一种改性磷石膏公路路基填料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种改性磷石膏公路路基填料及制备方法，所述方法包括如下步骤：将磷石膏陈化5d以上，得到物料A；将物料A在160-200℃下煅烧1.5-2.5小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照91％～93％:7％～9％的重量百分配比混合均匀，得到物料C；向所述物料C中添加占物料C总质量12-16％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料。本发明根据煅烧磷石膏的化学特性，将磷石膏在受控温度和时间下进行煅烧作为改性剂，提高磷石膏体内的胶凝性，增加其内部结构的稳定性和抗水性，获得满足公路工程要求的路基填料，有效解决现有磷石膏受当地掺加材料的限制以及磷石膏使用消耗量低的问题。

说明书

技术领域

本发明属于道路路基材料制备领域，更具体地，涉及一种改性磷石膏 公路路基填料及其制备方法。

背景技术

当前对工业废料磷石膏的应用，主要有以下几种：制备作为建筑材料 的石膏、制备硫酸联产水泥、生产低碱型硫铝酸盐水泥、用作碱性土壤的 改良剂、用来生产硫酸钾以及活性硅酸钙等。

磷石膏应用于公路建设，既是解决环境污染问题的有效途径，又能降 低缺土地区的公路投资，关于磷石膏作为公路的制备材料已有许多专利， 如申请公布号CN103771820A，申请公布日2014年5月7日的专利文献公开 了一种新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料，该材料原料按重量百分配比组 成为：新鲜半水磷石膏20～85％、生石灰3～10％、红色粉煤灰或褐色粉 煤灰10～75％；申请公布号CN102491721A，申请公布日2012年6月13日 的专利文献公开了一种磷石膏公路基层材料及其制备方法，它是用下述重 量配比的原料制成的：磷石膏40～80份，二乙胺基丙胺0.5～5份，聚羧 酸减水剂0.1～0.5份，砂石10～40份，水淬炉渣5～40份，制备方法为： 将磷石膏脱水、破碎；将磷石膏、砂石、水淬渣混合均匀，得物料A；将聚 羧酸减水剂与物料A混合均匀，得物料B；将二乙胺基丙胺加入物料B中混 合均匀，得物料C；向物料C中加水，搅拌均匀得到成品；授权公告号 CN102815915B，授权公告日2014年5月7日的专利文献公开了一种公路用 改性磷石膏稳定层材料及其制备方法，其成分主要组成比例为：磷石膏 30％～50％、改性剂10％～30％、砂石30％～60％、水5％～50％。

然而，上述道路路基材料的制备方法存在以下问题：一方面，路基工 程受其厚度的限制，不利于大量使用消耗磷石膏；另一方面，制备时都需 要掺加除磷石膏以外的其它材料，如生石灰、粉煤灰、二乙胺基丙胺、砂 石、水淬炉渣等，添加其它特殊掺加材料，限制了缺少该掺加材料地区的 磷石膏的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种改性磷石膏 公路路基填料及其制备方法，其中结合磷石膏自身的特点，将磷石膏在受 控温度和时间下进行煅烧作为改性剂，以对磷石膏进行改性稳定处理，得 到改性磷石膏，从而满足公路工程路基填料的要求，相应的可有效解决现 有磷石膏受当地掺加材料的限制以及磷石膏使用消耗量低的问题，此外， 本发明还对煅烧工艺如煅烧温度、煅烧时间以及煅烧磷石膏与陈化磷石膏 的配比、水的添加量等工艺参数进行了研究和设计，相应的可获得高稳定 性、高抗水性及耐久性的路基填料。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种改性磷石膏公 路路基填料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将磷石膏陈化5d以上得到物料A；

(2)选取步骤(1)中所得到的物料A的一部分，并将其在160-200℃ 下煅烧1.5-2.5小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；

(3)将所述物料A和自然冷却后的物料B按照91％～93％：7％～9％的重 量百分比混合均匀，得到物料C；

(4)向通过步骤(3)得到的所述物料C中添加占所述物料C总重量 的12-16％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料。

进一步优选地，对于步骤(2)而言，煅烧温度进一步优选为170-190℃， 煅烧时间进一步优选为1.8-2.0小时。

进一步优选地，对于步骤(3)而言，所述物料A与物料B的配比进一 步优选为92％：8％。

进一步优选地，对于步骤(4)而言，水的添加量进一步优选为占所述 物料C总重量的14.5％。

按照本发明的另一个方面，提出了一种采用改性磷石膏公路路基填料 制备路基的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将磷石膏陈化5d以上得到物料A；

(2)选取步骤(1)中所得到的物料A的一部分，并将其在160-200℃ 下煅烧1.5-2.5小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；

(3)将所述物料A和自然冷却后的物料B按照91％～93％：7％～9％的重 量百分比混合均匀，得到物料C；

(4)向通过步骤(3)得到的所述物料C中添加占所述物料C总重量 的12-16％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料；

(5)将通过步骤(4)获得的所述改性磷石膏公路路基填料进行摊铺， 采用压路机对所述改性磷石膏公路路基填料进行压实，直至其压实度≥96％ 后自然养生，以此方式，获得高稳定性及高抗水性的路基。

按照本发明的另一个方面，提出了一种改性磷石膏公路路基填料，其 特征在于，该路基填料由物料A、物料B以及水共同混合而成，其中物料A 为陈化5d以上的磷石膏，物料B为将陈化5d以上的磷石膏在160-200℃下 煅烧1.5-2.5小时而得到的煅烧磷石膏，并且物料A与物料B之间按照重 量比为91％～93％：7％～9％进行配置，所述水则占物料A和物料B总重量的 12-16％。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要 具备以下的技术优点：

1.本发明为了达到大量使用磷石膏的目标，在常规改良效果不明显的 情况下，根据煅烧磷石膏的化学特性，将煅烧磷石膏作为改良磷石膏的激 发剂，在一定压实条件下，提高了磷石膏废料的强度、水稳性，其膨胀率 小于公路工程弱膨胀土指标，改性得到的磷石膏满足公路工程路基填料要 求，可实现大范围推广应用。

2.尤其是，本发明中通过对路基填料制备的关键条件，如磷石膏的煅 烧温度、煅烧时间、陈化磷石膏与煅烧磷石膏的配比以及水含量进行了研 究与设计，获得最合适的参数值，研究表明，当煅烧温度为160-200℃、煅 烧时间为1.5-2.5小时时，生成的半水磷石膏能够提高磷石膏的物理性能， 可进一步提高磷石膏路基填料整体的水稳性、耐久性；陈化磷石膏与煅烧 磷石膏的配比为91％～93％：7％～9％时，使得路基具有最佳的耐久性；水含 量为物料A和物料B总重量的12-16％时，使得煅烧后获得的半水磷石膏与 陈化磷石膏水化之后，石膏晶粒之间能相互紧密连接，进一步提高路基的 稳定性。

3.按照本发明的煅烧磷石膏改性磷石膏作为路基填料，原材料除磷石 膏外，不需添加其他材料，克服了现有磷石膏用于公路工程中受当地外掺 材料限制的缺陷，同时，由于路基填料的材料用量大于基层材料，因此， 该法可大量消耗磷石膏废料，解决磷石膏废料堆场、使用消耗量不大的问 题。

附图说明

图1是100％纯磷石膏试块的SEM电镜扫描图；

图2是7％煅烧磷石膏+93％磷石膏试块的SEM电镜扫描图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

煅烧磷石膏主要成分是半水石膏，具有很好的胶凝性，它与磷石膏混 合遇水后，半水石膏部分变为二水石膏，由于二水石膏晶体的溶解度小于 半水石膏的溶解度，导致部分二水石膏在浆体中以晶体析出，随着半水石 膏的溶解和二水石膏的不断析出，煅烧磷石膏+磷石膏中的水分不断减少， 混合料石膏体的流动性减弱，最后固化为有一定强度的硬化体，以此可以 提高磷石膏的水稳性、耐久性，因此，通过煅烧磷石膏将其基本组分二水 石膏变为半水石膏，也即其凝胶特性变强，使其具有更好的抗折和抗压强 度。二水石膏的化学反应式为：

二水石膏在108℃开始脱去结晶水，在159℃左右有一个快速吸热过程， 这是二水石膏失去1.5H₂O的过程，然后形成一个较短相对稳定的过程，同 时有利于半水石膏的形成，在172-178℃之间有一个次一级的系热峰，这是 半水石膏向可溶性无水石膏转变的过程，在260℃以后无水石膏趋于稳定， 经过本发明的研究发现当煅烧磷石膏的煅烧温度控制在160-200℃之间，更 有利于半水石膏的生成。对于煅烧时间的选择，当煅烧时间较短时二水石 膏没有得到充分的转化，当煅烧时间超过2.5h时，有部分二水石膏转化为 硬石膏，降低了煅烧磷石膏的强度，综合考虑上述因素，煅烧时间选择 1.5-2.5小时最宜。图1为100％纯磷石膏试块的SEM电镜扫描图，从图中 可以看出，磷石膏中的二水石膏晶体粗大,多呈板状、菱状，试块没有浸泡 水，其晶粒呈絮状、片状的水化物交织在一起，但不够密实紧密。图2为 7％煅烧磷石膏+93％磷石膏经过3天养护(20±2℃，湿度98％)浸泡烘干后 试块的SEM电镜扫描图，从图中可以看出，由于磷石膏是轻质材料同时保 留着较高的力学强度，煅烧后的半水磷石膏与磷石膏水化后，石膏晶粒之 间相互连接，石膏晶粒内的连接主要是棒状或块状连接，并且晶体之间紧 密连接。

下面为本发明的优选实施例：

实施例1：

一种改性磷石膏公路路基填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将磷石膏陈化5d以上得到物料A；

(2)选取步骤(1)中所得到的物料A的一部分，并将其在160℃下煅 烧2.5小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；

(3)将所述物料A和物料B按照91％：9％的重量百分比混合均匀，得 到物料C；

(4)向通过步骤(3)得到的所述物料C中添加占所述物料C总重量 的16％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料。

实施例2：

一种改性磷石膏公路路基填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将磷石膏陈化5d以上得到物料A；

(2)选取步骤(1)中所得到的物料A的一部分，并将其在200℃下煅 烧1.5小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；

(3)将所述物料A和物料B按照93％：7％的重量百分比混合均匀，得 到物料C；

(4)向通过步骤(3)得到的所述物料C中添加占所述物料C总重量 的12％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料。

实施例3：

一种改性磷石膏公路路基填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将磷石膏陈化5d以上得到物料A；

(2)选取步骤(1)中所得到的物料A的一部分，并将其在170℃下煅 烧2小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；

(3)将所述物料A和物料B按照92％：8％的重量百分比混合均匀，得 到物料C；

(4)向通过步骤(3)得到的所述物料C中添加占所述物料C总重量 的13％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料。

实施例4：

一种改性磷石膏公路路基填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将磷石膏陈化5d以上得到物料A；

(2)选取步骤(1)中所得到的物料A的一部分，并将其在190℃下煅 烧1.8小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；

(3)将所述物料A和物料B按照91％：9％的重量百分比混合均匀，得 到物料C；

(4)向通过步骤(3)得到的所述物料C中添加占所述物料C总重量 的14.5％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料。

实施例5：

一种采用改性磷石膏公路路基填料制备路基的方法，包括如下步骤：

(1)将磷石膏陈化5d以上得到物料A；

(2)选取步骤(1)中所得到的物料A的一部分，并将其在200℃下煅 烧1.5小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；

(3)将所述物料A和物料B按照91％：9％的重量百分比混合均匀，得 到物料C；

(4)向通过步骤(3)得到的所述物料C中添加占所述物料C总重量 的16％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料；

(5)将通过步骤(4)获得的所述改性磷石膏公路路基填料进行摊铺， 采用压路机对所述改性磷石膏公路路基填料进行压实，直至其压实度≥96％ 后自然养生(保水)，以此方式，获得高稳定性及高抗水性的路基。

实施例6：

一种采用改性磷石膏公路路基填料制备路基的方法，其特征在于，包 括如下步骤：

(1)将磷石膏陈化5d以上得到物料A；

(2)选取步骤(1)中所得到的物料A的一部分，并将其在160℃下煅 烧2.5小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；

(3)将所述物料A和物料B按照93％：7％的重量百分比混合均匀，得 到物料C；

(4)向通过步骤(3)得到的所述物料C中添加占所述物料C总重量 的12％的水，搅拌均匀后获得改性磷石膏公路路基填料；

(5)将通过步骤(4)获得的所述改性磷石膏公路路基填料进行摊铺， 采用压路机对所述改性磷石膏公路路基填料进行压实，直至其压实度≥96％ 后自然养生，以此方式，获得高稳定性及高抗水性的路基。

本发明将改性磷石膏路基填料运用于路基路面进行试验研究，来验证 此路基填料是否满足要求，包括CBR试验、无侧限抗压强度试验、水稳定 性试验、干湿循环试验以及无荷载膨胀率试验。

本发明采取CBR试验，以得到不同配合比条件下的混合料的CBR值， 参照《公路土工试验规程(JTJE40-2007)》进行，按照最佳含水率和最大 干密度压法制备实施例5和6中的试样进行试验，结果表明，磷石膏的膨 胀量很小，强度满足路基填料CBR≥8％的要求，而通过同样的方法对纯磷 石膏水稳定性进行试验，发现纯磷石膏水稳定性差不能满足公路工程路基 填料的使用要求，因此，利用煅烧磷石膏作为胶凝材料以对磷石膏进行改 性获得改性磷石膏，更能满足公路工程路基填料的使用要求。

选取7％煅烧磷石膏、9％煅烧磷石膏以得到不同配合比下的无侧限抗 压强度，试验结果如表1所示：

表1 煅烧磷石膏无侧限抗压强度试验结果

根据上述试验结果可以看出，磷石膏中加7-9％煅烧磷石膏对提高磷石 膏的7d无侧限抗压强度很明显，且都达到路基填料的强度要求，煅烧磷石 膏在磷石膏强度形成过程中起到很好的胶凝作用，其抗水性能也得到提高。

本发明采用水稳定性试验，以进一步验证煅烧磷石膏改性磷石膏的稳 定性。水稳性好的路基材料，浸水后强度损失小，在不同的天气和季节条 件下路用性能稳定。由于磷石膏是一种亲水性物质，大量使用磷石膏作为 路基材料其稳定性，能否满足要求是一个需要验证的问题。本发明根据试 件不同的条件7d养生后测得强度与7d标准养护的无侧限抗压强度的比值， 水稳系数作为评价煅烧磷石膏改性磷石膏水稳性能的指标之一，试验结果 如表2、3所示。

表2 7％煅烧磷石膏水稳试验结果

表3 9％煅烧磷石膏水稳试验结果

根据上述试验结果可以看出：煅烧磷石膏改性磷石膏的水稳定系数较 好，水稳定系数k≥0.87；随着浸水天数的增加煅烧磷石膏混合料的抗压强 度逐渐下降，但是其强度损失率控制在10％以内，且其强度满足基层无侧 限抗压强度≥1Mpa的要求；9％煅烧磷石膏改性比7％煅烧磷石膏改性表现 出更好的水稳定性能，但差别并不明显。由此说明适量的煅烧磷石膏在对 提高磷石膏体内的胶凝性，增加其内部结构的稳定性和抗水性能有很大的 促进作用，是一种很好的激发剂。

干湿循环能力是指其由于自然环境中水分变化而产生抵抗破坏的能力， 是煅烧磷石膏改性磷石膏混合试件的重要力学指标之一。本发明采取干湿 循环试验，以得到不同配比混合料在不同情况下的无侧限抗压强度，试验 结果如表4、5所示。

表4 7％煅烧磷石膏干湿循环试验

表5 9％煅烧磷石膏干湿循环试验

通过上述试验数据可以看出：在1次干湿循环条件下，强度有所增加； 2次干湿循环条件下，强度有较大幅度的减小；3次干湿循环条件下，强度 在2次循环的基础上有所增加；干湿循环条件下，煅烧磷石膏改性磷石膏 与标准养生条件下无侧限抗压强度相比有部分的减小，但是减小的幅度较 小(≤16.1％)，且随着时间的推移，减小的幅度会更小。

本发明对改性磷石膏路基填料做无荷载膨胀率试验，以得到不同配合 比混合料的胀缩率，本试验参照《公路土工试验规程》(JTJE51-2009)执 行，试验结果如表5所示。

表5 无荷载膨胀率试验结果

通过上述试验数据可以看出：煅烧磷石膏改性磷石膏的自由膨胀率不 大(≤13.9)；随着煅烧磷石膏用量的增加呈递减趋势；根据路基填料用 土膨胀性工程特性分类，可知磷石膏改性磷石膏不属于膨胀性材料，因此 其可用作路基填料。

本发明根据煅烧磷石膏的化学特性，将磷石膏在受控温度和时间下进 行煅烧作为改性剂，获得满足公路工程要求的路基填料，总体认为，本发 明的改性磷石膏公路路基填料的试验室试验结果可满足公路工程路基的规 范性能要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。