r t so f j i a n gs u , w i t hl i m e dp gf i n dt h a tt h es i l t yc l a y w i t h5 - p e r c e n t l i m e dp gp e r f o r m sb e s ti nc o m p r e s s i o nt e s t s ，s h e a r i n gt e s t s t e s t r e s u l t sc a n p r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nf o rp gu f o rr o a dc o n s t r u c t i o n g r a v e l so f ag r a d i n gc a l lb ec o m p r e s s e dd e n s e ri f m i x e dc e r t a i np e r c e n tl i m e dp g t h e f l y - a s hc a ni m p r o v et h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l ys t r e n g t ho f l i m o dp g l i m e dp ga n di t sb i n d e rh a v ed i f f e r e n te n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sw i t hd i f f e r e n t c o m p o n e n t s t f i a x i a lt e s t so f p gs o i la n dp gg r a v e la r ec o n d u c t e dt os t u d yt h ee f f e c t o fp go nd e f o r m a t i o no fs o i la n dg r a v e l t h ee x pm o d e li se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h e q u a l i t yo fp gb i n d e r s f r o mt h em o d e l ，c o e f f i c i e n t so faa n dbc a nb eg o t t h e c o e f f i c i e n tac o r r e s p o n d st ot h ei n i t i a ls t a t eo fs o i ls p e c i m e n , 0 1 1t h eo t h e r , bi st h e c o e f l i e i e n to f n o n l i n e a rd e f o r m a t i o no f s o i l s e x pm o d e lc a nb eu s e dt of e m a n a l y s i s o f r o a dc o n s t r u c t i o n , w h i c hc a np r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：p h o s p h o g y p s u m , l i m e ，s i l tc l a y , g r a v e l ，r o a db a s e , t e s t ，m o d e l 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) ： 学位论文使用授权说明 沙肛多月归 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) ： 苦年弓旯呻 第一章绪论 第一章绪论 1 1 磷石膏介绍 磷石膏是化工厂用磷灰石与硫酸作用湿法生产磷酸时的副产品。一般每生产 1 吨湿法磷酸，约排出5 吨磷石膏。据报道，全世界每年磷石膏的排放量高达( 1 1 1 3 ) x 1 0 8 吨。其中只有( 4 5 5 0 ) 1 0 6 吨磷石膏得到了利用，利用率仅为4 1 4 5 ，还有很大的利用空问【l 】。在我国，磷石膏是化学石膏中排放量最大的废 料，年产量为7 o x i 0 6 吨，居世界第三。 磷石膏的主要组成是二水硫酸钙，此外还有一定量p 0 4 3 。、f 、f e 3 + 、a l ”、 未分解的磷矿粉和酸不溶物等。磷石膏呈较强的酸性，p h 约为i 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 m 3 。 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 盼1 2 。 磷石膏中二水硫酸钙含量一般可达9 0 以上，是一种重要的再生石膏资源。 但是磷石膏中含有磷、氟、有机物等诸多有害杂质，使其不能直接用于生产石 膏建材。由于大量的磷石膏不能及时有效的利用，需要进行堆置处理，既占用 土地，又污染环境1 2 1 。 1 2 磷石膏基本物理化学性质 1 2 1 磷石膏化学成份分析 下面是一些地区磷石膏的化学成分表： 表1 i 四川龙蟒集团磷石膏的物理组成 结晶 组成c a os 仉f e 籼 1 2 0 a p 2 0 5 总 p z 0 5 水f水 含量 ( )3 0 8 34 3 4 80 2 8 90 1 8 61 2 9o 4 20 1 41 79 3 表1 2 湖北襄刚县磷肥厂磷石膏化学成分 组成c a o s 0 3f 0 2 0 3a 1 2 0 3p 2 0 5 总 f结晶水 含量 ( )3 1 5 74 2 4 80 0 50 0 81 0 50 1 41 9 8 8 对比表1 1 和表1 2 可以看到磷石膏中含有一定数量的磷成分，这也是磷石膏 得名的原因。磷石膏中同时还含有大量的结晶水通过化学分析可以知道，含 河海大学硕士学位论文 7 5 有两个结晶水是石膏比较稳定的化学状态。湿法生产磷酸所得到的废料磷石 膏出厂时含有大量的自由水，因此石膏可以充分和自由水结合，从而可以判断 磷石膏中石膏的结晶状态是c a s 0 4 2 h 2 0 。 磷石膏和天然石膏的化学成分对比如表1 3 1 ，i ：示。 表1 3 重庆磷石膏与天然石膏化学成分对比 组成 c a o s 0 3s i 0 2f e 2 0a 1 2 0m g op 2 0 5 f结晶 有机物 水 33 磷石膏 3 i 64 5 93 8 1l _ 2 20 6 20 2 01 2 9 0 5 1 6 3 0 1 2 天然石膏 3 1 24 1 14 8 01 3 51 7 31 3 0o01 6 8o 磷石膏和天然石膏一样，主要成份为c a s 0 4 2 h 2 0 ，其主要差异在于磷石膏 中含有磷、氟、有机物等多种有害杂质。且呈酸性。这些性质使得磷石膏水化 时间长，强度低，不能像天然石膏一样直接用于石膏建材的生产。因此，如果 考虑除去这些有害杂质或者将有害杂质转变为不溶性杂质，就可以使用磷石膏 代替天然石膏进行使用。此外，磷石膏粒径较小，不需要像天然石膏一样需要 破碎，利用前景较好删。 1 2 2 含磷成分对磷石膏性质的影响 图1 1 中规则晶体上面的粗糙部分即为磷石膏中的磷成分。试验表明磷成分 具有明显的缓凝作用。结晶水分析表明，磷成份明显降低了建筑石膏的水化速 率，即磷成分使二水石膏晶体粗化，晶体间的交错搭接减少，从而导致硬化体强度 降低。1 4 图1 1 磷石膏显微观察图 1 2 3 磷石膏的溶解性和渗透性 2 第一章绪论 1 2 3 1 磷石膏的溶解性 o 3 9 o 3 8 秘o 3 7 琏0 3 6 建 0 3 5 0 3 4 o 3 3 ol o2 03 04 05 06 0 7 0 温度。c 图1 2 磷石膏温度溶解度曲线 由图1 2 可知，溶解温度在2 0 5 0 之间时，磷石膏溶解度变化较大，温度 每增加1 0 ，溶解度降低o 0 0 4 6 0 0 2 2 2 9 ，随着温度的升高，溶解度的减小速 度越来越慢。对于磷石膏，4 0 c 以上的溶解度基本上没有太大的工程意义。1 5 】 1 2 3 2 磷石膏的渗透性 磷石膏的垂直渗透系数范围是4 6 4 x 1 0 。4 1 3 8 x l f f 5 c m s ，平均值肌= 1 3 1 0 4c i l l s ，水平渗透系数范围是1 1 3 1 0 。4 3 3 1 l f f 5 以，平均值嵇：6 0 1 0 。5 c i i l s 。总体而言，磷石膏的垂直渗透系数要大于水平渗透系数，即层自j 的渗透性 大于水平层内的渗透性。嘲 1 3 磷石膏在土木工程中的应用 1 3 1 利用磷石膏生产的相关制品 ( 1 ) 利用磷石膏生产建筑用胶凝材料( a 一半水石膏；b 一半水石膏) ： ( 2 ) 利用磷石膏制硫酸联产水泥； ( 3 ) 利用磷石膏作为水泥缓凝剂和生产低碱度水泥： ( 4 ) 利用磷石膏直接制加压磷石膏纤维板； ( 5 ) 利用磷石膏制建筑标准砖，磷石膏石灰煤渣空心砌块呻1 。 1 3 2 磷石膏作为路基材料的应用 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，掺加少量激发剂制备路基材料，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。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料；合理的配比甚至使 河海大学硕士学位论文 其2 8 d 的强度达至u 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符合路基材料质量要求”1 。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 施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 料口1 。同年，在2 0 0 1 年武汉理工大学硅酸箍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 口1 。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”1 。一些研究者在二灰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，更没有成 规模的应用于路基的报导。 1 3 3 磷石膏改善过湿土试验 过湿土广泛分布于成都地区，这种土经水浸泡后强度很低，严重影响路基 强度，一般不宜直接在其上修筑道路。因此，道路施工中将产生大量弃方。而填 筑路基所需填料却远运借方。如采取一定措施处理，提高强度后用于路基填筑。 将产生巨大的经济效益。针对这一实际情况，做了磷石膏及二狄磷石膏对过湿土 性能的影响试验研究。在过湿土中掺入1 0 的磷石膏后，强度有一定的下降，这 是由于磷石膏颗粒被过湿土包围。周围土吸水达到饱和时，相当于磷石膏浸泡 在水里，饱水磷石膏的强度低于饱和土的强度，同时混合料的膨胀量将近增长一 倍。可见，单纯磷石膏并不能改善过湿土的性能。在过湿土中加一定比例的二灰 磷石膏做试验，发现改善后的过湿土强度有较大程度的提高，远远大于规范对 路基填料的强度要求，混合料的膨胀量也大大降低。可见，二灰磷石膏大大改善 过湿土的性能。可作过湿土地区软基处理用。嘲 1 3 4 磷石膏及其混合料的研究进展 文献( 1 0 ) 分析了磷石膏的特点，优势和使用情况，以及磷石膏的使用范 4 第一章绪论 围。论文提出，合理的试验方法和研究工作对于解决磷石膏这种废弃物的污染 问题是十分必要的。 文献( 1 1 ) 研究的是加入锻烧磷石膏，粉煤灰，消石灰以及水泥的胶凝混 合料。介绍了混合料在5 0 室温以及9 0 相对湿度情况下的强度特性和混合料 的水化特性。试验表明5 0 c 室温养护混合料的无侧限抗压强度大于2 7 。c 室温养 护的混合料。试验采用了差示热分析法来研究混合料的水化。扫描电子显微镜 的试验结果显示，混合料的早期强度来源于煅烧磷石膏的硬化和水泥的水化， 后期强度来源于钙矾石和水化硅酸钙( c s h ) 的形成。 文献( 1 2 ) 介绍了粉煤灰一石灰一磷石膏( f a l g ) 砖替代普通粘土砖的研究 进展。文章分析了在不同配比情况下粉煤灰，石灰、煅烧磷石膏混合料砖材的 无侧限抗压强度，吸水性，密度以及耐久性。对比分析了粉煤灰一石灰一磷石膏 ( f a l g ) 砖材和普通粘土砖的工程性质。研究结果表明，磷石膏混合料砖材符 合建筑物的强度要求，质量轻，而且在不良工况下耐久度高。 文献( 1 3 ) 介绍了基于煅烧磷石膏，粉煤灰，石灰的胶凝混合料在不同养护 温度情况下的耐久性。文章分析了混合料在水中，干湿循环，以及2 7 n 6 0 冷 热循环的加速老化工况下的耐久性。试验结果表明混合料的强度随循环次数的增 加和所处的温度的升高而降低，混合料的重量也因此减小。试验采用差示热分析 和电子扫描显微镜的方法研究了混合料强度和质量的变化。结果显示在6 0 的情 况下，混合料强度下降量最大。 文献( 1 4 ) 介绍了一种新型的评测磷石膏改性石灰一粉煤灰路基垫层材料的立 方体容积研究方法。立方体容积研究法的建立是通过一系列试验以及强度发展机 理分析得出的。这种配比设计分析方法可以得出混合料中最优的骨料、石灰、磷 石膏、粉煤灰的含量，最大干密度以及最优含水率。试验结果表明，采用这种方 法得出的混合料具有较高的强度和较好的工程特性，混合料的配比及压缩系数与 试验结果比较接近。这种方法可用于指导施工技术和质量控制。 文献( 1 5 ) 通过大量的室内试验，研究了磷石膏的烘烤温度与含水率的关系、 烘烤时间与含水率关系、溶解度与温度关系。如果按照土工试验规范进行试验， 测得磷石膏的含水率随着烘烤温度的升高而增加，也随着烘烤时间的增长而增 加。但是含水率应该是一个恒定的指标，所以磷石膏的含水率的测定不能按照现 河海大学硕士学位论文 行规范进行，必须加以改进。建议在5 5 6 0 条件下，烘烤3 6 h 或更长时间来测 定磷石膏的含水率。从试验结果还可以得知磷石膏具有一定的溶解性，且其溶解 度随着温度的升高而降低。也正是由于磷石膏的溶解特性，所以在进行渗透试验 和三轴剪切试验时要使用室温条件下的饱和磷石膏溶液替代水，从渗透试验结果 来看，磷石膏坝渗透特性不同于般的尾矿坝，其垂直渗透系数要大于水平渗透 系数。从磷石膏的固结不排水三轴剪切试验可知，磷石膏是一种有明显的剪胀性 的材料，在剪切条件下其破坏发生在孔隙水压力为负的情况下，且其破坏时的应 变受围压的影响不明显。利用磷石膏的剪切破坏发生在负孔压的这一特性，理论 上可以通过坝体内孔压变化的监测来预测磷石膏坝的安全性。 文献( 1 6 ) 研究了石灰、粉煤灰以及石灰、粉煤灰、粘土在最优含水量下 所配成混合料的工程性质。试验表明混合料早期强度低，对气温要求较高，使 公路基层铺筑后不能及时通车。为此，研究了工业废渣磷石膏对公路基层性能 的影响及作用机理。研究表明，引入磷石膏可提高其抗压强度并减少干缩，不 但技术上可行，而且社会效益明显。 文献( 1 7 ) 和( 1 8 ) 探讨了磷石膏一粉煤灰一石灰一粘混合料作为基层材 料的干缩特性，为工程应用提供理论依据。 综上所述，在国内外己检索到的公开报道文献中，已见有：磷石膏及其混合 料的配比、强度和干缩性试验研究，以及磷石膏及其混合料在高速公路中使用 的初步研究。已有的成果未涉及如下方面： 磷石膏及其混合料较大规模的应用和成功的后续报道； 在高速公路建设中研究磷石膏及其混合料的膨胀性及其化学机理分析； 在循环加卸载条件下磷石膏及其混合料的变形： 磷石膏及其混合料应用于高速公路建设的施工工艺和质量控制。 1 3 5 磷石膏综合利用总结 磷石膏小部分用于农业中，主要被用作工业原料。在工业应用中，大多工艺 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，并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 6 第一章绪论 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闻，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。 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，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、路基填料的磷石青混合料各种成分的合宜配合比； 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。 因而需对磷石膏在道路工程中的应用展开深入、系统的研究，具有重要的 经济价值和社会价值和环保意义。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 4 磷石膏利用问题的提出及本文的主要工作 1 4 1 磷石膏综合利用问题的提出 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。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，磷石膏的捧放还将与日俱增。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己移向苏北，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。如果能够把磷 河海大学硕上学位论文 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， 节约占地空间，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道路建设工程中去将会产生较大的经济 效益。 1 4 2 本文研究目的 通过击实试验，固结试验，剪切试验以及膨胀试验研究磷石膏及其混合料 的工程性质性质。通过加入不同含量的石灰，研究在不同配比条件下磷石膏和 石灰的相互作用，得到较好力学性质的石灰磷石膏配比。通过试验研究磷石膏 混合料作为路基填料的各种工程性质，提出磷石膏混合料作为路基填料使用的 最优配比。采用有限元程序模拟磷石膏混合料路基填筑，为磷石膏在路基建设 中的使用提供参考。 表1 4 本文试验内容及试验目的 试验内容 研究内容试验目的 磷石膏电子扫描测定磷石膏的化学成 石 份，。 灰 磷石膏击实试验研究磷石膏的最优含 改 水率与展人干密度。 研究磷石膏的基本性 性 磷膏崩结压缩试验 研究磷膏的i i i i i 结压质，分析磷石膏作为路 磷 磷石 缩性质。基填料所存在的问题， 石 膏试 磷石膏剪切试验研究磷石膏的剪切强 为添加改性材料提供 膏 验 度依据。 作磷石膏膨胀试验 研究磷石膏遇水的膨 为胀性。 路 研究石灰改性磷石膏 基石灰改性磷石膏击实试验的展优含水率与最大 填 干密度。 料 研究石灰改性磷石膏 通过分析石灰改性磷 的 石灰石灰改性磷石膏压缩试验 的i i l i | 结压缩性。 石膏各个配比的击实 工 改性 特性，压缩特性，剪切 程 磷石 石灰改性磷石膏剪切试验研究石灰改性磷石膏 特性从而得出较优石 性 膏试 的剪切强度。 灰含量的磷石膏配比， 质 验 石灰改性磷石膏膨胀试验研究石灰改性磷石膏 并对比分析石灰改性 遇水的膨胀性。 磷石膏与磷石膏在工 研 石灰改性磷石膏无侧限 研究石灰改性磷石膏 程性质上的优劣。 究 抗压强度试验 的龄期强度。 1 4 3 本文研究内容 第一章绪论 1 4 3 1 磷石膏及其混合料室内试验研究 表1 4 和续表1 4 介绍了本篇论文的试验内容及试验目的。 续表1 4 本文试验内容及试验日的 试验内容研究内容试验目的 石研究混合科的击实特性石灰改性磷石膏加 灰混合料击实试验并得山各个配比最人干 入江苏地区常见的 改石灰密度和最优含水率。粉质粘十中是磷石 性改性研究混合料的压缩特性膏作为路基填料使 磷磷石 混合料固结压缩试验并得山各个配比的压缩 用的一种方法。通 石膏与指数和压缩系数过分析各个配比的 膏粉质 混合料膨胀试验 研究混合料的膨胀特性， 各种十工试验结 作粘土分析各个配比的膨胀量 果得到石灰故性 为混合 研究混合料的剪切强度， 磷石膏加入土中的 路料 混合科剪切试验得出各个配比的内摩擦 最优含量。 基石灰 角和粘聚分量 填改性 灰改研究混合料的压缩特性石灰改性磷石青加 料磷石 性磷混合料压缩试验得剑各个配比的压缩指入某一种配比石于 的膏作 石膏 数和压缩系数中，分析石灰改性 工 为路 与石 混合料三轴剪切试验研究混合料的三轴剪切 磷石膏对石子【：程 程基填 干混强度。性质的影响。 性料试 合料 质验 研究混合料的击实特性研究粉煤灰对石灰 研 石灰混合料击实试验得山各个配比的展优含改性磷石膏：程性 究 改性水率和晟人干密度。质的影响，得出三 磷石研究一定龄期混合料的种材料的最优配 膏与混合料直剪试验剪切强度，并得到各个配 比。 粉煤 比的内摩擦角和粘聚分 灰混量。 合料 1 4 3 2 磷石膏及其混合料应力应变数值模拟与有限元应用 采用数值模拟的方法拟合磷石膏材料的应力变形曲线，推导并建立判断磷 石膏材料强度和变形优劣的模型，并得到磷石膏混合料的应力和变形参数。 把从数值模拟得到的磷石膏混合料模型参数运用到有限元程序中，建立路 基填筑模型，分析含磷石膏路基自重沉降和应力分布。 9 河海人学硕上学位论文 第二章磷石膏基本性质试验研究 2 1 试验目的与内容 磷石膏的基本性质分析是研究其改性和资源化利用的基础。磷石膏的化学成 份决定了加入改良剂的种类和数量。磷石膏的各种工程性质如最大干密度，压缩 特性膨胀特性以及剪切强度也是磷石膏作为路基填料运用中值得关注的方面。因 此，我们选用了宿迁公路局提供的磷石膏进行了化学成份分析和室内土工试验， 为磷石膏的改性研究提供依据。本章试验内容如表2 1 所示： 表2 1 磷杠膏试验内容 试验材料电子扫描 击实试验压缩试验直剪试验膨胀试验 磷石膏 注：“”表示进行的试验内容 2 2 磷石膏的化学成分分析 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。 图2 1 电子显微镜扫描磷石膏元素分析图 通过计算得出磷石膏中氧化物含量如下表所示： 表2 2 宿迁磷石膏的化学成分 l 组成 c a 0 s o ，结晶水 p 2 0 5p ua 1 z 仉 m g o s i 如f e z mn a 2 0 i 含量( ) 2 6 5 84 0 2 6 1 7 1 12 5 53 0 31 0 00 2 98 3 70 9 5 o 3 9 l 从表2 2 和图2 1 可以看出磷石膏中除了c a s 0 4 2 h 2 0 外，还含有其他的金 属矿物质，f e 2 0 3 ，a 1 2 0 3 ，m g o 等。从光谱扫描图中，还可以发现p 元素的存 0 第二章磷石膏摹本性质研究 在。这种元素主要以( h 2 p 0 4 ) 。离子的形式存在，是磷石膏成酸性的主要原因。 2 3 磷石膏的基本工程性质 2 3 1 磷石膏的击实特性 采用交通部 j t j 0 5 1 9 3 轻型i 法击实标准( 单位体积的击实功为5 9 8 2 j ) 测定磷石膏的击实曲线。 b k 2 2 可以看出宿迁公路局提供的磷石膏最大干密度为1 4 9 9 c m 3 ，最优含 水率为1 8 。磷石膏自然风干后成粉末状，加水后自身并没有表现出粘聚的特性， 仍然较松散，保水性较差。磷石膏试样的含水率超过最优含水率后，在击实过程 中，发现有很多自由水渗出。磷石膏的垂直渗透系数为1 _ 3 1 0 。4e m s 左右，渗透 性较强，因此磷石膏的击实试验并没有出现“橡皮土”的阶段。从击实试验结果 可以看出水对磷石膏的击实有减少摩擦作用。 o 目 3 1 5 备1 4 8 蜊1 4 6 相1 4 4 h _ 1 4 2 1 51 71 92 12 32 5 含水率( ) o 8 8 o 8 7 0 8 6 o 8 5 0 8 4 图2 2 磷石膏击实试验 1 522 5 l g p 1 9 1 2 39 0 压实度磷石膏e - l g p 曲线 2 3 2 磷石膏固结压缩特性 从图2 3 至图2 5 ，可以得出磷石膏9 0 ，9 5 ，以及从击实筒中取样三种磷 石膏试样的压缩指数分别为：o 0 2 2 7 ，0 0 2 0 7 和0 0 0 9 9 。压缩系数不同于压缩系 河海大学硕士学位论文 数，前者在较高的压力范围内都是常数。从试验结果可以看出，在1 2 5 k p a 至 4 0 0 k p a 范围内c c 值基本不变。 根据试验资料发现，灵敏度较低的正常固结土的现场压缩指数c c 与液限l 之间的关系可表示为c c = o 0 0 9 ( c o l 1 0 ) 。从上式可以算出磷石膏的液限在1 l 到 1 3 左右。与磷石膏的最优含水率1 8 相比，上式算出的液限较小。这说明磷石 膏与水的相互关系与普通粘土不同。 0 7 8 o 7 7 o 7 6 o 7 5 0 7 4 o 7 3 9 7 9 11 522 53 l g p 图2 49 5 压实度磷石膏e - l g p 曲线 o 6 8 o0 6 7 o 6 6 2 3 3 磷石膏的剪切特性 6 8 9 3 l1 522 53 l g p 1 5 2 51 0 0 压实度磷石膏e - l g p l l i l 线 04 0 0 凸一 号3 0 0 辩： 敏0 01 0 0 2 0 0 3 0 0 剪切变形( o o h m ) 图2 6 磷石膏直剪试验曲线 1 2 第二章磷石膏基本性质研究 直剪试验所采用的磷石膏试样的压实度为9 0 。从图2 6 可以看出磷石膏直剪 试验曲线并没有明显的峰值，在达到最大值后剪切应力一直保持最大应力状态。 由此可以推断磷石膏抗剪强度主要有摩擦分量组成。从图2 7 可以得到磷石膏的 巾值为3 6 。磷石膏的试样是在最优含水率情况下，养护2 4 h 后制成的。磷石膏 粘聚性为3 2 5 k p a ，与一般粘土相比较小。但其内摩擦角较高，与密实细砂的内 摩擦角相当。 2 3 4 磷石膏的膨胀性 主4 0 0 v3 0 0 篝2 0 0 蓉1 0 0 o 0 6 9 3 6 0 6 9 3 2 o0 6 9 2 8 0 6 9 2 4 0 6 9 2 o2 0 04 0 06 0 0 垂直压力( k p a ) 图2 7 磷石膏c ，巾计算 o24 68 时间( 天) 图2 8 磷石青的膨胀性 在磷石膏做完固结压缩以后，在压缩盒内注满水，进行磷石膏的膨胀试验。 如图2 8 所示，加水后的两天，均发生 “膨胀”现象；第三天又发生固结压缩， 以后磷石膏的空隙比e 处于稳定状态。事实上磷石膏的“膨胀”来源于磷石膏固 结卸载后的回弹，并不是真正的膨胀。加水的第三天磷石膏空隙比e 又变小，这 主要是由于石膏具有可溶于水的特性造成的，即部分磷石膏溶于水中，磷石膏试 样体积变小的缘故。当所压力盒的水中石膏含量达到其溶解度，磷石膏不再溶于 水，那么磷石膏的体积就不再变化， 空隙比e 也不再减小。 河海人学顽i ：学位论文 2 4 本章小结 本章介绍了用电子显微镜扫描的方法分析宿迁公路局提供的磷石膏主要化 学成分。磷石膏中含有大量的c a s 0 4 2 h 2 0 ，其含量高达8 5 左右。同时磷石膏 中也含有其他一些金属矿物成分如f e ，a l ，m g 等的化合物。通过矿物分析发现 磷石膏中含有约2 5 左右的含磷成份。含磷成份对磷石膏的影响主要在两个方 面：首先含磷成分一般成酸性，这直接影响磷石膏整体的酸碱度，因此含磷成分 多少影响加入改善磷石膏酸碱性质的改良添加剂种类和比例；另一方面，磷石膏 中的含磷成份分布在石膏晶体的表面，使石膏晶体表面粗糙，磷石膏材料的强度 降低。 磷石膏材料与粘土相比有较强的溶解性，这主要是石膏c a s 0 4 2 h 2 0 的可溶 性造成的。这使得磷石膏材料在使用过程中产生很大的弊端。由于磷石膏的可溶 性，磷石膏的渗透系数较大，达n t 0 4c m s 的数量级。高溶解性和高渗透性，使 得磷石膏的使用遇到很多困难。 磷石膏的压缩系数为0 0 2 左右，与普通土相比压缩性较小，这也是磷石膏可 用于路基填料的一个较好的性质。磷石膏的整体剪切性质和细砂相似，内摩擦较 大为3 6 。左右；粘聚分量较小为3 0 k p a 左右。 磷石膏的压缩性和剪切性质在遇到水以后会发生较大的变化。在雨季，与磷 石膏接触的水是流动性雨水，磷石膏会逐渐溶于水中，并被带走。所以磷石膏直 接作为路基填料有一定的局限性，需要进行改性才能改善性质并有可能作为路基 填料。 1 4 第三章石灰改性磷石膏工程性质研究 第三章石灰改性磷石膏工程性质试验研究 3 1 试验目的与内容 磷石膏直接作为路基填料使用存在很多不足之处，如较强的溶解性和渗透 性。另外，磷石膏中还存在很多有机物，重金属等杂质，会影响道路附近的生态 环境。在工程中，石灰常用于改善各种不良土的性质，而且石灰是碱性物质，磷 石膏是酸性混合物质。在磷石膏中加入石灰就可以改善其物理化学性质，从而影 响其工程性质。本章通过对添加不同石灰配比磷石膏的室内土工试验，研究石灰 对磷石膏最大干密度，压缩膨胀特性以及强度的影响。本章试验材料编号和试验 内容如表3 1 和表3 2 所示。 表3 1 石灰改性磷石膏试验材料编号 材料编号 石灰含量( 煳磷石膏含量( 9 句 a l2 59 7 5 a 259 5 a 31 09 0 a 41 5 8 5 表3 2 石灰政性磷石膏试验内容表 材料编号市实试验压缩试验剪切试验膨胀试验 无侧限强度试验 a 1 a 2 a 3 a 4 注：“4 ”代表进行的试验内弈 3 2 试样制备 生石灰首先水化后加入磷石膏，均匀拌和，然后放置2 4 小时。制成石灰与 磷石膏质量比分别为5 ，1 0 ，和1 5 的混合料。分别进行击实试验，压缩试 验，和直接剪切试验，研究石灰对磷石膏力学性能的影响。 3 3 石灰改性磷石膏的击实特性 3 3 1 两种击实试样分析 f+ 2 4 h 后击实 - 21 5 5 憾1 5 翟l 4 5 1 4 1 5 1 71 92 l2 3 含水率( ) 图3 1 含2 5 石灰磷石膏击实 击实 河海大学硕士学位论文 击实试验分为两组进行。一组放置2 4 小时后直接进行击实试验；一组自然 风干，然后再加水放置2 4 小时进行击实试验。 目 - 21 6 7 1 5 型1 4 稍h - 1 3 1 2 + 2 4 h 后击实 击实 1 51 7 1 92 l2 32 5 含水率( ) 图3 2 含5 石灰磷石膏击实 暑1 5 5 、1 5 。1 4 5 世1 4 御1 3 5 h _ 1 3 1 2 5 1 5 趟l 4 5 率1 4 h - 1 3 5 + 2 4 h 后击实 后击实 1 51 71 92 12 32 52 7 含水率( ) 图3 3 含1 0 石灰磷石膏击实 + 2 4 h 后击实 1 51 71 92 12 32 5 含水率( ) 后击实 图3 4 吉1 5 石灰磷石臂击实 从图3 1 至图3 4 可以看出加石灰后，自然风干后的磷石膏的击实性能明显 优于2 4 h 后击实试样。在最优含水量方面，风干后的各个配比试样平均要小于 2 4 h 后击实试样1 左右。同种配比的试样，风干后试样的最大干密度也有明显 的增加。加入石灰磷石膏风干前后击实曲线的对比表明，石灰对磷石膏的击实性 能产生了一定的影响。生石灰水解后的主要化学成分为含有一定结晶水的 c a ( o n h ，是一种碱性物质。加入磷石膏后，c a ( o h h 可以和其中的酸性物质产 1 6 第三章石扶改性磷石青工程性质研究 生化学反应，调节磷石膏整体的酸碱度。另一方面，c a ( o h h 是一种活性很强的 物质可以和磷石膏中的部分物质产生其他反应。 石灰可以和磷石膏中的 j 2 0 3 ，s i 0 2 及c a s 0 4 2 h 2 0 发生少量的火山灰反 应，反应的定性描述为 x c a ( o h ) 2 +