何俊輝

摘要 水泥和石灰作為傳統(tǒng)道路建筑材料在生產(chǎn)和使用中具有高能耗和高耗能的特點(diǎn)，不宜應(yīng)用于為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)構(gòu)建的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。由于道路工程對(duì)原材料的需求仍然很高，現(xiàn)代施工工藝已能將磷石膏作為水泥和石灰的替代料，以解決道路建設(shè)中傳統(tǒng)材料成本過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)也能擴(kuò)大其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用規(guī)模。文章介紹了磷石膏的基本特征，及磷石膏作為土壤調(diào)理劑對(duì)膨脹土、粉質(zhì)土、軟土、紅黏土和黃土進(jìn)行加固，應(yīng)用于路基工程的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞 磷石膏；土壤調(diào)理劑；路基工程

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）14-0099-03

0 引言

中國(guó)國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目前處于多元化發(fā)展階段，水泥和石灰具有優(yōu)異的凝固效果，作為傳統(tǒng)的土壤路基穩(wěn)定劑，廣泛應(yīng)用于道路工程中[1]。然而，水泥和石灰石的生產(chǎn)需要消耗大量天然原材料，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排放大量有害物質(zhì)，如二氧化碳、三氧化硫和氮氧化物[2]。隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大，許多礦山已被禁止開采，造成了水泥和石灰等原材料價(jià)格大幅上漲，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本攀升。為降低道路建設(shè)成本和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，需要探索利用工業(yè)廢棄物替代水泥和石灰作為土壤路基穩(wěn)定劑的施工工藝。將工業(yè)副產(chǎn)物磷石膏作為土壤改良劑，用于土壤加固和地面改善等具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，符合可持續(xù)發(fā)展理念，已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 磷石膏的基本特征

磷石膏呈灰白、灰黃、淺綠等粉狀，是工業(yè)濕法生產(chǎn)磷酸和磷酸鹽的副產(chǎn)物。磷石膏的化學(xué)成分與天然石膏相似，主要為二水硫酸鈣，只是磷石膏中還含有一些雜質(zhì)如氟化物和磷化物等，在從半水石膏轉(zhuǎn)化為二水石膏的過(guò)程中，通過(guò)初始期、誘導(dǎo)期、加速期和減速期，半水石膏溶解，二水石膏晶體持續(xù)長(zhǎng)大，最終出現(xiàn)石膏結(jié)塊硬化現(xiàn)象。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球磷石膏年產(chǎn)量逐年上升，中國(guó)磷石膏產(chǎn)量每年超過(guò)5.0×107 t，具有以堆積存放為主和利用率低的特點(diǎn)[3]。全球磷石膏的利用率很低，大部分副產(chǎn)品磷石膏基本都放在堆場(chǎng)或者直接丟棄，副產(chǎn)品磷石膏直接廢棄，不僅造成資源浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染。為了提供一種可持續(xù)的廢石膏再利用方法，人們進(jìn)行了許多研究，探索副產(chǎn)物石膏在多項(xiàng)工程中的回收利用。石膏在第一次世界大戰(zhàn)的后期被德國(guó)萊維爾庫(kù)申的拜耳工廠為原材料首次成功生產(chǎn)硫酸和水泥，之后工業(yè)副產(chǎn)物磷石膏也被用于替代石膏原料生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品[4]。1980年，美國(guó)學(xué)者第一次利用磷石膏改善黏土，應(yīng)用于道路工程研究中。分析結(jié)果表明磷石膏與土壤混合后具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。但是大量的磷石膏表現(xiàn)出對(duì)土壤的抗壓和抗水效果較差，在路基中過(guò)量使用磷石膏會(huì)導(dǎo)致路面膨脹而形成裂縫，因此需要開發(fā)多樣化的磷石膏利用工藝以滿足道路施工需求。

使用工業(yè)廢料作為路基的潛在穩(wěn)定劑具有成本效益。磷石膏是湖北、云南、貴州、四川和安徽五省大量產(chǎn)生的工業(yè)廢物，在我國(guó)很容易獲得?，F(xiàn)已探索使用大量磷石膏廢料作為潛在各種土壤路基改良劑，開發(fā)了一系列由不同比例磷石膏、石灰、粉煤灰和堿性氧氣爐渣等混合而成的復(fù)合材料作為改良劑，但由于未經(jīng)處理的磷石膏存在氟、磷、有機(jī)質(zhì)和放射性核元素等成分，使用未經(jīng)處理的磷石膏作為改良劑，將會(huì)最終影響路基的巖土性能和微觀結(jié)構(gòu)。用處理后的磷石膏、粉煤灰和堿性氧氣爐渣等作為土壤穩(wěn)定劑，其在與土壤結(jié)合過(guò)程中主要是與各種硅酸鈣、硅酸鎂、硅酸鈣水合物和鋁酸鈣水合物的形成有關(guān)，使土壤的壓實(shí)特性、一致性、強(qiáng)度、變形性、壓縮性、剪切特性、膨脹特性和耐久性得到改善，穩(wěn)定后的土壤滿足道路路基的規(guī)范。使用工業(yè)副產(chǎn)物磷石膏作為土壤改良劑，不僅可以改善土壤的工程性能，還能提供應(yīng)對(duì)磷石膏處置和環(huán)境污染的解決方案。

2 磷石膏作為不同種類土壤調(diào)理劑

長(zhǎng)期大量堆放的磷石膏不僅占用寶貴的土地資源，還會(huì)對(duì)土地、地下水、河流、大氣等造成大量污染，最終危害人類健康，因此提高磷石膏的綜合利用迫在眉睫。隨著綜合利用工藝的發(fā)展，利用現(xiàn)有的工藝設(shè)備作為支撐，已有大量的研究和應(yīng)用將磷石膏作為路基土壤改良劑，使改良后的土壤達(dá)到工程要求。磷石膏對(duì)不同土質(zhì)的增強(qiáng)效果差異很大，在施工時(shí)應(yīng)注意磷石膏施工技術(shù)對(duì)土層的適用性，采用正確的加固土強(qiáng)度試驗(yàn)方法才能對(duì)磷石膏調(diào)理效果進(jìn)行正確評(píng)價(jià)。接下來(lái)介紹磷石膏作為土壤調(diào)理劑對(duì)膨脹土、粉質(zhì)土、軟土、紅黏土和黃土進(jìn)行加固，及在路基工程中的應(yīng)用。

2.1 磷石膏作為膨脹土土壤調(diào)理劑

膨脹土親水性很強(qiáng)且對(duì)環(huán)境濕熱變化非常敏感，其遇水膨脹和失水收縮，因此膨脹土具有黏土礦物收縮膨脹的特性。如果在道路工程中處理不當(dāng)，將對(duì)道路造成巨大的破壞，因而其在自然形態(tài)下直接應(yīng)用于道路工程，將存在一定的問(wèn)題[5]。為保證膨脹土路基具有足夠的剛度，可以使用許多材料和技術(shù)來(lái)穩(wěn)定土壤，使膨脹土更適用于道路施工，具體的方法為在膨脹土路基頂部鋪設(shè)一定層厚的非膨脹性填料，從而滿足路面對(duì)路基的剛度要求。目前已開發(fā)了將磷石膏作為膨脹土穩(wěn)定的添加劑和技術(shù)，系統(tǒng)探討了它們?cè)诟纳婆蛎浲凉こ绦阅芊矫娴男?，研究了磷石膏與膨脹土微觀結(jié)構(gòu)、相互作用和化學(xué)過(guò)程。

馮巧云[6]研究了在膨脹土中加入適量的磷石膏和電石渣可以有效地增加膨脹土的加州承載比，達(dá)到改善膨脹土力學(xué)性能的目的，使路基膨脹土具有足夠的剛度。在磷石膏和電石渣同時(shí)加入膨脹土?xí)r，可對(duì)膨脹土進(jìn)行復(fù)合改良。磷石膏和電石渣的初期水解和水化反應(yīng)會(huì)有部分硅酸鈣和鈣礬石生成，后期水分子蒸發(fā)出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，并伴隨出現(xiàn)棒狀晶體，黏土顆粒間生成新的黏結(jié)力，晶體與土顆粒相互楔入，達(dá)到提高膨脹土抵抗承載變形能力的目的。

2.2 磷石膏作為粉質(zhì)土土壤調(diào)理劑

粉質(zhì)土粒組中因含有較多的粉粒而呈現(xiàn)出干燥時(shí)極易散落、潮濕時(shí)略帶有黏性、不能搓成土條或土球等特點(diǎn)，并且表現(xiàn)為水穩(wěn)定性差和顆粒間摩擦力小，不是理想的路基填料[7]。在施工工程中粉質(zhì)土還具有強(qiáng)度低、級(jí)配差和荷載差等特點(diǎn)。粉質(zhì)土路基灑水后因地震液化性而出現(xiàn)水坑，給施工帶來(lái)諸多不便。目前已有將水泥等材料作為粉質(zhì)土路基改良劑，增加路基的強(qiáng)度和承載比，保證工程質(zhì)量。通過(guò)開發(fā)磷石膏等為土壤穩(wěn)定技術(shù)的調(diào)理劑，改善粉質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)，提高其承載能力，使粉質(zhì)土適用于路基工程，不僅能保證工程質(zhì)量，還可以降低工程造價(jià)。

Haoming Ren等[8]研究人員在施工現(xiàn)場(chǎng)用磷石膏作為粉質(zhì)土調(diào)理劑進(jìn)行研究，并且同時(shí)建立了含有固化劑但不含磷石膏的實(shí)驗(yàn)組。通過(guò)電子掃描顯微鏡等儀器觀察微觀結(jié)構(gòu)和定量分析，添加磷石膏可以顯著改善固化粉質(zhì)土的壓縮模量，7～14 d是最合適的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，在第14 d壓縮模量達(dá)到最大值，14 d之后壓縮模量為下降階段。通過(guò)添加磷石膏代替部分固化劑，可以降低工程成本，是土壤改良的發(fā)展方向之一。磷石膏穩(wěn)定土能夠形成良好的板體，通過(guò)設(shè)計(jì)滿足工程要求，成功使磷石膏變廢為寶。

2.3 磷石膏作為軟土土壤調(diào)理劑

軟土在我國(guó)分布廣泛，是我國(guó)最常見的土壤之一，主要位于沿海、沖積平原、洼地等地帶[9]。軟土中富含有機(jī)物并具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有較大的孔隙率、較高的含水率、壓縮性大和抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，因此在軟土層會(huì)對(duì)道路的修建產(chǎn)生影響，處理不當(dāng)會(huì)造成過(guò)量沉降或路基失穩(wěn)，需要對(duì)軟土層進(jìn)行處理才能保證道路工程的質(zhì)量[10]?，F(xiàn)已有研究將磷石膏用于加固軟土地基，此技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境效益，并且當(dāng)磷石膏和水泥等材料配合使用時(shí)，不但拓寬了技術(shù)適用的土質(zhì)范圍，而且可大幅度提高加固土的強(qiáng)度，具有更廣闊的實(shí)用性和適用性。

李玉壽[11]研究人員針對(duì)軟土路基常存在剝落、崩塌、滑坡、沉落和凍脹等病害，對(duì)含有有機(jī)質(zhì)含量較高和較低的軟土分別加入磷石膏、粉煤灰和同時(shí)加入磷石膏與粉煤灰。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)含量較高的軟土中磷石膏和粉煤灰復(fù)合加固效果最好，磷石膏作用強(qiáng)于粉煤灰；有機(jī)質(zhì)含量較低的軟土中磷石膏和粉煤灰復(fù)合加固效果最好，粉煤灰作用強(qiáng)于磷石膏。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較高的軟土路基，需要采用適當(dāng)比例的磷石膏、粉煤灰和水泥才能取得較好的加固作用，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 磷石膏作為紅黏土土壤調(diào)理劑

紅黏土在我國(guó)黃河以北地區(qū)分布廣泛，具有承載、抗壓和抗剪能力強(qiáng)的特性。紅黏土具有高天然含水量和高液限等物理性質(zhì)，因此用于路基時(shí)將造成高裂隙性、高收縮率和高水敏性等不良特征。紅黏土路基同時(shí)還具有壓實(shí)困難和干縮開裂嚴(yán)重的特點(diǎn)，在開挖與攤鋪過(guò)程中易黏附在車輛和壓路機(jī)上，這些都將影響紅黏土在公路工程中的應(yīng)用，必須采取一定的技術(shù)措施對(duì)紅黏土進(jìn)行處治后才能應(yīng)用于公路工程中，使其具有一定的強(qiáng)度和承載力，從而可以保證路基的穩(wěn)定性和使用質(zhì)量。有研究表明，紅黏土的液塑限和含水率隨著分布深度增大而增加，從而具有水敏性的特征，含水率較低容易出現(xiàn)開裂，含水率太高又容易泥化，為了使其在路基工程中得以應(yīng)用，須將紅黏土作為路基填料需要對(duì)其進(jìn)行改良[12]。有研究將磷石膏應(yīng)用于紅黏土調(diào)理劑，改良后的紅黏土具有較好的剛度、水穩(wěn)定性、強(qiáng)度和路用性能，此技術(shù)不僅可以改善紅黏土不宜作為路基材料的工程性質(zhì)，還能解決磷石膏堆放帶來(lái)的土地占地和環(huán)境污染等問(wèn)題。

陳開圣等[13]研究人員針對(duì)在紅黏土中加入磷石膏等材料后的穩(wěn)定料作為路基填料理論上可行，系統(tǒng)研究了混合料基本性能、抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)性、動(dòng)力特性、承載能力和微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混合料強(qiáng)度隨磷石膏含量增加先增大后減小，混合料水穩(wěn)性隨磷石膏含量增加而增大，加入適量外加劑比如水泥等能與混合料發(fā)生反應(yīng)，在其表面形成板面，將降低混合路基填料的滲水性和增加其水穩(wěn)定性。楊德忠等[14]研究人員針對(duì)磷石膏資源浪費(fèi)和紅黏土工程特性問(wèn)題，建議磷石膏和紅黏土使用比例為1∶1，水泥用量和水玻璃摻量分別為4%和2%，此方案同時(shí)滿足減少水泥用量和增加磷石膏摻量的目的，并且能夠達(dá)到路基對(duì)水穩(wěn)定性和強(qiáng)度的要求。

2.5 磷石膏作為黃土土壤調(diào)理劑

我國(guó)幅員遼闊，地理和氣候差異大，黃土主要分布在干旱、半干旱地區(qū)。黃土是一種以粉粒為主、多孔隙、天然含水量小的黏質(zhì)土，具有濕陷性、滲透性、易崩解等特性。由于黃土具有上述特性，在各種自然因素，尤其在雨水侵蝕作用下，會(huì)導(dǎo)致公路產(chǎn)生各種嚴(yán)重病害，并且濕陷性黃土在自然環(huán)境作用下對(duì)公路的危害更為嚴(yán)重。我國(guó)黃土的組成成分、沉積厚度、力學(xué)性質(zhì)等存在地域差異，因黃土具有濕陷性，如果黃土濕陷下沉量和下沉速度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致路基沉降，因此需要對(duì)路基中原有的黃土進(jìn)行改良[15]。可以通過(guò)使用處理后的磷石膏加石灰的方案改善土壤的力學(xué)性能，提高土壤的強(qiáng)度，采用去除原有土層，然后回填的方案應(yīng)用于具體路基工程中。已有研究用磷石膏改良綜合處治濕陷性黃土路基水穩(wěn)定性和抗凍穩(wěn)定性兩方面的路用性能，確保改良后的黃土在滿足強(qiáng)度和抗壓回彈模量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上具有良好的路用性能。

趙蒙等[16]研究人員針對(duì)黃土具有強(qiáng)親水性、顆粒級(jí)配不同層位差異明顯等特性，對(duì)改良的黃土進(jìn)行了較為全面和系統(tǒng)的研究。在黃土中摻入磷石膏和水泥等摻加料，系統(tǒng)研究了改良黃土的抗?jié)B性、抗凍性、微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特性。實(shí)驗(yàn)表明磷石膏和水泥共同改良黃土的效果較好，能提高黃土的抗?jié)B性、抗壓性、抗凍性等特性，磷石膏能使水泥水化產(chǎn)物鈣礬石大量增加，改良黃土網(wǎng)狀骨架，從而提高土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度。結(jié)果表明此項(xiàng)治理技術(shù)對(duì)治理病害路基沉降效果明顯，可以解決磷石膏堆積污染問(wèn)題，同時(shí)在保證工程質(zhì)量的前提下促進(jìn)磷石膏的綜合利用，不但可以降低工程成本，還可以取得可觀的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

路基作為道路的生命，發(fā)揮著非常重要的作用。我國(guó)疆域遼闊，各地情況不盡相同，存在著多種土壤種類，需要對(duì)這些土壤進(jìn)行固化才能滿足路基施工要求。我國(guó)磷石膏的儲(chǔ)存量很大，發(fā)展磷石膏資源化利用工藝，是減少環(huán)境污染、解決企業(yè)困擾和實(shí)現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然之路。將磷石膏用于穩(wěn)定不同路基土壤結(jié)構(gòu)，滿足施工要求，顯著降低磷石膏的存放量?？傊?，磷石膏是路基工程建設(shè)中值得廣泛普及的二次資源，其通過(guò)適當(dāng)處理后可以成為一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的道路施工材料，經(jīng)過(guò)合理的配合比應(yīng)用可以確保道路的暢通性、安全性和使用壽命。

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