新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料

摘要

本发明公开了一种可提高路面基础无侧限抗压强度的新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料，属于道路材料领域。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％。本发明提供的新鲜半水磷石膏二灰基层材料为性能优良的半刚性路面基层，所用的原料主要为工业副产品，利用其作为道路材料使用，不仅可使半水磷石膏这种难以利用的工业副产品得以大量消化利用，而且能节省堆存土地，降低成本，利于自然资源和环境保护，施工工艺简单、可靠，适合于一般道路和高等级公路的基层和底基层的修筑。

说明书

技术领域

本发明属于道路材料领域，具体涉及一种可提高路面基础无侧限抗压强度的新鲜半水磷 石膏二灰路面基层材料。

背景技术

随着我国经济的持续快速增长，工业固体废弃物的排放量也同步增长。尽管目前工业固 体废弃物的利用呈稳步增长趋势，但利用率依旧很低，且主要集中在几种能大量在建筑材料 领域直接利用的工业固体废弃物上，如粒化高炉矿渣、干排粉煤灰等，大多数工业固体废弃 物目前的利用率还很低。如半水磷石膏，磷石膏是化学石膏中排放量最大的废料，以磷矿石 和硫酸为原料生产磷酸、磷肥和其他磷酸盐的工厂，均有大量的磷石膏排出。通常每生产1t 磷酸，约排出5t磷石膏。近几年来，随着国民经济的发展，农业对磷复合肥需求量大大增加， 各地建设了一大批磷铵厂，我国磷石膏排出量快速增加。磷石膏若不经处理而任意排放，不 仅占用大量土地，污染环境，且给生态带来危害。

目前，贵州省磷化工工业年排放磷石膏已超过1500万吨，排放的磷石膏大量堆积，严重 侵占土地，污染环境，其利用率仅为10%。和大部分二水磷石膏特性不同，贵州川恒化工有 限责任公司目前排放的磷石膏为半水磷石膏，年排放量约75万吨。为加大半水磷石膏的利用 率，拟开发磷石膏路面基层材料，为半水磷石膏应用开辟新的途径，解决半水磷石膏带来的 环境压力问题。

目前新鲜半水磷石膏在路面基层中的应用尚无报道，二水磷石膏在路面基层材料中有所 使用。如贵州开磷（集团）有限责任公司申请的专利：一种公路用改性磷石膏稳定层材料及 其制备方法，专利号为201210273703.2，原料的配合比为：磷石膏30%～50%、改性剂10%～ 30%、砂石30%～60%、水5%～50%。如武汉工程大学、云南磷化集团有限公司、武汉铂瑞 科技有限公司共同申请的专利：一种道路路基填料及其制备方法，专利号为201210121568.X， 其公开的原料配合比为：磷石膏为35—60%、生石灰为4—15%、粉煤灰为30—50%，还加 入磷石膏、生石灰和粉煤灰总质量2-6%的稳定剂；着重强调了稳定剂的作用，在未添加稳定 剂的情况下，抗压强度不能满足《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）中有关抗压 强度标准的要求，在添加了适当配比的稳定剂之后，水稳定性有了明显的提高，两次干湿循 环后强度最高可达到2.0-2.5MPa，能够满足对抗压强度的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高路面基础无侧限抗压强度的新鲜半水磷石 膏二灰路面基层材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料，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％。

其中，上述材料中，原料按重量百分配比组成为：新鲜半水磷石膏65～85％、生石灰6～ 10％、红色粉煤灰或褐色粉煤灰10～25％。

进一步的，原料按重量百分配比组成为：新鲜半水磷石膏80％、生石灰8％、红色粉煤 灰或褐色粉煤灰12％。

本发明中所述的新鲜半水磷石膏均指半水法湿法磷酸工艺副产未经烘干处理富含表面水 的半水磷石膏。该半水磷石膏与天然石膏成分相近，产品质量达到国家质量监督检验检疫总 局发布的GB/T23456-2009优等品要求，而且具有a型半水石膏的特性，转化后有一定胶凝性。

本发明中所述的红色粉煤灰是指在循环流化床产生的粉煤灰。由于燃烧温度高，残渣中 铁以Fe₂O₃形式存在，故其颜色为红色，同时其中的SiO₂、、CaO、A1₂O₃等具有较高的活性。

本发明中所述的褐色粉煤灰是指在一般燃煤炉中产生的粉煤灰。由于燃烧温度较循环流 化床低，残渣中铁以Fe₃O₄形式存在，故其颜色为褐色，同时其中的SiO₂、、CaO、A1₂O₃的活 性不高，且有较高的碳残渣。

其中，上述材料中，所述新鲜半水磷石膏的主要化学成分按重量百分比计为：SiO₂1～3 ％、CaO26～33％、SO₃38～44％、P₂O₅0.4～1.0％、结晶水5～7％、表面水20～28％。

其中，上述材料中，所述生石灰的主要化学成分按重量百分比计为：CaO60～80％。

其中，上述材料中，所述红色粉煤灰的主要化学成分按重量百分比计为：SiO₂25.0～40.0 ％、Al₂O₃12.0～20.0％、C0.5～1.5％。

其中，上述材料中，所述褐色粉煤灰的主要化学成分按重量百分比计为：SiO₂15.0～25.0 ％、Al₂O₃5.0～15.0％、C1.0～2.0％。

本发明还提供上述新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料的制备方法，即是将原料新鲜半水 磷石膏、生石灰、以及红色粉煤灰或褐色粉煤灰按上述基层材料的原料配比拌合均匀即可。

本发明还提供新鲜半水磷石膏二灰路面基层的制备方法，即是将原料新鲜半水磷石膏、 生石灰、以及红色粉煤灰或褐色粉煤灰按上述基层材料的原料配比拌合均匀，然后摊铺平整， 经碾压后保湿养护，养护后即得到新鲜半水磷石膏二灰路面基层。

本发明的有益效果是：

虽然专利号为201210121568.X的专利文件公开了采用石灰、粉煤灰和磷石膏作为道路路 基材料时，必须添加稳定剂才能使无侧限抗压强度满足《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）中有关抗压强度标准的要求，但发明人经研究发现了采用新鲜半水磷石膏、生石 灰、以及红色粉煤灰或褐色粉煤灰为原料拌合得到的二灰路面基层材料，其无侧限抗压强度 均能达到3MPa以上，最高能够达到6MPa以上，远大于路面基层要求的0.8MPa，取得了 预想不到的技术效果。

经XRD分析可知，传统的二水磷石膏主要改善水泥性质，起到缓凝水泥并与之发生反 应的作用。在碱性激发剂作用下，仅有少量的二水磷石膏能够和粉煤灰中的活性SiO₂、A1₂O₃反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，大部分磷石膏不参与反应，仅仅作为填充物料填充空隙。 而利用半水法磷酸附产的新鲜半水磷石膏具有a型半水石膏的特性，转化过程中一定胶凝性。 利用碱性激发剂和新鲜半水磷石膏的硫酸盐激发来激发粉煤灰的火山灰活性，全部能够和粉 煤灰中的活性SiO₂、A1₂O₃发生一系列水化反应，形成C-S-H、C-S-A-H、AFt及氢氧化钙等 水化产物，构成路面基层的早期强度，并保证后期强度的持续增长，这就是新鲜半水磷石膏 制备的二灰路面基层材料比传统的二水磷石膏强度高的根本原因。

本发明提供的新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料，是半水磷石膏、生石灰、红色粉煤灰 或褐色粉煤灰作为所述路面基层的原材料，通过各种原料之间的嵌锁作用，并且利用生石灰 的碱性激发和半水磷石膏的硫酸盐激发来激发粉煤灰的火山灰活性，形成C-S-H、C-S-A-H、 AFt及氢氧化钙等水化产物，构成路面基层的早期强度，并保证后期强度的持续增长，从而 设计出满足各等级公路的半刚性路面基层和底基层。该半刚性基层实现了大量、高附加值利 用半水磷石膏和红色粉煤灰或褐色粉煤灰的目的。

本发明半水磷石膏配比达到80%，既不用砂石，又大幅度提高了磷石膏在路面基层中的 应用，达到节约资源、降低路面基层的成本、环保利废的目的。

附图说明

图1是本发明的新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料无侧限抗压强度随着半水磷石膏掺量 变化而变化的趋势图。

图2是本发明的新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料水稳性试验结果图。

图3是在扫描电镜下观测到的养护3d后半水磷石膏二灰路面基层材料中AFt、半水磷石 膏的形貌。

图4是在扫描电镜下观测到的养护3d后新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料中AFt、半水 磷石膏的形貌。

图5是在扫描电镜下观测到的养护100d后新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料中AFt、半 水磷石膏的形貌。

图中标记为：1是半水磷石膏、2是AFT、3是褐色粉煤灰。

具体实施方式

本发明提供的新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料，是半水磷石膏、生石灰、红色粉煤灰 或褐色粉煤灰作为所述路面基层的原材料，并且利用生石灰的碱性激发、半水磷石膏的硫酸 盐激发粉煤灰的火山灰活性，形成C-S-H、C-S-A-H、AFt及氢氧化钙水化产物，构成路面基 层的早期强度，并且保证后期强度的持续增长。本发明新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料， 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％。

其中，上述材料中，原料按重量百分配比组成为：新鲜半水磷石膏65～85％、生石灰6～ 10％、红色粉煤灰或褐色粉煤灰10～25％。

进一步的，原料按重量百分配比组成为：新鲜半水磷石膏80％、生石灰8％、红色粉煤 灰或褐色粉煤灰12％。

其中，上述材料中，所述新鲜半水磷石膏的主要化学成分按重量百分比计为：SiO₂1～3 ％、CaO26～33％、SO₃38～44％、P₂O₅0.4～1.0％、结晶水5～7％、表面水20～28％。

其中，上述材料中，所述生石灰的主要化学成分按重量百分比计为：CaO60～80％。

其中，上述材料中，所述红色粉煤灰的主要化学成分按重量百分比计为：SiO₂25.0～40.0 ％、Al₂O₃12.0～20.0％、C0.5～1.5％。

其中，上述材料中，所述褐色粉煤灰的主要化学成分按重量百分比计为：SiO₂15.0～25.0 ％、Al₂O₃5.0～15.0％、C1.0～2.0％。

本发明还提供上述新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料的制备方法，即是将原料新鲜半水 磷石膏、生石灰、以及红色粉煤灰或褐色粉煤灰按上述基层材料的原料配比拌合均匀即可。

本发明还提供新鲜半水磷石膏二灰路面基层的制备方法，即是将原料新鲜半水磷石膏、 生石灰、以及红色粉煤灰或褐色粉煤灰按上述基层材料的原料配比拌合均匀，然后摊铺平整， 经碾压后保湿养护，养护后即得到新鲜半水磷石膏二灰路面基层。

具体的，该路面基层可采用集中厂拌法来施工，先将半水磷石膏、生石灰、红色粉煤灰 或褐色粉煤灰进行原材料检测；对混合料组分进行击实试验，确定最佳含水率和最大干密度。 以最佳含水率和最大干密度进行混合拌料，将拌好的混合料由装载机运到施工现场。将混合 料在一定的松铺系数下进行摊铺找平，按控制的施工压实度要求进行碾压，并进行保湿养护， 养护至规定龄期形成所述路面基层，即可完成半水磷石膏二灰路面基层的施工。

在所述的保湿养护的过程中，可以采用薄膜保湿养护。

下面通过实施例对本发明进行进一步的说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实 施例之中。

实施例一

新鲜半水磷石膏-生石灰-红色粉煤灰体系路面基层：将半水磷石膏、生石灰、红色粉煤灰 按表1的设计组分进行称量，进行击实试验，确定混合料的最佳含水率和最大干密度，按控 制的压实度成型试件并测定其无侧限抗压强度，按95%的压实度进行无侧限抗压强度试验， 其7d（养生6d，浸水1d）无侧限抗压强度具体结果见表1。

表1半水磷石膏二灰(红色粉煤灰)路面基层性能指标

由表1的性能指标可知：在改变半水磷石膏的掺量时，其强度随着半水磷石膏掺量的增 加呈现先增加后减小的变化趋势，在半水磷石膏掺量为40%时，7d无侧限抗压强度可高达 6.12MPa，远大于路面基层要求的0.8MPa，即使半水磷石膏掺量为80%时，7d无侧限抗压强 度仍有5.37MPa，完全满足路面基层的要求。

实施例二

半水磷石膏-生石灰-褐色粉煤灰体系路面基层：将半水磷石膏、生石灰、褐色粉煤灰按表 2的设计组分进行称量，进行击实试验，确定混合料的最佳含水率和最大干密度，按控制的 压实度成型试件并测定其无侧限抗压强度。褐色粉煤灰的粒径小于等于0.6mm，改变半水磷 石膏的掺量，按95%的压实度进行无侧限抗压强度试验，其7d（养生6d，浸水1d）无侧限 抗压强度具体结果见表2。

表2半水磷石膏二灰(褐色粉煤灰)路面基层性能指标

由表2的性能指标可知：在改变半水磷石膏的掺量时，其强度随着半水磷石膏掺量的增 加而呈现递减的趋势，但半水磷石膏掺量为80%时，7d无侧限抗压强度仍有3.26MPa，完全 满足路面基层的要求。

实施例三

半水磷石膏二灰路面基层的水稳性：为了最大限度的消耗半水磷石膏，在实施例1和实 施例2的研究基础上，对半水磷石膏消耗量最大且满足路面基层要求的组成设计进行水稳性 性能的测试；按95%的压实度成型试件，将其分别进行7d和28d的水稳性试验。试验结果见 表3和图2。

表3半水磷石膏二灰(红色粉煤灰)路面基层的水稳性

由表3和图2可知：随着泡水时间的延长，半水磷石膏二灰基层强度下降，其湿养3d后 泡水4d，和不泡水的基层相比其强度损失率达28%，和泡水1d的基层相比其强度损失率达 18%。通过28d的水稳性试验更加说明了半水磷石膏二灰路面的水稳性良好，其湿养4d后泡 水24d，和不泡水的基层相比其强度损失率为23%，强度同样满足路面基层的要求。

实施例四

半水磷石膏二灰路面基层的抗冻性：在半水磷石膏二灰路面基层水稳性研究的基础上， 对该体系进行抗冻性试验研究；按95%的压实度成型试件，以28d的养生龄期经过5次冻融 循环后的饱水无侧限抗压强度与冻融前饱水无侧限抗压强度之比来评价，对比分析了半水磷 石膏二灰和二水磷石膏二灰路面基层的抗冻性，试验结果见表4。

表4半水磷石膏二灰(红色粉煤灰)路面基层的抗冻性

由表4的试验结果可知：半水磷石膏二灰的抗冻性高于二水磷石膏二灰的抗冻性，质量 损失也略低于二水磷石膏二灰。说明了半水磷石膏二灰具有好的抗冻性及稳定性。从而保证 了基层长期使用的寿命。

结合所有实施实例可见，在一定生石灰掺量的情况下，通过改变半水磷石膏和粉煤灰掺 量，可制备出适合一般等级公路和高等级公路的底基层和基层。该二灰路面基层的强度形成 主要是由混合料的前期机械压实嵌锁、生石灰的碱性激发和半水磷石膏的硫酸盐激发粉煤灰 的火山灰活性等方面的综合作用成型。在该体系中生石灰的碱性激发和半水磷石膏的硫酸盐 激发粉末的火山灰活性，从而为半水磷石膏二灰路面基层材料的早期和后期强度提供了保障。 从图3可知，在半水磷石膏二灰体系中3d开始形成AFt，AFt填充在半水磷石膏和粉煤灰之 间，从而该体系产生早期强度，从图4和图5可知，随着龄期的增加，在半水磷石膏二灰基 层中有大量AFt形成，这是半水磷石膏二灰路面基层早期和后期强度形成的关键。

本发明提供的新鲜半水磷石膏二灰路面基层材料，7d无侧限抗压强度红色粉煤灰体系可 达5.64MPa、褐色粉煤灰体系可达3.26MPa。且该路面基层有较好的强度递延性、自修复特 性、良好的抗裂性能，且劈裂抗压强度较高，是一种很好的半刚性路面基层材料。在本发明 中基层各项指标均高于国家标准对相应路面底基层和基层的要求。本发明提供的新鲜半水磷 石膏二灰基层材料为性能优良的半刚性路面基层，所用的原料主要为工业副产品，利用其作 为道路材料使用，不仅可使半水磷石膏这种难以利用的工业副产品得以大量消化利用，而且 能节省堆存土地，降低成本，利于自然资源和环境保护，施工工艺简单、可靠，适合于一般 道路和高等级公路的基层和底基层的修筑。