摘 要：磷石膏作為固廢材料存在嚴(yán)重的堆積問題，雖然將其應(yīng)用于路面基層能有效提高利用率，但在這方面的應(yīng)用仍不夠廣泛?；诖?，制備了一種由煅燒磷石膏、水泥、石灰和磷石膏組成的無機(jī)結(jié)合料，用作路面基層材料。為了驗證其用于路面基層的可行性，進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗，包括無側(cè)限抗壓試驗、水穩(wěn)試驗、干縮試驗、干濕循環(huán)試驗和凍融循環(huán)試驗，通過X射線衍射儀（X-ray diffractometer， XRD）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）進(jìn)行微觀分析，研究物質(zhì)間相互作用的反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明：結(jié)合料中煅燒磷石膏、水泥、石灰、磷石膏的最優(yōu)質(zhì)量配合比為10∶7∶2∶81。此配合比能較大程度地利用磷石膏，且抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)性得到了較大的提升，干縮應(yīng)變降低明顯，具有較好的耐久性能；符合規(guī)范要求，為路面基層施工提供了一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的方案。

關(guān)鍵詞：磷石膏；路面基層材料；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；路用性能；微觀特性

中圖分類號：U416.21 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.04.005

0 引言

磷石膏是化工廠在采用濕法磷酸工藝制備磷酸時生成的副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1 t的磷酸都會有約5倍的磷石膏生成[1]。研究表明，現(xiàn)如今磷石膏在全球各地的堆存量已高達(dá)60億噸，年產(chǎn)量約2億噸。我國是全球最大的磷石膏產(chǎn)出國，堆存量已經(jīng)達(dá)到8億噸，但綜合利用率僅為40%左右[2]。磷石膏的成分90%以上都是二水硫酸鈣（CaSO4?2H2O），并含有少量的五氧化二磷（P2O5）、磷酸、氟化物、放射性元素等雜質(zhì)[3]。這導(dǎo)致磷石膏不能直接投入使用，目前最常見的解決辦法是開放式的堆積，這樣的處理方式不僅浪費了大量的土地資源，而且磷石膏里的有害物質(zhì)會嚴(yán)重污染空氣、地下水和土壤，時刻威脅著人們的健康和生態(tài)環(huán)境[4]。因此提高磷石膏的利用率，減少其堆積量是目前急需解決的問題。在我國，磷石膏的主要利用途徑包括制備水泥緩凝劑、制造石膏板材和石膏砌塊、改良土壤、用作筑路充填材料等。其中將磷石膏用于路面基層既能夠大量消耗磷石膏，提高其利用率，又能降低道路建造成本，但目前僅占每年消納量的14%[5]。

為了將磷石膏用于筑路和充填材料，得到更廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外的許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Shen等[6]研究發(fā)現(xiàn)磷石膏與石灰粉煤灰的結(jié)合料穩(wěn)定土在抗壓強(qiáng)度上要優(yōu)于水泥或石灰穩(wěn)定土。但磷石膏占比不大，未能實現(xiàn)對大量磷石膏的有效消耗。克高果等[7]用煅燒磷石膏改性磷石膏，并測試其性能，通過試驗路段證明其可以應(yīng)用于實際工程，但強(qiáng)度略低，因此其推廣應(yīng)用受到一定的限制。孟維正等[8]在磷石膏中按不同配合比添加液黏劑、水泥、石灰、半水石膏，并通過離心機(jī)模擬沉降情況。李志清等[9]在水泥穩(wěn)定磷石膏混合料中引入硅酸鈉，并進(jìn)行了各類路用性能研究和微觀分析。盡管這種方法能夠提高性能，但也伴隨著造價的增加。Amrani等[10]通過試驗研究得到磷石膏、鈣質(zhì)材料、黏土和黏結(jié)劑混合料的最佳配合比，并且力學(xué)性能達(dá)標(biāo)。然而，由于使用的磷石膏來自不同地區(qū)，因此在性能方面可能存在一定差異。

根據(jù)目前的研究情況，磷石膏主要被用作添加料，其摻量較低，難以實現(xiàn)對磷石膏的大量有效利用。此外，一些研究需要額外添加黏結(jié)劑，增加了建造成本，而另一些研究則表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度，這對于推廣磷石膏在筑路中的應(yīng)用產(chǎn)生了一定的阻礙。本文旨在將磷石膏作為主體成分用于路面基層材料，不僅能夠有效消納大量的磷石膏，解決磷石膏的堆積問題，還能減少固化劑的研發(fā)成本。在本研究中將煅燒磷石膏用于穩(wěn)定磷石膏，以更有效地消耗磷石膏，并通過添加水泥和石灰來增強(qiáng)其性能。通過不同配合比的無側(cè)限抗壓試驗、水穩(wěn)試驗、干縮試驗，探究了不同的配合比與力學(xué)性能之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，從中優(yōu)選3個配合比繼續(xù)進(jìn)行干濕、凍融循環(huán)試驗，觀察其耐久性能。通過X射線衍射儀（X-ray diffractometer， XRD）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）等微觀層面的分析，解釋了它們的作用機(jī)理。在一系列的試驗后，確定了煅燒磷石膏-水泥-石灰改良磷石膏結(jié)合料的最佳配合比，驗證了磷石膏材料作為路面基層材料的可行性。

1 原材料、試驗方案與方法

1.1 試驗材料

在本試驗中所使用的磷石膏取自安徽省合肥市某縣，顏色呈深灰色，大部分是粉末狀，伴有塊狀，含水率高達(dá)16.34%，pH值為4.96。通過SEM觀察其微觀形態(tài)，如圖1（a）所示，磷石膏主要為板狀晶體形態(tài)，有細(xì)碎顆粒附著在表面。磷石膏（PG）經(jīng)過150 ℃的烘箱煅燒2 h，得到試驗用的煅燒磷石膏（CPG），其微觀形態(tài)如圖1（b）所示。與磷石膏相比，CPG呈現(xiàn)出更小的菱形板狀，表面更不平滑，粉末狀物質(zhì)更多。摻加的其他固化材料包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（C）和生石灰（L），通過X射線熒光光譜儀測試這些原材料的化學(xué)成分，見表1。

1.2 試驗方案

各摻加物按一定的質(zhì)量比例混合后，經(jīng)過烘干和篩選處理得到磷石膏與其他固化材料，用這些材料制備結(jié)合料用于試驗[8，11]。在第一組優(yōu)選試驗中，設(shè)定CPG的摻量為0（PG）、6%（G6）、8%（G8）、10%（G10）和12%（G12）。通過借鑒前人研究經(jīng)驗[8，11]，在第二組優(yōu)選試驗中，選定石灰的摻量為2%，水泥的摻量分別為5%（G10L2C5）、6%（G10L2C6）、7%（G10L2C7）、8%（G10L2C8）及9%（G10L2C9），為了比較所添加的無機(jī)結(jié)合料對磷石膏的改良作用，設(shè)置了1個空白對照組（PG）。磷石膏試件的配合比見表2。探究水泥摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)性能和干縮性能的影響，綜合考慮后，選取表現(xiàn)優(yōu)異的磷石膏結(jié)合料配合比，進(jìn)一步研究水泥摻量對耐久性能的影響，最后通過XRD、SEM在微觀層面分析其機(jī)理。

1.3 試件制備和試驗方法

1.3.1 試件制備方法

磷石膏在55 ℃下烘干[12]，冷卻后過2 mm篩，按照配合比取相應(yīng)質(zhì)量的磷石膏和石灰，根據(jù)測得的最佳含水率來添加水，混合拌勻后密封放置6～8 h。煅燒磷石膏、水泥是在制樣前加入混合料，均勻攪拌后的1 h內(nèi)完成試驗。本試驗采用靜壓法制備試件，將結(jié)合料放置于模具中，使用千斤頂靜壓成型，制備成直徑為5 cm、高為5 cm的圓柱體。試件脫模后放入密封袋中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度（20±2）℃，濕度≥95%）下養(yǎng)護(hù)至所需齡期。在本研究中，所有試驗所用試樣的制備方法和養(yǎng)護(hù)條件均參照此小節(jié)。

1.3.2 試驗方法

在相應(yīng)齡期的最后一天，將試件浸水24 h，用軟布擦干后，通過微機(jī)電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗得到其強(qiáng)度。水穩(wěn)系數(shù)定義為試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、14、28 d的飽水狀態(tài)下與未浸水狀態(tài)下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值。

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行干縮試驗，每天用游標(biāo)卡尺和精密電子秤測量，記錄試樣在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，在自然風(fēng)干條件下的直徑、高度和質(zhì)量的變化，直至基本不變。通過測量計算試件的失水率和干縮應(yīng)變來評價其干縮特性，按照式（1）、式（2）計算，

[ωi=（mi-mi+1）mp ，]   （1）

[εi=（Hi-Hi+1）H ，]   （2）

式中：[ωi]為第[i]次失水率；[mi]為第[i]次標(biāo)準(zhǔn)試件稱重質(zhì)量；[mp]為標(biāo)準(zhǔn)試件烘干后的質(zhì)量，為恒定值；[εi]為第[i]次干縮應(yīng)變；[Hi]為第[i]次標(biāo)準(zhǔn)試件測量高度；[H]為標(biāo)準(zhǔn)試件初始高度。

為測試磷石膏結(jié)合料的耐久性，將試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行干濕循環(huán)和凍融循環(huán)試驗。1次干濕循環(huán)：將試件放置于55 ℃的烘箱內(nèi)12 h，取出后測量試件高度、稱重、拍照，冷卻后放置在20 ℃的水槽中1 d，將試件取出擦干后再次測量高度、稱重和拍照。凍融循環(huán)按照J(rèn)TG E51—2009[13]中T0858—2009的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，即先將試件放入-18 ℃的低溫箱內(nèi)16 h，記錄數(shù)據(jù)后放入20 ℃的水槽中8 h，取出試件擦干后再次記錄數(shù)據(jù)，此為1個凍融循環(huán)。本試驗分別在循環(huán)至5、10和15次后測得試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并與相應(yīng)養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件強(qiáng)度進(jìn)行比較，按照式（3）和式（4）計算耐久性能指標(biāo)，

[ξ=RDCRC×100]， （3）

式中：ξ為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，表示經(jīng)n次干濕/凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度比；[RDC]為n次干濕/凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度；[RC]為對比試件的抗壓強(qiáng)度。

[Wn=（m0-mn）m0×100]， （4）

式中：[Wn]為n次干濕/凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量變化率；[m0]為干濕/凍融循環(huán)前試件的質(zhì)量；[mn]為n次干濕/凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量。

磷石膏結(jié)合料試件在養(yǎng)護(hù)至要求齡期后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，破碎后取中心1 cm3大小的試塊用于SEM試驗。再從中取樣50 g，自然風(fēng)干后研磨并過0.075 mm的篩，通過XRD試驗進(jìn)行試樣分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓試驗

在進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗浸水養(yǎng)護(hù)時，純磷石膏試塊遇水即散，純磷石膏試件浸水后圖像如圖2所示，水穩(wěn)性極差。第一組優(yōu)選試驗是為了確定CPG的最佳摻量，CPG摻量對改良磷石膏的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響，（其中PG組的強(qiáng)度是在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下獲得）。與純磷石膏試件相比，添加了CPG的試件不僅能提高抗壓強(qiáng)度，而且顯著增強(qiáng)了水穩(wěn)性（圖3）。CPG在遇水后發(fā)生水化反應(yīng)，生成磷石膏，石膏晶粒間相互連接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其內(nèi)在黏聚力有助于維持材料的穩(wěn)定性，提升強(qiáng)度[7]。G6組試件6 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，試件飽水散掉，不具備強(qiáng)度。磷石膏混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著CPG摻量的增加而增加，增長速度在摻量為6%～10%時較快，當(dāng)摻量超過10%時變緩，因此G10組為最優(yōu)。

磷石膏因含有P2O5而呈酸性，在無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定磷石膏時產(chǎn)生負(fù)向影響[14]。因此，在CPG穩(wěn)定磷石膏中添加石灰有助于抑制磷石膏中水溶性磷和氟的浸出，中和磷石膏的酸度，提升早期強(qiáng)度。添加了CPG、水泥和石灰的磷石膏試件經(jīng)過浸水養(yǎng)護(hù)后，試件保持完整，如圖4所示，證明與純磷石膏試件相比，改良磷石膏水穩(wěn)性得到了極大的提高。水泥摻量對改良磷石膏無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖5，從圖中可以看出，與單摻CPG相比，石灰和水泥的加入使磷石膏結(jié)合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅度增加，且水泥摻量越大，強(qiáng)度越高。水泥摻量分別為5%、6%、7%、8%、9%的試件組，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于4.00 MPa，其中水泥的摻量由6%增加到7%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從4.74 MPa增加至5.46 MPa，增長率為15.2%。G10L2C7組相較于G10組，增幅達(dá)291.9%，可以滿足JTGT F20—2015[15]中水泥穩(wěn)定材料對各級公路和交通荷載的路面基層和底基層7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求。石灰的加入使早期強(qiáng)度有明顯的提升，原因是石灰和水溶性磷和氟反應(yīng)生成難溶性的鈣鹽，為水化反應(yīng)生成C—S—H凝膠和鈣礬石提供了有利的堿性環(huán)境[16]。隨著齡期的增加，磷石膏結(jié)合料的強(qiáng)度持續(xù)增加，前14 d的強(qiáng)度增長迅速，超過14 d的強(qiáng)度增長速度較慢。早期強(qiáng)度的形成主要是由CPG及水泥的水化反應(yīng)產(chǎn)生，后期強(qiáng)度的增加主要是磷石膏與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石，同時水泥與石灰之間也有火山灰反應(yīng)的發(fā)生，此過程持久而緩慢。

2.2 水穩(wěn)試驗

圖6為水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對改良磷石膏水穩(wěn)系數(shù)的影響曲線圖。如圖6所示，水的浸泡在一定程度上削弱了改良磷石膏結(jié)合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。這一現(xiàn)象與磷石膏的親水性有關(guān)，因為磷石膏在遇水時極易溶解，導(dǎo)致石膏晶體之間的結(jié)合力減弱，因此試件在浸水后強(qiáng)度明顯下降[17]，在試件配合比改變的情況下未發(fā)現(xiàn)明顯變化規(guī)律，但隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，水穩(wěn)系數(shù)呈下降趨勢，其中G10L2C7組7、14、28 d水穩(wěn)系數(shù)分別為87.96%、82.18%、80.43%。此現(xiàn)象可能是由于隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，水泥水化產(chǎn)物逐漸形成，引發(fā)磷石膏結(jié)合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，從而在試件中產(chǎn)生不易觀察到的微小裂縫，因此導(dǎo)致水穩(wěn)系數(shù)的減小。與純磷石膏試件浸水即散的情況相比，復(fù)摻CPG、水泥與生石灰改良磷石膏的試件的抗水損害性能明顯提高，表現(xiàn)出更高的抗水損害性能。這一效果的產(chǎn)生有3個主要原因：首先，CPG水化成磷石膏時與磷石膏膠凝在一起，提升了抗水性能；其次，水泥水化反應(yīng)生成的C—S—H凝膠，與水泥和磷石膏的反應(yīng)產(chǎn)物鈣礬石形成了復(fù)合結(jié)構(gòu)，將磷石膏顆粒包裹其中，使磷石膏在浸水時不會直接接觸到水[18]；最后，水泥與生石灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成一種與磷石膏共晶的物質(zhì)，導(dǎo)致溶解度降低。因此，CPG-水泥-石灰改良磷石膏表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性，適合作為路面基層材料投入使用。

2.3 干縮試驗

圖7為水泥摻量對改良磷石膏失水率的影響曲線圖。從圖7可以觀察到，不同配合比的試件失水率隨時間的增加呈現(xiàn)出先增加后逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律。PG組在進(jìn)行干縮實驗的第1天失水率為9.6%，第2天接近總失水率的10.1%，這是因為磷石膏含水率極易受外界影響，容易失去水分子[19]。摻加煅燒磷石膏的G10組，失水率明顯降低，第1天失水率為6.2%，但失水時間仍主要在前2天，總失水率為7.5%，與PG組試件相比，降低了25.7%。這是因為CPG在水化成磷石膏時消耗了一部分水，轉(zhuǎn)化成結(jié)晶水，不易損失，因此失水率降低。在摻加石灰和水泥后，隨著水泥摻量的增加，試樣的總失水率逐漸降低，在前4天大部分水分丟失，占總失水率的90%以上。G10L2C5、G10L2C6、G10L2C7、G10L2C8、G10L2C9組總失水率分別為6.3%、6.1%、5.6%、5.4%、5.3%。G10L2C7組總失水率同PG組試件相比，降低了44.6%。石灰的添加能降低失水率，因為石灰能夠吸收一定量的水分，減緩結(jié)合料的失水速率，避免裂縫的產(chǎn)生[20]。水泥的水化產(chǎn)物在結(jié)合料中起到膠凝和填充的作用，有助于填充孔隙和提高材料的密實度，這樣會減少水分的流失，從而降低失水率[21]。

圖8為水泥摻量對改良磷石膏干縮應(yīng)變的影響曲線圖。從圖8可知，不同配合比試樣的干縮應(yīng)變均呈現(xiàn)先逐漸變大再U6gmyNrBkJKl9xeK02+/q0GiiuN7uHMdXu/6pxsRjFE=變緩的趨勢，PG組在進(jìn)行干縮實驗的第3天，干縮應(yīng)變接近最大值的0.126%。煅燒磷石膏的摻加使干縮應(yīng)變有所降低，第3天干縮應(yīng)變?yōu)?.118%，與純磷石膏試件相比降低了7.7%。在摻加石灰和水泥后，試樣的干縮應(yīng)變隨著水泥摻量的增加而無明顯變化。干縮試驗的第8天，水泥摻量分別為5%、6%、7%、8%、9%試件組干縮應(yīng)變分別為0.100%、0.118%、0.080%、0.169%、0.139%。其中水泥摻量分別為5%、6%和7%試件組與PG試件相比，其干縮應(yīng)變都降低了，G10L2C7組干縮應(yīng)變同PG組試件相比，降低了36.5%。石灰的添加能降低干縮應(yīng)變，具有良好的抑制試樣干縮的作用[22]，這是因為石灰中的CaO水化后生成Ca（OH）2，導(dǎo)致體積變大，試樣的孔隙變小，因此試樣的干縮變得不明顯。磷石膏參與水泥的水化反應(yīng)生成具有膨脹性的鈣礬石，不僅使試件變得更密實，還能抵消內(nèi)部的干縮變形，增強(qiáng)干縮抗裂性能[23]。但當(dāng)水泥摻量過大時，由于失水引起的干縮增大，容易產(chǎn)生裂縫，因此，要選擇適當(dāng)?shù)乃鄵搅縖24]。從圖9觀察發(fā)現(xiàn)，在試件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期間以及干縮試驗過程中，所有的試樣外觀形態(tài)都保持完好，沒有出現(xiàn)肉眼可見的裂紋，這說明CPG-水泥-石灰改良磷石膏試件不僅具有良好的抗干縮性，膨脹性能也較穩(wěn)定。

2.4 干濕、凍融循環(huán)試驗

選擇水泥摻量分別為7%、8%、9%的3組試件進(jìn)行后續(xù)的耐久性能試驗，水泥摻量對改良磷石膏干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度和干濕系數(shù)的影響（圖10）。在5次干濕循環(huán)后，磷石膏結(jié)合料的強(qiáng)度有所提升，10次干濕循環(huán)后強(qiáng)度降低，15次干濕循環(huán)后強(qiáng)度持續(xù)降低，但減小幅度較之前小。前期強(qiáng)度提升是因為試樣在泡水時水的增加促進(jìn)CPG和水泥的水化反應(yīng)，并且在烘干過程中提供了高溫的環(huán)境，使水化反應(yīng)加速了；后期強(qiáng)度減弱是因為多次烘干浸水導(dǎo)致磷石膏結(jié)合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在一定程度上遭到破壞。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良磷石膏結(jié)合料的干濕系數(shù)均逐漸下降，3組試件的干濕系數(shù)均大于80%，可滿足安全與穩(wěn)定性要求。

圖11為水泥摻量對改良磷石膏干濕循環(huán)質(zhì)量損失影響的柱狀圖。由圖可知，水泥摻量越大，質(zhì)量損失越小，隨著干濕循環(huán)等級的增加，3組磷石膏結(jié)合料的質(zhì)量損失率呈增長的趨勢，經(jīng)15次干濕循環(huán)后，3組試件的質(zhì)量損失率均低于5%。經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，試件可能出現(xiàn)微小的孔隙或者裂縫，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，內(nèi)部水分滲透，磷石膏剝落溶解，從而引起材料的質(zhì)量損失。

圖12為水泥摻量對改良磷石膏凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度的影響圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度第5次循環(huán)是隨著水泥摻量的增加而提高的，到第10次和第15次凍融循環(huán)后，水泥摻量對強(qiáng)度的影響不明顯。隨著凍融循環(huán)級數(shù)的增加，磷石膏結(jié)合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和凍融系數(shù)均呈下降的趨勢，經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后，3組試件的凍融系數(shù)均大于80%。在第15次凍融循環(huán)中，凍融系數(shù)隨著水泥摻量的增大而減小，G10L2C9組試件凍融系數(shù)最小，強(qiáng)度損失最大。這是因為當(dāng)水泥摻量增加時，由于生成的鈣礬石越來越多，結(jié)晶膨脹導(dǎo)致微觀裂縫數(shù)量增加[25]。同時，水分進(jìn)入結(jié)合料內(nèi)部并結(jié)冰膨脹，磷石膏結(jié)合料中的顆粒之間更容易出現(xiàn)開裂和破壞，最后導(dǎo)致強(qiáng)度降低，隨著凍融循環(huán)級數(shù)的增加，細(xì)小裂縫越來越多，致使強(qiáng)度下降幅度逐漸增大。

圖13為水泥摻量對改良磷石膏凍融循環(huán)質(zhì)量損失的影響圖。在前5次凍融循環(huán)過程中，3種配合比的磷石膏結(jié)合料的質(zhì)量均顯著增加，可能是由于水分吸附導(dǎo)致的。在第10次和第15次凍融循環(huán)中，3種類型磷石膏結(jié)合料的質(zhì)量損失率均為正值，表明試樣均發(fā)生了疲勞破壞，在相同循環(huán)級數(shù)下，水泥摻量越多，質(zhì)量損失越少。凍融循環(huán)結(jié)束后，3組試件的質(zhì)量損失率均小于1.0%，可看出試塊的整體穩(wěn)定性較好。

綜合物理力學(xué)特性和路用特性，改良磷石膏最優(yōu)配合比為G10L2C7試驗組，其煅燒磷石膏、水泥、石灰、磷石膏的質(zhì)量配合比為10∶7∶2∶81。

2.5 微觀分析

2.5.1 XRD圖

圖14中分別為PG、G10、G10L2C7試件養(yǎng)護(hù)28 d后的XRD圖，θ為衍射角。純PG試件的主晶相為二水硫酸鈣（CaSO4?2H2O）和CaPO3（OH）?2H2O。G10組試件中摻加CPG后未發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)生成，因為CPG主要成分是半水硫酸鈣（CaSO4?0.5H2O），遇水后水化成CaSO4?2H2O，導(dǎo)致CaSO4?2H2O的衍射峰強(qiáng)度明顯上升。在G10L2C7組試件中，水泥水化生成C—S—H凝膠。由于C—S—H凝膠是非晶態(tài)的膠狀物質(zhì)，而X射線衍射主要用于分析晶體結(jié)構(gòu)，因此未觀察到清晰的衍射峰[26]。C—S—H凝膠與磷石膏的共同反應(yīng)生成了鈣礬石（AFt）[27]，過量的磷石膏可能導(dǎo)致水泥的緩凝，因此AFt峰存在但不明顯。在此過程中，CaSO4?2H2O被消耗，石灰的添加中和一部分CaPO3（OH）?2H2O，使得二者的衍射峰強(qiáng)度明顯下降。在體系中更多的磷石膏是未參與反應(yīng)的，故CaSO4?2H2O的衍射峰依然最強(qiáng)。

2.5.2 微觀形態(tài)

圖15（a）為1 000倍下PG組的微觀結(jié)構(gòu)圖，其中多菱形片狀的二水石膏晶體，具有明顯的平面、角和棱邊。晶體之間的連接能力相對較弱，結(jié)合并不牢固，片狀結(jié)構(gòu)容易發(fā)生相對移動和錯位，導(dǎo)致整體材料的強(qiáng)度較弱[9]。圖15（b）為養(yǎng)護(hù)28 d后，在1 000倍下G10的SEM圖，可以看出，CPG的水化產(chǎn)物主要呈細(xì)柱狀和塊狀，一方面將二水石膏晶體連接起來，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；另一方面填補(bǔ)了孔隙，使結(jié)構(gòu)更加致密。圖15（c）為養(yǎng)護(hù)28 d后，在2 000倍下G10L2C7改良磷石膏的SEM圖，從圖中可以觀察到，二水石膏晶體表面變得凹凸不平，并且布滿針刺狀A(yù)Ft晶體，同時網(wǎng)狀的C—S—H凝膠分布在晶體之間。形成的這些水化產(chǎn)物交錯分布在石膏晶體之間，使其相互連接成一個整體，結(jié)構(gòu)更緊密，還能增大磷石膏晶體之間的摩擦力，減少了滑移[28]，從而進(jìn)一步提高了磷石膏結(jié)合料的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1）推薦結(jié)合料中煅燒磷石膏、水泥、石灰、磷石膏最優(yōu)質(zhì)量配合比為10∶7∶2∶81，該配合比能夠更大程度地利用磷石膏，同時在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上減少水泥的使用量。與純磷石膏試件相比，該配合比試件的水穩(wěn)性大幅提升，干縮應(yīng)變明顯降低。在經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后，質(zhì)量損失率小于5%，經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率小于1.0%，干濕和凍融系數(shù)均大于80%，具有良好的耐久性能。

2）XRD和SEM結(jié)果驗證了CPG穩(wěn)定磷石膏通過水化作用形成了一定的強(qiáng)度。而在CPG-水泥-石灰改良磷石膏結(jié)合料中，強(qiáng)度的顯著提升主要源于磷石膏參與水泥水化反應(yīng)，促使大量的鈣礬石生成。

3）通過多種試驗研究表明，CPG-水泥-石灰改良磷石膏結(jié)合料作為路面基層材料用于道路建設(shè)，不僅能有效消耗磷石膏，而且其強(qiáng)度性能符合規(guī)范要求，為路面基層施工提供了一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的解決方案。

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Experimental study on improved phosphogypsum binder for

pavement base

ZHAO Meng， SHI Xianzeng*， XIE Yanmei

（School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China）

Abstract： Phosphogypsum as solid waste material has disadvantages of stacking. Although its application in road base layers can effectively increase utilization， it remains underutilized in this field. In this context， this study prepared an inorganic binder composed of calcined phosphogypsum， cement， lime， and phosphogypsum for use as a road base material. To verify its feasibility for road base applications， a series of laboratory tests were conducted， including unconfined compressive strength tests， water stability tests， dry shrinkage tests， wet-dry cycle tests， and freeze-thaw cycle tests. The interaction mechanisms between the substances were studied using XRD（X-ray diffractometer）and SEM（scanning electron microscope）microanalysis. The results show that the optimal mass ratio of the recommended binder consisting of calcined phosphogypsum， cement， lime， and phosphogypsum was 10∶7∶2∶81. This ratio maximizes the utilization of phosphogypsum， significantly improves compressive strength and water stability， reduces drying shrinkage strain noticeably， and offers good durability. It meets regulatory standards， providing an economical and environmentally friendly solution for road sub-base construction.

Keywords： phosphogypsum; pavement base material; unconfined compressive strength; road performance; microscopic characteristics

（責(zé)任編輯：羅小芬）

收稿日期：2023-12-02；修回日期：2024-01-03

基金項目：安徽省高校省級自然科學(xué)研究項目（重大項目）（2022AH040045）；安徽省自然科學(xué)基金項目（2308085ME187）資助

第一作者：趙夢，在讀碩士研究生

*通信作者：石賢增，博士，正高級工程師，研究方向：道路橋梁結(jié)構(gòu)與設(shè)計，E-mail：shixianzeng@ahjzu.edu.cn