CN113563043A

CN113563043A - 一种磷石膏稳定红黏土路基材料及其制备方法

Info

Publication number: CN113563043A
Application number: CN202110931112.9A
Authority: CN
Inventors: 陈开圣; 王琴琴; 胡兴; 张颖; 张坤; 骆弟谱; 周波
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2021-10-29

Abstract

本发明公开了一种磷石膏稳定红黏土路基材料，混合下材料按质量百分比计为：水泥4％～8％，磷石膏9％～18％,红黏土74％～87％；另含混合下材料总质量15％的水玻璃。本发明产品不但能够解决红黏土路基的工程问题,还能够解决磷石膏堆存量不断扩大、利用率不足、占用土地资源、严重污染环境的问题,符合我国正在实施的可持续发展战略方针,具有极大的社会及经济效益和广阔的应用前景。本发明配方合理,制备方法简单,成品具有较好强度、刚度、水稳定性以及良好的路用性能,适用于红黏土地区公路建设。

Description

一种磷石膏稳定红黏土路基材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种路基材料及其制备方法，特别是一种磷石膏稳定红黏土路基材料及其制备方法。

背景技术

贵州省境内碳酸盐岩分布地区的地表普遍分布着残积红黏土,覆盖厚度一般5-7m,最厚可达20m以上。红黏土是一种典型的特殊性黏土，红黏土用于路基时因为具有高天然含水量、高液限等不良物理性质，造成高裂隙性、高收缩率、高水敏性等不良特征。红黏土路基压实困难、干缩开裂严重,在开挖与摊铺过程中易粘附在车上和压路机上，水稳定性差、路基表面易收缩开裂的特点大大影响了红黏土在公路工程中的应用。因此，现目前道路修建过程中，根本不会使用红黏土作为路基材料掺合料。若想要将红黏土应用于公路工程中，必须采取一定的技术措施对其进行处治,使其具有一定的强度和承载力,这样才可以保证路基的稳定性和使用质量。

我国有磷矿的省区共有27个，但70％以上的储量都集中在云南、贵州、湖北、湖南和四川5省，且品位在25％～30％P₂0₅的富磷矿仅占10％左右，只分布在云贵高原。贵州拥有开阳、瓮福两大大型富磷矿，磷肥及磷化工己成为贵州一大支柱产业，总生产能力己达100万t/a以上，在国内居第一位。目前磷石膏生产工艺，每生产1吨磷胺就要排出5吨左右的磷石膏，以贵州每年生产100万吨的产量计算，排放磷石膏每年均为500万吨左右。目前，磷石膏的利用途径主要集中在充填采矿、建材及农业领域。建材领域可用来生产建筑石膏粉料、建筑石膏制品、水泥及混凝剂等建筑材料；农业领域主要用作土壤改良剂。虽然磷石膏综合利用率逐年提高，但磷石膏利用量与产生量的量差依然较大，综合利用率不到30％。因此，到目前为止，磷石膏处理方法多采用陆地堆放和江、湖、海填埋，这些方法既侵占土地又破坏植被，而且酸性废水的渗漏和部分放射性元素又给人类的生存造成污染，危害人类的健康。为此，贵州省人民政府出台了《关于加快磷石膏资源综合利用的意见》(黔府发[2018]10号)和省推进磷石膏综合利用工作领导小组办公室制定了“关于《贵州省磷石膏资源综合利用工作考核方案(征求意见稿)》征求意见的函”。贵阳市磷石膏资源综合利用领导小组办公室也分别出台了“贵阳市磷石膏资源综合利用行动计划(2018-2020)(征求意见稿)”、“贵阳市磷石膏资源综合利用的十条措施(2018-2020)(试行)(征求意见稿)”、“贵阳市磷石膏资源综合利用产业扶持专项资金管理办法(2018-2020)(试行)征求意见稿)”。旨在推动磷石膏资源的综合利用。

目前已经出现很多关于磷石膏及路基材料的专利技术,如申请号为201510314184.3的中国专利《一种改性磷石膏公路路基填料及其制备方法》、申请号为201510316148.0的中国专利《一种采用磷石膏改良膨胀土的路基的施工工艺》、申请号为201810409945.7的中国专利《一种磷石膏稳定湿陷性黄土路基材料及制备方法》等，虽然涉及到了磷石膏用作一般路基填料,但是磷石膏稳定土水稳定性差的问题依然没有解决，且红黏土由于其本身的特殊性能，关于磷石膏稳定红黏土路基材料的专利尚属空白。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种磷石膏稳定红黏土路基材料及其制备方法。该材料解决了磷石膏堆存量不断扩大、利用率不足、占用土地资源、严重污染环境的问题，为磷石膏在道路工程中的应用提供了技术支撑，同时改善了红黏土的工程特性。

本发明的技术方案：一种磷石膏稳定红黏土路基材料，混合下材料按质量百分比计为：水泥4％～8％，磷石膏9％～18％,红黏土74％～87％；另含混合下材料总质量15％的水玻璃。

前述的磷石膏稳定红黏土路基材料中，所述水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O32.5。

前述的磷石膏稳定红黏土路基材料中，所述磷石膏的粒径≤2.0mm，含水率为1％。

前述的磷石膏稳定红黏土路基材料中，所述红黏土的粒径≤2.0mm，含水率为3％。

前述的磷石膏稳定红黏土路基材料中，所述水玻璃为液态，密度为50Be，模数为2.25。

一种磷石膏稳定红黏土路基材料的制备方法，包括以下步骤：

A:将磷石膏、红黏土破碎成颗粒状并过2mm筛备用；并根据混合料与水的质量配合比为1：0.135～0.168进行备料；

B:按质量百分比取磷石膏、红黏土在常温条件下拌和均匀，得到产品A；

C：将产品A与97％的预加水在常温条件下拌和均匀，用保鲜膜密封一昼夜，得到产品B；

D：在制样的前一个小时内将水泥与水玻璃溶解在3％的预留热水中搅拌均匀，得到产品C；

E：将产品B与产品C混合，在常温条件下搅拌均匀，得到产品D，将D以90％～96％的压实度静力压制成型，放入养护箱中养护，养护温度设定为20±2℃，湿度≥95％，养护时间为6天，然后浸水1天，得到产品E，即磷石膏稳定红黏土路基材料成品。

前述的磷石膏稳定红黏土路基材料的制备方法中，所述磷石膏使用前应烘干至1％含水率备用；所述红黏土应烘干至3％含水率备用。

本发明的有益效果：与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的磷石膏稳定红黏土路基材料中以水泥稳定红黏土为基础材料,通过添加磷石膏,水泥水化反应产物主要为氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙等化合物，当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与周围具有一定活性的黏土颗粒发生反应，诸如离子交换作用、团粒化作用、硬凝反应等，使稳定土的强度大大提高。利用磷石膏含有的硫酸钙能够与水泥水化产物水化铝酸钙反应产生针状钙矾石,从而起到进一步增强磷石膏稳定红黏土强度的作用。而水玻璃作为稳定剂加入混合料中，水玻璃能迅速与红黏土中的Ca²⁺形成胶凝结构，凝胶物质能较好的填充混合料内的孔隙，阻止水分进入；同时其本身具有的粘结作用，能使混合料颗粒更好的胶结在一起，提高混合料的水稳定性。

本发明的产品克服了本领域公知认为红黏土不能应用于公路工程中的技术偏见，通过加入较少含量的水泥和磷石膏，即可使得红黏土路基材料的性能得到极大的改善，本发明的产品不但能够解决红黏土路基的工程问题,还能够解决磷石膏堆存量不断扩大、利用率不足、占用土地资源、严重污染环境的问题,符合我国正在实施的可持续发展战略方针,具有极大的社会及经济效益和广阔的应用前景。本发明配方合理,制备方法简单,成品具有较好强度、刚度、水稳定性以及良好的路用性能,适用于红黏土地区公路建设。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明的实施例1

A:将磷石膏、红黏土破碎成颗粒状并过2mm筛备用，算出混合料与水的质量配合比为1：0.135；

B:混合下材料按质量百分比9％,87％取磷石膏、红黏土在常温条件下拌和均匀，得到产品A；

C:将产品A与总量97％的预加水在常温条件下搅拌均匀，用保鲜膜密封一昼夜，得到产品B。该工艺步骤目的是使含水率能充分均匀，使产品A里所有混合料都能达到预期含水率，从而满足路基材料强度要求。在此之前，将磷石膏、红黏土的含水率控制在较低含量，一者便于破碎成为小颗粒，二者在步骤C中加水搅拌后，颗粒的含水率均匀；

D:在制样的前一个小时内将混合下材料质量百分比为4％水泥与混合下材料总质量15％的水玻璃溶解在剩余的3％预留热水中搅拌均匀，得到产品C；

E:将产品B与产品C混合，在常温条件下搅拌均匀，得到产品D，将D以90％、93％、94％、96％四种压实度静力压制成型，采用高50mm，直径50mm的试模成型，放入养护箱中养护，养护温度设定为20±2℃，湿度≥95％，养护时间为6天，然后浸水1天，得到产品E，即磷石膏稳定红黏土路基材料成品。

产品E所测得的无侧限抗压强度值为0.46MPa、0.82MPa、0.61MPa和0.82MPa。为便于比较，除不加水玻璃，其余步骤一致制作混合料，标准养护7天测其无侧限强度为0.81MPa、0.96MPa、0.97MPa和1.21MPa。

本发明的实施例2

A:将磷石膏、红黏土破碎成颗粒状备用，其中磷石膏与红黏土粒径不大于2mm。算出混合料与水的质量配合比为1：0.149；

B:混合下材料按质量百分比15％,79％取磷石膏、红黏土在常温条件下拌和均匀，得到产品A；

D:在制样的前一个小时内将混合下材料质量百分比为6％水泥与混合下材料总质量15％的水玻璃溶解在剩余的3％预留热水中搅拌均匀，得到产品C；

产品E所测得的无侧限抗压强度值为0.71MPa、0.87MPa、0.82MPa和1.02MPa。为便于比较，除不加水玻璃，其余步骤一致制作混合料，标准养护7天测其无侧限强度为0.99MPa、1.04MPa、1.09MPa和1.40MPa。

本发明的实施例3

A:将磷石膏、红黏土破碎成颗粒状备用，其中磷石膏与红黏土粒径不大于2mm。算出混合料与水的质量配合比为1：0.168；

B:混合下材料按质量百分比18％,74％取磷石膏、红黏土在常温条件下拌和均匀，得到产品A；

D:在制样的前一个小时内将混合下材料质量百分比为8％水泥与混合下材料总质量15％的水玻璃溶解在剩余的3％预留热水中搅拌均匀，得到产品C；

产品E所测得的无侧限抗压强度值为0.87MPa、1.07MPa、1.12MPa和1.27MPa。为便于比较，除不加水玻璃，其余步骤一致制作混合料，标准养护7天测其无侧限强度为1.09MPa、1.18MPa、1.27MPa和1.46MPa。

下表1和2即为对实施例1-3的参数数据表

表1实施例1-3的配比数据表

表2实施例1-3无侧限数据表

表3性能对比

由表3可知，实施例1、实施例2和实施例3制备得到的磷石膏稳定红黏土路基材料比素红黏土7天强度有大幅增加，改良效果良好。

根据公路路面基层施工细则(JTGT F20-2015)规定，二级及以下公路中、轻交通用作底基层的水泥稳定材料7d强度应不小于1MPa,因此实际工程应用时，若水泥用量为4％，则推荐压实度为96％；若水泥用量为6％，则推荐压实度为93％以上；水泥用量为8％时，则压实度为90％以上即可。

整个技术方案中，各原料用量的确认

水泥用量

水泥的剂量确定，由《公路路面基层施工技术细则》(JTGT F20-2015)中水泥稳定材料推荐试剂剂量确定。具体详见表4。

表4水泥稳定材料推荐试剂

由于《公路路面基层施工技术细则》对水泥稳定材料的水泥剂量进行了规定，对用于底基层，塑性指数大于12的土来说，推荐水泥的用量为6％-14％，考虑到节约水泥，节约工程造价并大量利用磷石膏的原则，水泥的取值不宜过大，故将水泥剂量范围初定为4％～8％。

水玻璃用量：

根据查阅文献，使用水玻璃作为稳定剂加入混合料中。水玻璃能迅速与红粘土中的Ca²⁺形成胶凝结构，凝胶物质能较好的填充混合料内的孔隙，阻止水分进入。同时其本身具有的粘结作用，能使混合料颗粒更好的胶结在一起，提高混合料的水稳定性。

选定水玻璃的掺入量为5％、10％、15％，试样在养护箱中养护6天后，浸水1天，进行无侧限试验。水玻璃的掺量为占混合料总质量的百分比，试验配比见表5。

水玻璃的掺入量为5％的试样浸水后，全部泡散。水玻璃的掺入量为10％的试样浸水后，水泥掺量为4％、6％的试样泡散。水玻璃的掺入量为15％的试样浸水后，试样完好。由于10％的水玻璃掺量大部分试样均破坏，而15％以上掺量成本太高，故水玻璃掺量选取15％。

以上实施例中，所用的磷石膏的粒径不大于2.0mm，放射性及有害物质均应在规定范围内，磷石膏烘干至1％含水率备用；红黏土应不含杂质，粒径不大于2.0mm，红黏土应烘干至3％含水率备用；水泥的粒径不大于2.0mm，且为普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O32.5；水玻璃为液态，密度为50Be，模数为2.25。

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，试样采用静力法压制成型，而规范中指明，无侧限试验各掺合料粒径均应小于等于2mm。

市场上常见的普通硅酸盐水泥有PO.32.5与PO.42.5。而从最大限度降低工程造价目的考量下，本产品优先选用PO.32.5。

Claims

1.一种磷石膏稳定红黏土路基材料，其特征在于：混合下材料按质量百分比计为：水泥4％～8％，磷石膏9％～18％,红黏土74％～87％；另含混合下材料总质量15％的水玻璃。

2.根据权利要求1所述的磷石膏稳定红黏土路基材料，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O32.5。

3.根据权利要求1所述的磷石膏稳定红黏土路基材料，其特征在于：所述磷石膏的粒径≤2.0mm，含水率为1％。

4.根据权利要求1所述的磷石膏稳定红黏土路基材料，其特征在于：所述红黏土的粒径≤2.0mm，含水率为3％。

5.根据权利要求1所述的磷石膏稳定红黏土路基材料，其特征在于：所述水玻璃为液态，密度为50Be，模数为2.25。

6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的磷石膏稳定红黏土路基材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的磷石膏稳定红黏土路基材料的制备方法，其特征在于：所述磷石膏使用前应烘干至1％含水率备用；所述红黏土应烘干至3％含水率备用。