磷石膏在道路工程应用的研究现状

谭明洋，相利学，李国龙

(1 金正大生态工程集团股份有限公司，复合肥料国家地方联合工程研究中心，山东　临沂　276700；2 金正大诺泰尔化学有限公司，贵州　瓮安　550400)



磷石膏在道路工程应用的研究现状

谭明洋1,2，相利学1,2，李国龙1,2

(1 金正大生态工程集团股份有限公司，复合肥料国家地方联合工程研究中心，山东临沂276700；2 金正大诺泰尔化学有限公司，贵州瓮安550400)

磷石膏的堆存问题由来已久，至今仍未得到有效利用，将磷石膏用于道路工程建设中不仅可以消耗大量磷石膏，而且能够降低道路建设成本，同时缓解了环境压力。磷石膏在道路工程中应用的研究主要包括在路面基层材料中的应用和道路沥青中的应用两个方面。概述了磷石膏在道路工程中应用的研究现状，认为磷石膏在路面基层材料和沥青中应用的理论研究尚不足，此外，应充分考虑磷石膏的添加对路面基层材料和道路沥青各方面的影响，不能顾此失彼。

磷石膏；道路工程；研究现状

近年来，交通运输业高速发展，不仅运输量大幅度增长，而且汽车载重也在不断增加，这对道路建设提出了更高的要求，相应的公路造价也大幅度提高，如何降低成本而又不损害道路质量成为研究热点之一。

磷石膏是磷化工企业湿法磷酸生产过程中用硫酸分解磷矿时产生的固体废渣。由于磷石膏有害杂质多、净化成本高，其有效利用成为了行业难题，大量磷石膏的堆存已产生了严重的环境问题。若将磷石膏用于道路建设中，不仅可以大量消耗磷石膏，而且能够大幅度的降低道路的建造成本，具有显著的社会效益和经济效益。目前，对磷石膏在道路工程中应用的研究主要包括在路面基层材料中的应用和沥青中的应用两个方面。

1　磷石膏在路面基层材料中的应用

基层是位于路面面层下、路基土层上，间接承受路面荷载并传递应力的功能层。水泥稳定粒料和二灰粒料(石灰和粉煤灰)是两种典型的也是常用的半刚性基层材料，磷石膏在路面基层材料中的应用主要是指在二灰粒料中的应用，因为磷石膏对水泥有较强的缓凝作用，会影响铺设道路的早期强度，因此不适用于水泥稳定粒料中[1]。

郝强东等[2]研究发现随着磷石膏在二灰类基层材料中掺量的掺加，混合料最大干密度增加，强度提高，最佳掺量在50%左右。同时认为，磷石膏之所以能够提高二灰类路基材料强度，特别是早期强度的原因在于磷石膏的主要成分是硫酸钙，可激活粉煤灰的活性，加速石灰、粉煤灰的火山灰反应，并产生针状钙矾石(AFt)，进一步起到了增强作用。

瓦浩等[3]采用粉煤灰、磷石膏、磷渣等工业废渣，通过合理的配合比设计，配制出性能满足要求的路面基层材料，并可替代水泥稳定土、二灰稳定土铺筑路面。认为，磷石膏不仅加速了二灰的火山灰反应，而且改善了孔结构，同时由于生成钙矾石，其干缩率降低。

此外，根据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，除了考虑磷石膏掺入基层材料后对其强度的影响，还应该进行水稳性能试验和抗冲刷试验等。磷石膏在二灰中的添加量能到50%，将大量磷石膏应用于道路填料必须考虑其耐久性的问题，因为磷石膏及其制品的水稳定性差，具有较强的吸水性，遇水而变软，强度大幅度降低，因此未经处理不能用于路基材料。试验证明，配合一定的固化剂可以使磷石膏更好的满足甚至超过公路路基设计对路基填料的要求[4]。

2　磷石膏在沥青中的应用

目前，对磷石膏在沥青中应用的研究较少，若将磷石膏经过适当的处理，或经过转晶工艺制备成石膏晶须，即可在沥青中得到较好的应用。从国内外研究现状来看石膏(石膏晶须)在沥青中的应用主要有两个方面，一是用作沥青混合料的填料，二是用于沥青的改性，均以石膏晶须的应用为主。

2.1用作沥青混合填料

用于沥青混合料充填料的石膏分为两种，一是石膏晶须，二是工业石膏。作为填料主要影响的是沥青混合料的马歇尔性能、高温抗车辙能力等。

石膏晶须是造纸、橡胶等行业常用的填料之一，主要起到密实和增强的作用。检测的结果表明，以硫酸钙晶须替代石棉及木质纤维制备的沥青玛蹄脂碎石混合料，其抗高温车辙能力提高50%～60%[5]。

工业石膏，即化学石膏，年产量大，而且污染环境。Kütüksert T 等[6]将硼石膏用于热混沥青混凝土，发现其马歇尔性能稳定，而且作为沥青填料可以提高路基下面层对重交通工具的承重能力。

Koga C等[7]研究了废弃石膏板煅后的再生石膏用作沥青混合料充填料对沥青混合料机械性能的影响，并对其可行性进行了评估，发现将该再生石膏100%的取代填料具有一定的可行性，而且无重金属溶出。

以上研究可以看出，石膏作为填料主要利用应用的是其物理性能，掺量一般在20%左右，将磷石膏用于沥青混合料充填料是大量利用固废的途径之一。但是，硫酸钙晶须虽然提高了沥青混合料的强度，但提升幅度较小，与预期目标相差较远。这是因为硫酸钙晶须存在易脆、高温脱水的特点，再结合对硫酸钙晶须在沥青混合料中的应用工艺以及沥青混合料级配设计等方面的原因，导致其补强能力不足[8]。

2.2用作沥青改性剂

沥青改性剂主要包括：填料及填充料、聚合物、有机烃类、抗剥落剂、抗氧化剂、纤维等，其中聚合物是目前应用和研究得最为广泛的改性剂。用于沥青改性的石膏主要是石膏晶须(CSW)，硫酸钙晶须是微纤维状单晶体，具有颗粒状填料的粒度和短纤维填料的长径比。

软化点、针入度、延度是衡量沥青基本性能的常用技术指标。软化点直接反映沥青的高温性能，一般认为软化点高，其高温稳定性好；针入度是反映沥青稠度的重要指标，针入度越小，沥青的稠度越大；延度用于表征沥青的柔韧性，延度越大，沥青的柔韧性越好。当然，评价沥青改性效果的指标，除这三个常规指标外，还有：动态剪切、弯曲梁、疲劳老化、抗水剥落等指标。

田泽峰等[9-10]研究了CSW改性沥青的基本性能，发现CSW明显提高了沥青的稠度和软化点温度，对其延度也有一定的影响。硫酸钙晶须可以明显的改善沥青的高、低温性能和感温性能，作用效果与其掺量密切相关，硫酸钙晶须的适宜添加量为5%～9%。

冷中成等[11]通过试验研究，结合公路沥青道路施工的要求，发现添加20%SEAM和15%的石膏晶须改性的沥青的针入度、软化点和15℃延度均满足国家规范要求，能大大改善沥青的温变性能、提高抗压抗裂及水稳定性能，同时可大大降低生产成本。

王修山[12]发现加入硫酸钙晶须改性的高模量沥青混合料，可以在保证混合料低温性能不受影响的情况下显著提高其高温稳定性、水稳性和抗疲劳性等，从而可以解决道路上常见的的车辙，水损等病害，保证道路具有良好的路用性能。

此外，为了提高硫酸钙晶须的应用性能，可以对其进行改性处理，马继红等[13]将经硅烷偶联剂KH-550处理过的改性硫酸钙晶须，加入量为沥青重量的3%。发现改性硫酸钙晶须与沥青相容性好，不仅可以改善沥青的性能(软化点提高，针入度下降)，同时由于硫酸钙晶须性能稳定、无毒无害，所以使用特别安全。

以上研究可以看出，石膏晶须作为无机材料用作改性沥青的添加剂对沥青的性能具有一定的促进作用，相比目前使用较多的SBS、PE等热塑性材料不仅在价格上具有较大的优势，而且制备简单、来源广。但从目前研究来看，CSW的添加量不高，一般小于10%[14]。

3　结　论

(1)磷石膏作为一种潜在的二次资源，经过适当的处理，其在道路工程中具有广阔的应用前景，同时缓解了其堆存对环境造成的压力。

(2)应深入磷石膏在路面基层材料和沥青中应用的作用机理的研究，为磷石膏在道路工程中的推广应用奠定理论基础。

(3)道路质量和安全至关重要，将磷石膏用于道路工程必须充分考虑其对基层材料或沥青各方面的影响，不能因提高了单方面的性能而导致整体性能下降。

[1]董满生,凌天清,罗蓉. 磷石膏在公路工程中的应用[A].第四届国际道路和机场路面技术大会[C].2002.

[2]郝东强. 沥青路面半刚性基层结构研究[D]. 武汉:武汉理工大学,2004.

[3]瓦浩. 磷渣(磷石膏)路面基层材料的应用研究[D]. 重庆:重庆交通大学,2008.

[4]李章锋. 磷石膏改良土用作路基及基层填料的试验研究[D]. 成都:西南交通大学,2007.

[5]师存杰,张兴儒,郭祖鹏,等. 硫酸钙晶须的制备及其应用进展[J]. 当代化工,2010, 39(4):436-438.

[6]Kütüksert T, Kütük S. Physical and Marshall Properties of Borogypsum Used as Filler Aggregate in Asphalt Concrete[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2013, 25(2):266-273.

[7]Koga C, Sato K, Fujikawa T, et al. Appcability to Asphalt Mixture Filler Materials of the Reproduction Gypsum[J].Journal of Pavement Engineering Jsce, 2013, 69(3):95-100.

[8]李军代. 硫酸钙晶须在沥青路面应用的系统性研究[J]. 华东交通大学学报, 2013(06):72-77.

[9]田泽峰,韩跃新,印万忠. CaSO4晶须改善沥青的基本性能[J]. 有色矿业,2004,20(S1): 58-60.

[10]田泽峰,陈晓龙,韩跃新,等. CaSO4晶须改性沥青及其混合料的路用性能研究[A].第三届全国选矿专业学术年会[C].2006.

[11]冷中成,杨阳,王强,等. SEAM和石膏晶须改性沥青的应用研究[J]. 中国科技论文, 2013, 8(9):920-923.

[12]王修山. 硫酸钙晶须高模量沥青混凝土的路用性能[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2011(06):1331-1334.

[13]马继红,冯传清. 硫酸钙晶须在道路改性沥青中的应用研究(Ⅰ)[J]. 石油沥青, 2005, 19(6):21-24.

[14]孙德亮. 石膏晶须改性沥青混合料路用性能试验评价[J]. 交通世界:建养机械, 2013(9):104-106.

Research Status on Application of Phosphogypsum in Road Engineering

TANMing-yang1,2,XIANGLi-xue1,2,LIGuo-long1,2

(1 Shandong Kingenta Ecological Engineering Co., Ltd., National Engineering Research Center for Compound Fertilizer, Shandong Linyi 276700;2 Kingenta Norsterra Chemical Co., Ltd., Guizhou Weng’an 550400, China)

Phosphogypsum stacking problem has existed for a long time, and it has not yet been used up effectively. Phosphogypsum for road construction can consume a large amount of phosphogypsum, and reduce the cost of road construction, at the same time, ease the environmental pressure. The application of phosphogypsum in road base materials and road asphalt are the main aspects in road engineering. The research status of the application of phosphogypsum in road base material and road asphalt was summarized, it proposed that theoretical research was still insufficient, in addition, all the effects on performances should be considered when phosphogypsum was used in road construction.

phosphogypsum; road base materials; road asphalt; research status

谭明洋(1989-)，男，研发工程师，主要从事磷石膏资源化工利用研究。

TQ11

A

1001-9677(2016)08-0037-02