磷石膏作為土壤調理劑在路基工程中的應用

何俊輝

摘要 水泥和石灰作為傳統(tǒng)道路建筑材料在生產(chǎn)和使用中具有高能耗和高耗能的特點，不宜應用于為實現(xiàn)“雙碳”目標構建的循環(huán)經(jīng)濟體系。由于道路工程對原材料的需求仍然很高，現(xiàn)代施工工藝已能將磷石膏作為水泥和石灰的替代料，以解決道路建設中傳統(tǒng)材料成本過高的問題，同時也能擴大其在工業(yè)生產(chǎn)中的應用規(guī)模。文章介紹了磷石膏的基本特征，及磷石膏作為土壤調理劑對膨脹土、粉質土、軟土、紅黏土和黃土進行加固，應用于路基工程的關鍵技術。

關鍵詞 磷石膏；土壤調理劑；路基工程

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0099-03

0 引言

中國國內基礎設施建設目前處于多元化發(fā)展階段，水泥和石灰具有優(yōu)異的凝固效果，作為傳統(tǒng)的土壤路基穩(wěn)定劑，廣泛應用于道路工程中[1]。然而，水泥和石灰石的生產(chǎn)需要消耗大量天然原材料，生產(chǎn)過程中會排放大量有害物質，如二氧化碳、三氧化硫和氮氧化物[2]。隨著我國環(huán)境保護力度的不斷加大，許多礦山已被禁止開采，造成了水泥和石灰等原材料價格大幅上漲，導致基礎設施建設成本攀升。為降低道路建設成本和保護生態(tài)環(huán)境，需要探索利用工業(yè)廢棄物替代水泥和石灰作為土壤路基穩(wěn)定劑的施工工藝。將工業(yè)副產(chǎn)物磷石膏作為土壤改良劑，用于土壤加固和地面改善等具有一定的經(jīng)濟效益，符合可持續(xù)發(fā)展理念，已經(jīng)成為人們關注的焦點。

1 磷石膏的基本特征

磷石膏呈灰白、灰黃、淺綠等粉狀，是工業(yè)濕法生產(chǎn)磷酸和磷酸鹽的副產(chǎn)物。磷石膏的化學成分與天然石膏相似，主要為二水硫酸鈣，只是磷石膏中還含有一些雜質如氟化物和磷化物等，在從半水石膏轉化為二水石膏的過程中，通過初始期、誘導期、加速期和減速期，半水石膏溶解，二水石膏晶體持續(xù)長大，最終出現(xiàn)石膏結塊硬化現(xiàn)象。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，全球磷石膏年產(chǎn)量逐年上升，中國磷石膏產(chǎn)量每年超過5.0×107 t，具有以堆積存放為主和利用率低的特點[3]。全球磷石膏的利用率很低，大部分副產(chǎn)品磷石膏基本都放在堆場或者直接丟棄，副產(chǎn)品磷石膏直接廢棄，不僅造成資源浪費，還會造成環(huán)境污染。為了提供一種可持續(xù)的廢石膏再利用方法，人們進行了許多研究，探索副產(chǎn)物石膏在多項工程中的回收利用。石膏在第一次世界大戰(zhàn)的后期被德國萊維爾庫申的拜耳工廠為原材料首次成功生產(chǎn)硫酸和水泥，之后工業(yè)副產(chǎn)物磷石膏也被用于替代石膏原料生產(chǎn)相關產(chǎn)品[4]。1980年，美國學者第一次利用磷石膏改善黏土，應用于道路工程研究中。分析結果表明磷石膏與土壤混合后具有穩(wěn)定的結構。但是大量的磷石膏表現(xiàn)出對土壤的抗壓和抗水效果較差，在路基中過量使用磷石膏會導致路面膨脹而形成裂縫，因此需要開發(fā)多樣化的磷石膏利用工藝以滿足道路施工需求。

使用工業(yè)廢料作為路基的潛在穩(wěn)定劑具有成本效益。磷石膏是湖北、云南、貴州、四川和安徽五省大量產(chǎn)生的工業(yè)廢物，在我國很容易獲得?，F(xiàn)已探索使用大量磷石膏廢料作為潛在各種土壤路基改良劑，開發(fā)了一系列由不同比例磷石膏、石灰、粉煤灰和堿性氧氣爐渣等混合而成的復合材料作為改良劑，但由于未經(jīng)處理的磷石膏存在氟、磷、有機質和放射性核元素等成分，使用未經(jīng)處理的磷石膏作為改良劑，將會最終影響路基的巖土性能和微觀結構。用處理后的磷石膏、粉煤灰和堿性氧氣爐渣等作為土壤穩(wěn)定劑，其在與土壤結合過程中主要是與各種硅酸鈣、硅酸鎂、硅酸鈣水合物和鋁酸鈣水合物的形成有關，使土壤的壓實特性、一致性、強度、變形性、壓縮性、剪切特性、膨脹特性和耐久性得到改善，穩(wěn)定后的土壤滿足道路路基的規(guī)范。使用工業(yè)副產(chǎn)物磷石膏作為土壤改良劑，不僅可以改善土壤的工程性能，還能提供應對磷石膏處置和環(huán)境污染的解決方案。

2 磷石膏作為不同種類土壤調理劑

長期大量堆放的磷石膏不僅占用寶貴的土地資源，還會對土地、地下水、河流、大氣等造成大量污染，最終危害人類健康，因此提高磷石膏的綜合利用迫在眉睫。隨著綜合利用工藝的發(fā)展，利用現(xiàn)有的工藝設備作為支撐，已有大量的研究和應用將磷石膏作為路基土壤改良劑，使改良后的土壤達到工程要求。磷石膏對不同土質的增強效果差異很大，在施工時應注意磷石膏施工技術對土層的適用性，采用正確的加固土強度試驗方法才能對磷石膏調理效果進行正確評價。接下來介紹磷石膏作為土壤調理劑對膨脹土、粉質土、軟土、紅黏土和黃土進行加固，及在路基工程中的應用。

2.1 磷石膏作為膨脹土土壤調理劑

膨脹土親水性很強且對環(huán)境濕熱變化非常敏感，其遇水膨脹和失水收縮，因此膨脹土具有黏土礦物收縮膨脹的特性。如果在道路工程中處理不當，將對道路造成巨大的破壞，因而其在自然形態(tài)下直接應用于道路工程，將存在一定的問題[5]。為保證膨脹土路基具有足夠的剛度，可以使用許多材料和技術來穩(wěn)定土壤，使膨脹土更適用于道路施工，具體的方法為在膨脹土路基頂部鋪設一定層厚的非膨脹性填料，從而滿足路面對路基的剛度要求。目前已開發(fā)了將磷石膏作為膨脹土穩(wěn)定的添加劑和技術，系統(tǒng)探討了它們在改善膨脹土工程性能方面的效率，研究了磷石膏與膨脹土微觀結構、相互作用和化學過程。

馮巧云[6]研究了在膨脹土中加入適量的磷石膏和電石渣可以有效地增加膨脹土的加州承載比，達到改善膨脹土力學性能的目的，使路基膨脹土具有足夠的剛度。在磷石膏和電石渣同時加入膨脹土時，可對膨脹土進行復合改良。磷石膏和電石渣的初期水解和水化反應會有部分硅酸鈣和鈣礬石生成，后期水分子蒸發(fā)出現(xiàn)結晶現(xiàn)象，并伴隨出現(xiàn)棒狀晶體，黏土顆粒間生成新的黏結力，晶體與土顆粒相互楔入，達到提高膨脹土抵抗承載變形能力的目的。

2.2 磷石膏作為粉質土土壤調理劑

粉質土粒組中因含有較多的粉粒而呈現(xiàn)出干燥時極易散落、潮濕時略帶有黏性、不能搓成土條或土球等特點，并且表現(xiàn)為水穩(wěn)定性差和顆粒間摩擦力小，不是理想的路基填料[7]。在施工工程中粉質土還具有強度低、級配差和荷載差等特點。粉質土路基灑水后因地震液化性而出現(xiàn)水坑，給施工帶來諸多不便。目前已有將水泥等材料作為粉質土路基改良劑，增加路基的強度和承載比，保證工程質量。通過開發(fā)磷石膏等為土壤穩(wěn)定技術的調理劑，改善粉質土的物理力學性質，提高其承載能力，使粉質土適用于路基工程，不僅能保證工程質量，還可以降低工程造價。

Haoming Ren等[8]研究人員在施工現(xiàn)場用磷石膏作為粉質土調理劑進行研究，并且同時建立了含有固化劑但不含磷石膏的實驗組。通過電子掃描顯微鏡等儀器觀察微觀結構和定量分析，添加磷石膏可以顯著改善固化粉質土的壓縮模量，7～14 d是最合適的養(yǎng)護時間，在第14 d壓縮模量達到最大值，14 d之后壓縮模量為下降階段。通過添加磷石膏代替部分固化劑，可以降低工程成本，是土壤改良的發(fā)展方向之一。磷石膏穩(wěn)定土能夠形成良好的板體，通過設計滿足工程要求，成功使磷石膏變廢為寶。

2.3 磷石膏作為軟土土壤調理劑

軟土在我國分布廣泛，是我國最常見的土壤之一，主要位于沿海、沖積平原、洼地等地帶[9]。軟土中富含有機物并具有蜂窩狀結構，具有較大的孔隙率、較高的含水率、壓縮性大和抗剪強度低等特點，因此在軟土層會對道路的修建產(chǎn)生影響，處理不當會造成過量沉降或路基失穩(wěn)，需要對軟土層進行處理才能保證道路工程的質量[10]。現(xiàn)已有研究將磷石膏用于加固軟土地基，此技術具有顯著的經(jīng)濟、技術和環(huán)境效益，并且當磷石膏和水泥等材料配合使用時，不但拓寬了技術適用的土質范圍，而且可大幅度提高加固土的強度，具有更廣闊的實用性和適用性。

李玉壽[11]研究人員針對軟土路基常存在剝落、崩塌、滑坡、沉落和凍脹等病害，對含有有機質含量較高和較低的軟土分別加入磷石膏、粉煤灰和同時加入磷石膏與粉煤灰。通過實驗發(fā)現(xiàn)在有機質含量較高的軟土中磷石膏和粉煤灰復合加固效果最好，磷石膏作用強于粉煤灰；有機質含量較低的軟土中磷石膏和粉煤灰復合加固效果最好，粉煤灰作用強于磷石膏。對于有機質含量較高的軟土路基，需要采用適當比例的磷石膏、粉煤灰和水泥才能取得較好的加固作用，具有顯著的技術經(jīng)濟效益。

2.4 磷石膏作為紅黏土土壤調理劑

紅黏土在我國黃河以北地區(qū)分布廣泛，具有承載、抗壓和抗剪能力強的特性。紅黏土具有高天然含水量和高液限等物理性質，因此用于路基時將造成高裂隙性、高收縮率和高水敏性等不良特征。紅黏土路基同時還具有壓實困難和干縮開裂嚴重的特點，在開挖與攤鋪過程中易黏附在車輛和壓路機上，這些都將影響紅黏土在公路工程中的應用，必須采取一定的技術措施對紅黏土進行處治后才能應用于公路工程中，使其具有一定的強度和承載力，從而可以保證路基的穩(wěn)定性和使用質量。有研究表明，紅黏土的液塑限和含水率隨著分布深度增大而增加，從而具有水敏性的特征，含水率較低容易出現(xiàn)開裂，含水率太高又容易泥化，為了使其在路基工程中得以應用，須將紅黏土作為路基填料需要對其進行改良[12]。有研究將磷石膏應用于紅黏土調理劑，改良后的紅黏土具有較好的剛度、水穩(wěn)定性、強度和路用性能，此技術不僅可以改善紅黏土不宜作為路基材料的工程性質，還能解決磷石膏堆放帶來的土地占地和環(huán)境污染等問題。

陳開圣等[13]研究人員針對在紅黏土中加入磷石膏等材料后的穩(wěn)定料作為路基填料理論上可行，系統(tǒng)研究了混合料基本性能、抗壓強度、水穩(wěn)性、動力特性、承載能力和微觀結構。通過實驗發(fā)現(xiàn)混合料強度隨磷石膏含量增加先增大后減小，混合料水穩(wěn)性隨磷石膏含量增加而增大，加入適量外加劑比如水泥等能與混合料發(fā)生反應，在其表面形成板面，將降低混合路基填料的滲水性和增加其水穩(wěn)定性。楊德忠等[14]研究人員針對磷石膏資源浪費和紅黏土工程特性問題，建議磷石膏和紅黏土使用比例為1∶1，水泥用量和水玻璃摻量分別為4%和2%，此方案同時滿足減少水泥用量和增加磷石膏摻量的目的，并且能夠達到路基對水穩(wěn)定性和強度的要求。

2.5 磷石膏作為黃土土壤調理劑

我國幅員遼闊，地理和氣候差異大，黃土主要分布在干旱、半干旱地區(qū)。黃土是一種以粉粒為主、多孔隙、天然含水量小的黏質土，具有濕陷性、滲透性、易崩解等特性。由于黃土具有上述特性，在各種自然因素，尤其在雨水侵蝕作用下，會導致公路產(chǎn)生各種嚴重病害，并且濕陷性黃土在自然環(huán)境作用下對公路的危害更為嚴重。我國黃土的組成成分、沉積厚度、力學性質等存在地域差異，因黃土具有濕陷性，如果黃土濕陷下沉量和下沉速度過大，會導致路基沉降，因此需要對路基中原有的黃土進行改良[15]?？梢酝ㄟ^使用處理后的磷石膏加石灰的方案改善土壤的力學性能，提高土壤的強度，采用去除原有土層，然后回填的方案應用于具體路基工程中。已有研究用磷石膏改良綜合處治濕陷性黃土路基水穩(wěn)定性和抗凍穩(wěn)定性兩方面的路用性能，確保改良后的黃土在滿足強度和抗壓回彈模量標準的基礎上具有良好的路用性能。

趙蒙等[16]研究人員針對黃土具有強親水性、顆粒級配不同層位差異明顯等特性，對改良的黃土進行了較為全面和系統(tǒng)的研究。在黃土中摻入磷石膏和水泥等摻加料，系統(tǒng)研究了改良黃土的抗?jié)B性、抗凍性、微觀結構和強度特性。實驗表明磷石膏和水泥共同改良黃土的效果較好，能提高黃土的抗?jié)B性、抗壓性、抗凍性等特性，磷石膏能使水泥水化產(chǎn)物鈣礬石大量增加，改良黃土網(wǎng)狀骨架，從而提高土顆粒之間的膠結強度。結果表明此項治理技術對治理病害路基沉降效果明顯，可以解決磷石膏堆積污染問題，同時在保證工程質量的前提下促進磷石膏的綜合利用，不但可以降低工程成本，還可以取得可觀的社會和經(jīng)濟效益。

3 結語

路基作為道路的生命，發(fā)揮著非常重要的作用。我國疆域遼闊，各地情況不盡相同，存在著多種土壤種類，需要對這些土壤進行固化才能滿足路基施工要求。我國磷石膏的儲存量很大，發(fā)展磷石膏資源化利用工藝，是減少環(huán)境污染、解決企業(yè)困擾和實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然之路。將磷石膏用于穩(wěn)定不同路基土壤結構，滿足施工要求，顯著降低磷石膏的存放量?？傊?，磷石膏是路基工程建設中值得廣泛普及的二次資源，其通過適當處理后可以成為一種質優(yōu)價廉的道路施工材料，經(jīng)過合理的配合比應用可以確保道路的暢通性、安全性和使用壽命。

參考文獻

[1]郭大進， 程霞， 陳君， 等. 穩(wěn)定土中水泥或石灰劑量衰減問題的研究[J]. 公路交通科技， 2002（5）： 39-41.

[2]楊陽， 周莉人， 楊絮. 水泥生產(chǎn)工藝中新型脫硫劑的有效應用[J]. 工程技術， 2021（2）： 324-325.

[3]潘偉， 吳帥， 曾慶友. 磷石膏的資源化利用進展[J]. 云南化工， 2019（4）： 16-19.

[4]南京化工研究院一室石膏組. 國外石膏和磷石膏的利用[J]. 硫酸工業(yè)， 1973（4）： 34-43.

[5]鄭健龍， 張銳. 公路膨脹土路基變形預測與控制方法[J]. 中國公路學報， 2015（3）： 1-10.

[6]馮巧云. 電石渣-磷石膏改良膨脹土的CBR試驗研究及機理分析[J]. 中國水運， 2018（12）： 219-220.

[7]范方俠， 西丙辰. 含砂低液限粉土的施工方法及質量控制[J]. 黑龍江交通科技， 2003（7）： 42-43.

[8]Haoming Ren， Wenbai Liu. Application of Phosphogypsum to Solidification of Silty Soil： Mechanical Properties and Microstructure[J]. Mechanics of Advanced Materials and Structures， 2021（27）： 6026-6038.

[9]高國瑞， 韓愛民. 論中國區(qū)域性土的分布和巖土性質的形成[J]. 巖土工程學報， 2005（5）： 511-515.

[10]王慧波. 道路施工技術中軟基施工加固技術的應用[J]. 河南建材， 2018（6）： 60-63.

[11]李玉壽. 粉煤灰在軟土地基加固中的應用研究[J]. 粉煤灰綜合利用， 2002（3）： 12-14.

[12]談云志， 王媛， 占少虎， 等. 納米氧化硅充填紅黏土團粒內孔隙的收縮響應[J]. 巖土力學， 2022（2）： 358-364.

[13]陳開圣. 磷石膏水泥穩(wěn)定紅黏土路用性能及微觀結構研究[D]. 貴州：貴州大學， 2022： 94-95.

[14]楊德忠， 陳開圣， 李強. 高摻量磷石膏穩(wěn)定紅黏土路用性能研究[J]. 中外公路， 2022（4）： 185-191.

[15]苑偉娜， 范文， 鄧龍勝， 等. 黃土顆粒結構特征及其對剪切行為的影響[J]. 工程地質學報， 2021（3）： 871-878.

[16]趙蒙. 既有鐵路路基黃土振陷病害成因機制與治理研究[D]. 成都：成都理工大學， 2021： 150-199.