利用磷石膏制备土壤固化剂及其固化土性能研究

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随着我国交通基础设施建设的快速发展,筑路所需要的砂石原料日益短缺,与此同时传统的土壤固化剂缺点明显,导致固化土在道路工程中的应用遇到困难。而磷石膏是磷化工企业采用湿法磷酸工艺中产生的工业固体废弃物,因为含有可溶磷、氟化物、重金属及有机物等杂质,阻碍了磷石膏的资源化利用,其大量堆积不仅侵占了宝贵的土地资源,而且给土壤、水体和大气带来了不同程度的污染。鉴于我国砂石材料严重缺乏、传统土壤固化剂存在不足、磷石膏堆积成山的情况,本实验以磷石膏、矿渣和石灰为原材料制备土壤固化剂,对渣土进行固化改良。研究了石灰形态和掺量对矿渣-石灰胶凝材料力学性能的影响,测试了固化土的力学性能、水稳性及抗冻性,研究了磷石膏和生石灰对固化土路用性能的影响,并采用XRD、SEM和MIP等微观测试手段,对固化机理进行了分析。主要结论如下:(1)在矿渣中掺入相同质量的生石灰和熟石灰,生石灰的激发效果要优于熟石灰,但随着生石灰掺量的增加,矿渣-生石灰胶凝材料的软化系数下降,综合考虑力学性能、软化系数及经济性,确定生石灰掺量为10%。(2)随着磷石膏在固化剂中占比的提高、比表面积的下降,磷石膏-矿渣-生石灰胶凝材料的7d和28d力学性能明显降低,当磷石膏与矿渣的质量比为3:7,磷石膏比表面积为595 m~2/kg时,胶凝材料的力学性能最佳,其7d和28d抗压强度分别为31.5 MPa和32.6 MPa。(3)磷石膏对固化土路用性能的影响规律与胶凝材料保持一致,随着固化剂掺量的提高,固化土的路用性能明显改善,但随着磷石膏比表面积的增大,固化土的后期强度增长较小,当磷石膏比表面积为595 m~2/kg时,固化土的90d强度甚至出现轻微倒缩。(4)当固化剂中生石灰掺量由5%提高到20%,固化土的路用性能先提升后下降,且随着生石灰掺量的增加,固化土后期强度增长乏力。综合考虑固化土路用性能、经济性和环保性,推荐固化剂掺量为15%,配比为磷石膏:矿渣:生石灰=27.8:65:7.2。采用该配比制备的固化土,7d无侧限抗压强度和水稳系数分别为13.3MPa和84.64%,28d抗冻指数为89.56%,完全符合规范要求。(5)将磷石膏基无机土壤固化剂添加到渣土中,在水化早期就可以生成大量的钙矾石和C-S-H凝胶,针棒状的钙矾石连接磷石膏和渣土颗粒相互搭接形成骨架,C-S-H凝胶将空隙逐步填充,使固化土形成了较为致密的微观结构。随着水化反应的进行,生成的水化产物越来越多,固化土内部结构不断密实,未参与反应的磷石膏和渣土颗粒被水化产物完全包裹,固化土表现出良好的路用性能。
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