CN109553372A - 一种可循环使用的磷石膏路基材料的制备和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种可循环使用的磷石膏路基材料的制备和使用方法，属于路基材料领域，本发明将自由含水率为7％‑20％的磷石膏加入到饱和氢氧化钙溶液中进行中和反应，得到去除可溶性磷酸根和氟离子的磷石膏；制得的磷石膏在170℃‑350℃下进行高温煅烧，使其中的二水石膏转变为III型无水石膏；制得的III型无水石膏与水、减水剂和防水剂混合，制得所述磷石膏路基材料。本发明提出的使用方法是先将磷石膏路基材料用于路基建造，路基服役完成后，对磷石膏路基材料再次进行高温煅烧，并再次用于路基建造。本发明所制得的磷石膏路基材料具有良好的强度、水稳性和体积稳定性，在维持磷石膏路基材料性质纯粹性的前提下，实现可循环使用。

Description

一种可循环使用的磷石膏路基材料的制备和使用方法
技术领域
本发明专利涉及路基材料领域，特别涉及一种可循环使用的磷石膏路基材料的制备和使用方法。
背景技术
磷石膏是磷化工生产过程中的副产物，我国是磷化工大国(磷肥的产量居世界首位)，年排放磷石膏约2000万吨，年利用率小于20％，当前我国堆存的磷石膏约2.5亿吨。磷石膏的主要成为二水石膏(质量分数通常大于85％)，同时含有少量的可溶性杂质，如H+，可溶性P2O5和F离子。未得以利用的磷石膏在堆存过程中，可溶性杂质可随着其中的自由水向地下渗透，造成水体污染，危害生态和环境。
如何拓展磷石膏的利用渠道，以缓解空间、环境和生态压力是当前亟需解决的问题。通过对磷石膏进行水洗或碱中和处理，可将磷石膏制备成水泥调凝剂、磷肥、砌块、石膏板和墙体抹面砂浆等材料，但制备这些材料产生的磷石膏消纳量和磷石膏的年产量不匹配，依然有大量的磷石膏(年产量的80％左右)堆存，需要开辟新的应用途径。
当前，我国正在进行大规模的交通设施建设，2017年，我国高速公路的总里程为13.7万公路，位居世界第一位，但相对于人口总量和经济发展需求，我国的交通设施建设还有待于持续的提升。公路建设过程中，需要消耗大量的路基材料，常规的路基材料包括石头、砂和土壤等，这些天然资源的大量消耗已造成严重的生态和环境危害。如果能使用磷石膏这样的工业副产物来取代常规的路基材料，则可获得双赢的局面。
将磷石膏用作路基材料，已有一些学者进行了初步的研究，吴少鹏等研究了磷石膏-粉煤灰-生石灰体系(质量比为8:8:1)用作路基材料的可行性，研究结果表明在适宜压实度情况下，该体系可用于公路路基的制备(吴少鹏,沈卫国,周明凯,等.磷石膏粉煤灰石灰固结材料的研究[J].中国公路学报,2001,14(z1):13-15.)；周富涛等研究了磷石膏-粉煤灰-水泥-生石灰体系(质量比为9:10:2:1)用作路基材料的可行性，研究结果表明在磷石膏掺量适宜的条件下，体系可获得最优的强度(周富涛,石宗利.磷石膏路基材料的实验研究[J].中国建材科技,2014,23(4):49-52.)。
从上述研究结果可见，已有研究将磷石膏用作路基材料的思路是使用水硬性胶凝材料(如水泥、粉煤灰)的水化反应，通过生成水溶性极低的C-S-H凝胶或钙矾石晶体来胶结磷石膏颗粒并产生强度。该方法的优点是提升了所研究复合材料体系的强度和水稳性，缺点是钙矾石的生成使得体系有后期膨胀破坏的风险，同时水泥、粉煤灰和石灰等外部物质的掺入，改变了磷石膏的纯粹性，降低了磷石膏再生利用的可行性(譬如：水化硬化后的磷石膏-粉煤灰-水泥-石灰体系难以再生并作为石膏材料来应用)。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种可循环使用的磷石膏路基材料的制备和使用方法，本发明在保持磷石膏材料性质纯粹性的前提下，通过技术手段来保障磷石膏作为路基材料的可行性，形成一种绿色环保、可循环使用的磷石膏路基材料。该路基材料在满足作为一种交通设施的建筑材料所应具有的强度、水稳性和体积稳定性的前提下，还具有绿色环保、可循环使用的特点。其中，强度指路基材料承受外部荷载的能力，水稳性指路基材料在浸水状态下的抗软化能力，体积稳定性指路基材料在服役过程中的尺寸保持能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种可循环使用的磷石膏路基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将自由含水率为7％-20％的磷石膏加入到饱和氢氧化钙溶液中进行中和反应，至浸出液的pH值为7.0±0.3，得到去除可溶性磷酸根和可溶性氟离子的磷石膏；
(2)将步骤(1)制得的磷石膏在170℃-350℃下进行高温煅烧，使磷石膏中的二水石膏转变为III型无水石膏；
(3)将步骤(2)制得的III型无水石膏、水、减水剂和防水剂按照质量百分比60％-70％:23％-33％:0.5％-1.5％:3.5％-5.5％进行混合，搅拌均匀制得所述磷石膏路基材料。
本发明还提出一种上述制备方法制备得到的磷石膏路基材料的使用方法，其特征在于，将制得的所述磷石膏路基材料的稠度控制在流动度为180±10mm，然后将该磷石膏路基材料浇注至道路指定位置形成路基，待所述路基服役完成后，将该路基内的磷石膏路基材料在170℃-350℃下进行高温煅烧，再次得到III型无水石膏，再次用于路基的建造。
本发明的优点和有益效果
1、通过中和反应-高温煅烧相结合的方式，维持了磷石膏路基材料性质的纯粹性，且该磷石膏路基材料再次经高温煅烧后制得的III型无水石膏可作为路基材料循环使用，实现资源和能源的节约。
2、通过与氢氧化钙的中和反应，去除了磷石膏中水溶性的H+、磷酸根和氟离子，避免了磷石膏用作路基材料对环境的危害性。
(III)通过高温煅烧形成III型无水石膏，然后再次水化形成二水石膏的方法，利用二水石膏晶体之间的穿插和结合，发挥了III型无水石膏的水化活性，保障了水化后形成固化体的强度。
3、通过在III型无水石膏和水的体系中掺入减水剂，降低了施工过程的用水量，减小了固化体的孔隙率，提高了固化体的强度和抗水分渗透能力。
4、通过在III型无水石膏和水的体系中掺入防水剂，达到封闭孔隙和产生憎水能力的目的，保障了磷石膏路基材料的水稳性。
综上，通过本发明制备的磷石膏路基材料可满足路基材料在服役过程中承受车辆荷载作用和环境侵蚀作用(冻融、干燥、水溶液渗透等)的性能要求，具有良好的强度、水稳性和体积稳定性，在维持了磷石膏路基材料性质的纯粹性的前提下，可被循环使用、实现资源和能源的节约，且制备过程简单、生产成本低。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案详细说明如下：
本发明提出的一种可循环使用的磷石膏路基材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将自由含水率为7％-20％的磷石膏加入饱和氢氧化钙溶液中进行中和反应，至浸出液的pH值为7.0±0.3，得到去除可溶性磷酸根和可溶性氟离子的磷石膏；
(2)将步骤(1)制得的磷石膏在170℃-350℃下进行高温煅烧(煅烧时间长度取决于煅烧过程的换热效率，煅烧时间可波动于数分钟-数小时)，使磷石膏中的二水石膏转变为III型无水石膏；
(3)将步骤(2)制得的III型无水石膏、水(水的品质满足饮用标准即可)、减水剂和防水剂按照质量百分比60％-70％:23％-33％:0.5％-1.5％:3.5％-5.5％进行混合，搅拌均匀制得所述磷石膏路基材料。
优选地，步骤(3)中的减水剂采用聚羧酸型减水剂，含固量为10％至40％。
优选地，步骤(3)中防水剂采用含氢硅油。进一步地，含氢硅油为水性乳液型含氢硅油。
本发明还提出一种通过上述方法制得的磷石膏路基材料的使用方法，将制得的所述磷石膏路基材料的稠度控制在流动度为180±10mm(流动度的测试方法，参见GB/T17669.4-1999)，然后将该磷石膏路基材料浇注至道路指定位置经过振捣、养护、固化后形成路基，待所述路基服役完成(所谓路基的服役完成，通常是由于整体的交通设施，如高速公路，需要大修或重新建设，涉及到路基的重新建造；路基的服役时间一般为20年-50年)后，对路基内的磷石膏路基材料进行170℃-350℃下的高温煅烧，得到III型无水石膏(其中，硫酸钙的质量分数大于85％)，再次与水、减水剂和防水剂混合形成磷石膏路基材料，再次用于路基的建造。
本发明实施例的磷石膏路基材料中III型无水石膏、水、减水剂和防水剂的质量百分比为：(60％-70％)：(23％-33％)：(0.5％-1.5％)：(3.5％-5.5％)。应用过程中，采用的原材料组成比例如表1所示：
表1磷石膏路基材料的配制方法
将本发明具体应用在路基建设工程中时，在道路施工现场，按照表1所示比例将物料混合后，形成磷石膏路基材料，将塑性的磷石膏路基材料填充到位并固结硬化后，可形成磷石膏路基。具体过程如下：
将使用氢氧化钙进行酸碱度中性化后的磷石膏进行高温煅烧，形成III型无水石膏，将III无水石膏进行密封包装后运输到道路施工现场。在道路施工现场的搅拌站中，将III型无水石膏、水、减水剂和防水剂进行计量后装填到搅拌机中，开动搅拌机搅拌并获得期望稠度的浆体，将该浆体用管道或料斗输送到浇注位置进行浇注。浇注过程中可辅以适度的振捣，以保障浇注的密实度。浇注完成后，对路基的上表面用塑料薄膜进行覆盖养护，养护7天后，通过CBR试验和弯沉度试验检测路基的建设质量，确保满足工程要求。之后，磷石膏路基进入服役阶段，待路基服役完成后，对其中的磷石膏路基材料再次进行高温煅烧生成III型无水石膏，可将该III型无水石膏进行密封包装存储，当后续使用时，将其与水、减水剂和防水剂按比例混合，再次用于路基建造。此外，本发明通过高温煅烧的方式，可不断实现从磷石膏路基材料到III型无水石膏，再到磷石膏路基材料之间的转变。
使用常规磷石膏路基材料(磷石膏:水泥:粉煤灰:水＝62:6:16:16)和本发明提出的可循环使用的磷石膏路基材料(III型无水石膏:减水剂:防水剂:水＝62:1:4:33)制备试样的强度、水稳性和体积稳定性对比如表2所示，其中的强度为单轴抗压强度；水稳性为浸水24小时后，相对于空气养护试样的强度保持率；体积稳定性为试样在温度为20℃，相对湿度为60％的环境中，180天龄期的膨胀率。
表2常规磷石膏路基材料与本发明提出的磷石膏路基材料性能对比
本发明所涉及的反应机理如下：
(I)在磷石膏中加入氢氧化钙进行中和反应，调整体系的pH值至7.0±0.3。该中和反应一方面可消除磷石膏中H+，降低体系的酸度，另一方面可使得磷石膏中的可溶性磷酸根和氟离子与钙离子反应，生成水溶性很低的磷酸钙和氟化钙，达到去除可溶性磷酸根和氟离子的目的。
(II)将中和反应后的磷石膏在170℃-350℃下进行高温煅烧，使得磷石膏中的二水石膏转变为III型无水石膏。使用过程中，III型无水石膏遇水后进行水化反应，通过溶解-结晶机理再次形成二水石膏，水化反应形成的二水石膏晶体相互穿插，形成致密的固化体，产生强度和抗水分渗入能力。
(III)由III型无水石膏进行水化反应生成的二水石膏，在路基服役过程中，与外界进行湿度交换的过程中，体积变化量微小，因此，具有很好的体积稳定性。
(IV)为保障III型无水石膏进行水化反应形成二水石膏的强度和水稳性，在III型无水石膏和水形成的体系中掺入减水剂和防水剂。减水剂的作用是降低III型无水石膏和水所形成的浆体，在达到期望稠度时的需水量，从而降低水化后形成的固结体的孔隙率，以保障强度和抗水分渗入能力；防水剂的作用是填充水化后形成的固结体孔隙，并依靠防水剂的憎水性来进一步排斥外界水分向固结体内部的迁移，从而达到显著提高固结体水稳性的目的。
(VI)由III型无水石膏水化后形成的二水石膏固化体，在作为路基材料完成服役任务后，可以通过170℃-350℃的高温煅烧(煅烧期间，去除了减水剂和防水剂两种有机物)，再生形成III型无水石膏，为再次进入路基建造和服役环节做准备。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种可循环使用的磷石膏路基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将自由含水率为7％-20％的磷石膏加入到饱和氢氧化钙溶液中进行中和反应，至浸出液的pH值为7.0±0.3，得到去除可溶性磷酸根和可溶性氟离子的磷石膏；
(2)将步骤(1)制得的磷石膏在170℃-350℃下进行高温煅烧，使磷石膏中的二水石膏转变为III型无水石膏；
(3)将步骤(2)制得的III型无水石膏、水、减水剂和防水剂按照质量百分比60％-70％:23％-33％:0.5％-1.5％:3.5％-5.5％进行混合，搅拌均匀制得所述磷石膏路基材料。
2.如权利要求1所述的磷石膏路基材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述减水剂为聚羧酸型减水剂，含固量为10％至40％。
3.如权利要求1所述的磷石膏路基材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述防水剂采用含氢硅油。
4.如权利要求1所述的磷石膏路基材料的制备方法，其特征在于，所述含氢硅油为水性乳液型含氢硅油。
5.一种按照权利要求1～4中任意一项所述制备方法制备得到的磷石膏路基材料的使用方法，其特征在于，将制得的所述磷石膏路基材料的稠度控制在流动度为180±10mm，然后将该磷石膏路基材料浇注至道路指定位置形成路基，待所述路基服役完成后，将该路基内的磷石膏路基材料在170℃-350℃下进行高温煅烧，再次得到III型无水石膏，再次用于路基的建造。
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