磷石膏水泥

1 绪论 .............................................................................................................................................. 1

1.1 选题背景及意义 . ............................................................................................................... 1

1.1.1选题背景 . ................................................................................................................. 1

1.1.2 选题意义 . ................................................................................................................ 2

1.2磷石膏 . ................................................................................................................................ 2

1.2.1磷石膏的生产 . ......................................................................................................... 2

1.2.2磷石膏的形态 . ......................................................................................................... 2

1.2.3磷石膏的晶型 . ......................................................................................................... 3

1.2.4磷石膏中的杂质 . ..................................................................................................... 4

1.2.5杂质对磷石膏的影响 . ............................................................................................. 4

1.3 磷石膏利用现状 . ............................................................................................................... 5

1.3.1磷石膏在建筑领域中的应用 . ................................................................................. 5

1.3.2其他领域利用 . ......................................................................................................... 7

1.4磷石膏综合利用存在的问题 . ............................................................................................ 8

1.5 粉煤灰的产生及危害 . ....................................................................................................... 9

1.6 国内外粉煤灰综合利用[23] ............................................................................................... 9

1.6.1粉煤灰利用项目种类和途径 . ................................................................................. 9

1.6.2粉煤灰综合利用研究新进展 . ............................................................................... 10

1.6.3粉煤灰开发利用过程中存在的问题 .................................................................... 11

1.7 路面结构及我国路基材料现状 . ..................................................................................... 11

1.7.1路面结构 . ............................................................................................................... 11

1.7.2我国路基材料现状 . ............................................................................................... 12

1.8 本文主要工作 . ................................................................................................................. 12

1.8.1本文主要研究内容 . ............................................................................................... 12

1.8.2 预期目标 . .............................................................................................................. 13

参考文献......................................................................................................................................... 14

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.1.1选题背景

磷石膏是生产磷酸时排出的一种工业副产物，用湿法制备磷酸产生的废渣其主要的成分是与天然石膏物理性质相类似的二水石膏。目前，全球每年达2.8亿吨的磷石膏排放量，而随着我国磷肥行业的快速发展，磷石膏近年排放量也已达5000万吨左右，占全球石膏排放量的18%，其中得到利用的只有900～1000万吨，达20%左右，利用率相当低。[1]

磷石膏的处理及综合利用目前还比较困难，国内对磷石膏的开发主要是做建材和水泥缓凝剂，年利用率还不到产生量的10％。据报道，近几年来，随着产能的大幅度增加，甘肃瓮福化工公司每年副产的磷石膏已经达到100万吨以上。如此大量的磷石膏只能露天堆放，对环境造成严重破坏。

粉煤灰在外省已成为有市场价值的资源，在我省有效利用率却很低。据省经委有关人士介绍，我省粉煤灰的综合利用领域比较狭窄，仅应用于水泥、新型墙体材料方面。日积月累，目前全省已有１亿吨的粉煤灰被白白抛弃。我省是全国燃煤电厂多、粉煤灰产生量大的省份之一，有火电企业25家。 这些火电企业每年产生约220余万吨粉煤灰，除120万吨被水泥、新型建材制品企业综合利用外，其余百余万吨粉煤灰被堆放在露天堆灰场。大量堆积的粉煤灰有两大危害：一是污染环境，每遇恶劣天气，就成为空气严重污染的重要源头，同时对地下水源造成污染隐患；二是增加了电厂成本。

综上所述，为了保护环境，保护资源，提高我省磷石膏、粉煤灰的利用率，必须开发新的利用途径。本文以此为基础，研究利用磷石膏，粉煤灰做路面基层材料，这样便有效提高磷石膏，粉煤灰的利用率，解决堆放占地，环境污染等问题，节约成本，降低工程造价。

中广网兰州2011年11月29日消息称甘肃省政府下发《甘肃省“十二五”综合交通发展规划》，规划提出，今后五年甘肃省将以建成西北最重要综合运输枢纽为目标，努力建设“一横六纵”7条综合运输大通道，实现交通运输跨越式发展。“十二五”末实现公路通车里程13万公里以上，新建高速公路1600公里

以上，实现高速公路通车里程3600公里以上，确保完成所有县城至市州政府驻地通二级及以上公路。可以说，我省的公路事业正经历一个繁荣的大发展时期，公路建设需要大量的沙，石等材料，以路面基层材料为例，普通公路基层厚度一般为40cm ，每公里需沙石材料约1.1万吨，而高等级公路基层厚度约为60cm ，每公里则需沙石材料约3.4万吨。若采用磷石膏，粉煤灰修筑路面基层，可节约大量沙、石资源，同时降低工程成本。

1.1.2 选题意义

本文主要研究以磷石膏、粉煤灰为胶凝材料体系的路面基层材料，一方面可以有效解决我省磷石膏、粉煤灰利用率低、堆放占地、环境污染等问题，降低建设成本，节省不可再生资源；另一方面正赶上我省“十二五”建设，顺应当前建设的需要。所以说，本文的研究具有明显的社会效益、经济效益及环保效益；开展以磷石膏、粉煤灰为胶凝材料体系的路面基层材料的研究，并推广应用，是十分有必要的，意义重大。

1.2磷石膏

1.2.1磷石膏的生产

磷石膏是湿法生产磷酸时产生的工业副产物。工业上湿法磷酸的生产方法有二水物法、半水-二水物法、二水-半水物法和半水物法等。由于二水物法具有对磷矿石的品位较低、对设备腐蚀性较小等优点，我国湿法磷酸生产较多采用湿法二水物法。其主要反应方程式为：

Ca 5(PO4) 3F+5H2SO 4+10H2O →5CaSO 4·2H 2O+3H3PO 4+HF

湿法二水物法制备磷酸过程中产生的磷石膏，一般为黄白、浅黄、浅灰或黑灰色的细粉状固体，呈酸性，略有异味。磷石膏主要化学成分是CaSO 4·2H 2O ，含量一般在70%以上。

1.2.2磷石膏的形态

磷石膏主要是以四种结晶形态存在：[24]

(1) 针状晶体

晶体的尺寸大小为：长80～500μm 、宽20～100μm ，厚5～10μm ，长宽比约4～5。在反应料稠度很大时，这种晶体具有悬浮倾向，在料浆脱水时呈中性。

(2) 单分散板状结晶

晶体多为平行四边形或截菱形，结晶尺寸为：长40～200μm 、宽30～150μm 、厚5～10μm 、长宽比约为1.3～1.5。湿法磷酸过滤时，这些晶体具有沿水平“层”相互堆积的倾向，从而产生不利于间隙液体移动的现象。

(3) 密实晶体

由板状晶体转化而来，当板状晶体厚度增长到几十μm 时，即形成密实晶体，它的形成条件与板状晶体相似。

(4)多晶体核晶体

是有“毛刺”的密实晶体的聚合体，其形状类似一个50～100μm 的球体，这种晶体在湿法磷酸生产时具有良好的过滤性能。

1.2.3磷石膏的晶型

根据磷石膏的晶型和杂质可将磷石膏进行分类，出现多种磷石膏的晶型是由 诸多因素共同决定的，其中最主要的因素如下[2]:

(1) 磷石膏中含有少量的氧化铝杂质，沿c 轴方向生长的二水石膏受到抑制主要是由铝杂质影响的，从而在这种情况下，晶体将形成晶核。

(2) 磷石膏出现针状的晶体和沿晶芽方向生长结晶的晶核，主要是由磷酸盐的比表面积即反应活性所决定的，其比表面积又是由反应的时间所决定的，而硫酸钙的过饱和度是在较短的时间内出现的。若硫酸钙的过饱和度低，沿c 轴方向增长的二水石膏出现增多的趋势，而且晶型还会生长成针状的; 相反，若硫酸钙的过饱和度高时，沿c 轴方向增长的二水石膏减少，晶体可能生成晶核。

(3) 有些磷石膏的晶体很薄，变薄主要是因为高浓度的P 2O 5侵蚀磷石膏，同时还会有逆反应产生。

1.2.4磷石膏中的杂质

磷石膏含水量一般较高，特别是刚生产出来的磷石膏，其含水率可达20%～40%，且呈弱酸性，pH 值在3～4，同时还有刺激性气味溢出，磷石膏陈放时间越长它的物化性能越稳定，且具有一定硬度的块状物，但干燥后的磷石膏是灰色的粉末状固体。

其中，二水石膏(CaSO4·2H 2O) 是磷石膏的主要成分，同时还含有少量的杂质。但区分磷石膏和天然石膏主要判断依据是磷石膏中是否含有某些颗粒大小不均匀的特殊杂质。尽管这些特殊的物质和杂质在磷石膏中所占的比例，相对来说是相当少的，但这含量甚微的物质将直接影响到磷石膏的整个应用。

按杂质的溶解性能，可将杂质分为两种：一是可溶性杂质；二是不溶性杂质。其中可溶性杂质主要是一些盐类或酸在过滤、洗涤过程中残留下的物质，包括：五氧化二磷、含氟化合物及其一些碱金属元素等；而不溶性杂质是由原料磷矿石引入的，大概占5%，主要包括：共晶五氧化二磷、不溶性的五氧化二磷、一些含氟的化合物及其含镁、铝等金属元素的硫酸盐和磷酸盐等[3]。

1.2.5杂质对磷石膏的影响

(1) 不溶性P 2O 5

生产磷酸用的磷矿石原料未完全被溶解，这将导致不溶性五氧化二磷存在工 业废渣磷石膏中，但可作为一种惰性填料利用，因此，危害不是很大，但会使机 械设备受到腐蚀。

(2) 可溶性P 2O 5

磷石膏的酸性(pH=3～4) 主要是因为磷石膏中含有可溶性五氧化二磷的酸性物质，它是从没有化合的磷酸中残留下来的，尽管通过多次的过滤和洗涤，但不可避免会保留部分可溶性五氧化二磷。磷石膏用于建筑业生产时，这些可溶性的五氧化二磷会引起制品表面的粉化，结构松散，进而对制品的强度及外观的光洁度等造成不良的影响。

(3) 氟

除水溶解过程中存在的碱金属或活性硅，通常氟石也是不溶于水的。在活性硅或碱金属的作用下，会生成化合物，如Na 2SiF 6化合物等，同时还会与硫酸钙反应生成硫酸，从而pH 值减小，酸性增强，其发生的主要反应方程式为：

SiF 62-+3CaSO4·2H2O →3CaF 2+SiO2+12H++3SO42-

从上式可看出，产物中的CaF 2不溶性的氟化物主要有CaF 2，Na 3AlF 6等，它们都可以作为一种惰性填料，因此危害不是很大。

(4) 其他杂质

除上述杂质外，磷石膏中还含有其它多种杂质，如铅、铜、镉、有机物、碱金属盐等。其中磷石膏制品抗水化性能差主要是由于磷石膏中的碱金属盐导致的，主要作用机理是由孔隙排出制品表面的碱金属离子随水分逐渐的蒸发而出现表面析晶的现象，这将导致磷石膏制品表面出现粉末状的物质、泛霜、强度下降等。磷石膏中除含金属杂质还有部分，对制品的影响主要是使利用磷石膏为原料的胶结材料的含水量增加。

1.3 磷石膏利用现状

磷石膏大量的堆放，不仅占用大量土地，也对堆场周围环境带来了巨大的威胁。同时，也增加了磷化肥企业的处置磷石膏的费用，不利于磷化肥行业的可持续发展。因此，国内外的相关学者就磷石膏的资源化利用问题展开了广泛的研究。目前，磷石膏已在众多行业中获得一定的利用。

1.3.1磷石膏在建筑领域中的应用

(1) 磷石膏用作水泥缓凝剂

磷石膏的主要化学成分都是CaSO 4·2H 2O ，同时含有P 2O 5、F 和有机物质等杂质[4]，这些杂质的存在一定程度上限制了磷石膏直接作为水泥缓凝剂的应用。王显斌[5]等人研究表明：由于磷石膏中含有的可溶磷和氟等杂质会延缓水泥中硅酸三钙和铝酸三钙的早期水化速度，当直接把磷石膏用作水泥缓凝剂时，会造成水泥的凝结时间延长，早期强度的降低，但是对水泥的后期强度基本没有影响。王显斌的研究结果还表明：磷石膏的来源及熟料的来源不同时，磷石膏对水泥性能的影响也会不同。此外，磷石膏的含水率较高且粒度细小，直接用于水泥易造成下料仓结块、堵塞而喂料不稳定的现象。因此，磷石膏一般需要通过一定的改性处理后才可替代天然石膏作为水泥缓凝剂。

郑建国[6]等将生石灰与磷石膏按比例混合、均化，陈化24h 以上后制成改性磷石膏。实验结果表明：加入适量的生石灰改性的磷石膏与天然石膏相比，水泥

的凝结时间变化不大，强度却略有增加。水泥与JM -Ⅲ型高效减水剂的适应性无明显的变化。

J.H.Potsieter [7]等研究表明：石灰乳液洗涤并不能有效的降低磷石膏对水泥凝结时间的延长作用，相对而言，氨水改性效果更加明显。将磷石膏与熟石灰混合粉磨可以有效的降低磷石膏对水泥凝结时间的延长作用，但是若使用生石灰则效果不明显且会明显降低水泥的抗压强度。J.H.Potgieter [8]等还将磷石膏与石灰乳液一起湿磨，发现经改性后的磷石膏完全可以取代天然石膏用作水泥缓凝剂，这主要是因为磷石膏中的可溶磷和氟在改性工艺中去除了大部分。

沈卫国[9]等在磷石膏中加入胶凝材料或者在磷石膏中加入石灰、粉煤灰，在12～15Mpa 的压力下成型获得两种磷石膏固化体，该固化体有一定的水稳性和强度，可保证喂料和计量的稳定。并且，磷石膏固化体磨制水泥的凝结时间和天然二水石膏磨制水泥的凝结时间接近，强度却有一定的提高。

潘群雄[10]等将磷石膏在730℃煅烧后，用硅酸盐水泥的缓凝剂。结果表明，高温锻烧可消除可溶磷的不良影响，可代替二水石膏作水泥缓凝剂，且有显著的增强效果。

谢燕[11]等研究了磷石膏作水泥缓凝剂与减水剂相容性的问题，结果表明：与天然石膏作为缓凝剂的水泥相比，磷石膏掺入水泥中，在水泥比表面积与SO 3含量相同的条件下，水泥凝结时间显著延长，胶砂强度变化不大；与聚羧酸减水剂、萘系减水剂、糖钙减水剂的相容性优于天然石膏；与胺基磺酸盐减水剂的相容性略差于天然石膏；与木钙减水剂的相容性差于天然石膏；磷石膏对混凝土的工作性能和强度性能无不良影响。

(2) 磷石膏制石膏粉和石膏板

石膏粉和石膏板是重要的轻质建筑材料，它的主要组成是半水硫酸钙，是将磷石膏经处理形成α-半水石膏或β-半水石膏，以此为原料可生产加工成各种建筑材料[12]。1996年山东省地质矿的科技人员研究了磷石膏制取建筑石膏、石膏粉及其制品的科研技术，并将石膏粉进一步加工成纸面石膏板、空心条板、空心砌块。

(3) 利用磷石膏生产装饰材料

利用磷石膏制成的这种新型的石膏装饰材料，抗压强度达120MPa 。这种材料在构造和装饰性能方面与天然大理石相似，并且容易磨削和切割，若掺入0.1%～0.2%的氧化铁或氧化铬等氧化物于配料中，能使材料的色彩发生变化从而

可获得各种色彩缤纷的装饰品[13]。

(4) 用作矿化剂

磷石膏作为一种复合矿化剂，掺入水泥生料中，在立窑锻烧时，可使生料中碳酸钙的分解完全，同时还可以降低出现液相量的温度，从而水泥熟料的锻烧温度降低，改善熟料矿物组成，提高水泥熟料的强度[14]。因此，在实际生产过程中通常加入氟化钙和硫酸钙作为矿化剂。而磷石膏无需经过预处理就可直接作为矿化剂来使用，因为它的主要成分是硫酸钙和氟化钙，同时还含有少量可促进游离氧化钙的吸收和硅酸三钙的形成等作用的五氧化二磷。

(5) 磷石膏用作道路建设材料

作为解决磷石膏堆存污染环境的途径之一，各国学者针对磷石膏在道路建设中的应用进行尝试与研究。吴开权[15]等将磷石膏运用于改性二灰碎石基层材料，通过室内试验和道路工程上的铺筑试验表明：经磷石膏改性的二灰碎石混合料的性能明显优于普通二灰碎石混合料，不仅减少了反射裂缝，开放交通时间也提前了，且降低了工程造价。沈卫国[16]等开发了一种石灰-粉煤灰-磷石膏路面基层材料，研究结果表明：普通的石灰、水泥和石灰-粉煤灰稳定土路面基层材料，石灰-粉煤灰-磷石膏路面基层材料拥有更高的早期强度并强度发展稳定，后期强度也更高。Parreira [17]等研究了水泥种类和掺量、养护时间和夯实压力对水泥稳定磷石膏混合料的无侧限抗压强度和线性膨胀率的影响，实验结果显示：水泥稳定磷石膏混合料可以用作路面基层或底基层材料。 Ambarish Ghosh [18]就F 等级池灰以及掺加石灰(4%、6%和10%)和磷石膏(0.5%和1.0%)的池灰用作路面基层和底基层材料的可行性进行了实验室研究，实验结果也显示，池灰-石灰-磷石膏混合料可以用作路面基层和底基层材料。

1.3.2其他领域利用

(1) 磷石膏应用于农业

磷石膏应用于农业主要在两个方面有显著的作用:一是碱性土壤的改良，二是作物产量的增加。

① 碱性土壤的改良

我国盐碱性的土壤，pH 值均在9以上，土壤的透气性又差，容易板结，这 将严重影响到了农作物的正常生长。由于磷石膏pH 值为1～4，呈酸性，与土壤中的碱性物质作用，可中和土壤的盐碱性，从而降低土壤的碱度，达到对碱性土

壤的改良，提高土壤的渗水性[19]

② 作物产量的增加

磷石膏含有植物生长的必须营养元素B 、P 、S 、Mg 、Ca 、Fe 等，这些元素对农作物生长具有促进性，提高作物的产量和质量[20]。因此，可以利用磷石膏生产各种农用化肥，又鉴于磷石膏是生产磷酸所产生的一种工业废渣，在农业方面的应用，其成本是最低廉的。

(2) 磷石膏在陶瓷行业中的应用

专利号CN92108138.3[21]涉及一种陶瓷组合物，由40～85%化工石膏(磷石膏、氟石膏、芒硝石膏、盐石膏、钦石膏、排烟脱硫石膏等) 、10～40黄磷渣(或矿渣、钢渣、硅灰石等) 、50～20%萤石或和氟硅酸钠、以及适量颜料和釉料组成。本发明利用化学工业废渣作主要原材料，采用现有工艺和设备，锻烧温度仅需800~1100℃，烧成的陶瓷制品具有很高的物理力学性能和优良的装饰效果。 专利号CN101423381A [22]采用磷石膏与碳酸钙为主要成分，为调整陶瓷的某些性能，亦可加入现有陶瓷技术中的其他组分，以制陶瓷的工艺方法制成。具有坚硬耐磨，机械强度好，质地均匀，细腻，色调柔和，光亮优雅，瓷感突出等性能。本身为灰白或浅黄色，也可加入色料烧成其他色调。节能，配方简单，操作简易，成本低。可作为日用瓷，建造用瓷和工业用瓷，是一种理想的生态环境材料。

1.4磷石膏综合利用存在的问题

国内外大量的试验研究表明磷石膏的综合利用取得了很多显著的成果，当前，被利用的磷石膏约20%，但是对提高磷石膏的利用率还相差甚远，且还存在很多问题，主要有以下几点：

1、目前，许多磷石膏的综合利用的方法还处于初步阶段，未大量利用。

2、由于磷石膏的分解温度高，达到1250℃，要使磷石膏在低温下能够分解还有待研究和探讨。

3、在一些中小磷酸装置或经济欠发达地区的企业，综合利用磷石膏的工作步伐迟缓，缺乏危机感。

4、磷石膏用于陶瓷行业中，磷石膏加入到陶瓷原料后的料浆的分散性、烧结机理、烧结制品的显微结构等还在探索中。

1.5 粉煤灰的产生及危害

粉煤灰是燃煤电厂将煤粉用预热空气喷入炉膛悬浮燃烧，产生高温烟气，经由捕尘装置捕集而得的一种具有潜火山灰活性的类矿物工业废渣。煤粉颗粒在炉膛内燃烧时，温度高达 1300℃以上，呈熔融液滴状，受湍流作用，悬浮在气流中，又受烟气中多种气体成分的作用，迅速膨胀，当其随烟气运动至低温段时，外界气压从四面八方均匀地压向这些液滴，使其表面以最大张力来承受，形成圆球状。小液滴冷却速度快，形成玻璃体；大液滴冷却速度慢，在内部可形成晶体。有些液滴，受气体夹裹，形成具有不同壁厚的空心球体，当冷却较快时，薄壁空心球体能破裂成碎片。最后形成的粉煤灰是外观相近，颗粒较细但并不均匀的多相混合物。[25]

粉煤灰的危害可以大致分为水域危害、大气危害以及土壤危害。由于粉煤灰是极细颗粒状的，在风力作用下极易造成填埋地附近扬沙甚至沙尘暴而造成大气污染，特别是我们国家是一个多风的地区，粉煤灰对大气的危害更为严重。粉煤灰目前的处理方法为填埋，填埋地一般选在山间等低洼的地方，经过雨淋冲刷极易造成水域的污染，污染水通过径流或者地下渗透而造成更大的危害；由于粉煤灰呈碱性，用它作肥料的添加剂会造成土地的碱化、板结而降低土壤的肥力。

1.6 国内外粉煤灰综合利用[23]

1.6.1粉煤灰利用项目种类和途径

当前，国内外粉煤灰综合利用范围很广，项目很多。美国电力研究所根据粉煤灰容纳量(即吃灰量) 和技术水平，将粉煤灰综合利用项目分为三大类：

第一类：高容量/低技术。即不需要深度加工就可以利用的项目。这类项目投资少，上马快，技术易掌握，吃灰量最大。其缺点是使用地点和数量经常变动，难以预测，如作为筑路和回填材料等。

第二类：中容量/中技术。主要用作建筑材料。一般这类项目投资大，吃灰量大，用灰量稳定，有一定技术要求。

第三类：低容量/高技术。主要为分选利用，产品层次高，吃灰量甚微，技术水平要求高，但经济效益好。

经过几十年国内外的大量试验研究，粉煤灰综合利用已具有多种途径粉煤灰

利用途径，总的划分起来可分为两种类型：一种是 “产品型”，即将粉煤灰用于各种产品生产中；另一种是“工程应用型”，即直接用于工程建设上。在建材方面，主要用作水泥原料、水泥混合料、建筑砌块、加气混凝土制品、烧结粉煤灰砖、烧制陶粒、蒸养法陶粒等；在建工方面，主要用于混凝土和砂浆，其中包括大体积混凝土、泵送混凝土、高标号混凝土、砌筑砂浆、抹灰砂浆等；在道路建设方面，主要用于路面基层、路堤、路面等；在填筑方面，主要用作回填、水坝填筑、矿井回填等；在农牧林业方面，主要用于改良土壤、制作农肥、农药载体等；在其他方面，主要用于提取有用物质，如提取漂(微) 珠、炭、铁、铝、锗等，以及利用粉煤灰表面积大、空隙多、吸附性能好的特点，处理各种工业污染。

1.6.2粉煤灰综合利用研究新进展

(1) 新型建材中的应用

利用粉煤灰为主要原料，加入一定量的胶结料和水，经成球、烧结而成的轻骨料为烧结粉煤灰陶粒。它是一种性能良好的人造轻骨料，其粉煤灰用量可达 80%左右。可以配制 300 号混凝土。

泡沫玻璃是一种新型建筑材料，它可由粉煤灰(可占 70%)为主要原料烧制而成，其密度在 0.5～0.8t/m3之间，具有抗压、隔热、隔声、防水、能浮出水面等性能，是现代高层建筑的优质材料。泡沫玻璃作大型雕塑材料，可制成大块，可任意切割装配。

(2) 粉煤灰在建设工程中的大量应用

粉煤灰用作建设工程的基本材料能节约水泥，降低生产成本和工程造价，提高混凝土后期强度及抗渗性和抗化学侵蚀能力；改善混凝土的和易性，便于泵送、浇筑和振捣；抑制碱骨料反应的不良影响；降低水泥水化热，抑制温度裂缝的发生与发展；与水泥中的游离氧化钙相化合提高水泥的安定性。

矿山充填方面的应用由原来把粉煤灰单独作为充填料用于充填煤矿采空区，发展为用粉煤灰和石子混合来浇注采空区，这种充填体不仅具有一定的强度，而且防水、隔水隔声、效果都很好。

在道路工程中，粉煤灰主要用于稳定路面基层，制成粉煤灰沥青混凝土，可以提高混凝土的强度和耐磨性。对软弱地基和膨胀土，可将粉煤灰和石灰等加入路基土中，可有效地改善路基的工程性质。

(3) 化工方面的应用

粉煤灰是一种主要含有硅、铝化学成分的特殊资源，以其特有的物理性质而被用于化学工业中，从粉煤灰中提取铝、锗等金属，改性粉煤灰用做塑料、橡胶等工业的填料，更能以粉煤灰为主要原料制备微晶玻璃和分子筛等，展示了粉煤灰在化学工业中广泛的应用前景。

(4) 环境方面的应用，以废治废，前景广阔

粉煤灰多为多孔体，比表面积较大，其表面上的原子力均为不饱和，存在着一定的表面能。当粉煤灰与工业废水接触后，就吸附废水中的 BOD 、COD 、色素等污染物，直至达到吸附平衡为止。另外，粉煤灰中含有的沸石、炭粒等无机离子，有交换特性和很强的吸附脱色作用。它可制成絮凝剂，高分子筛和过滤介质等，对造纸、电镀、印染、中草药等行业产生的废水(含氟、酚、铁、油、铬、铜) 具有一定的净化作用，还可利用不同 pH 值的粉煤灰处理酸性和碱性废水。国外的研究证实，粉煤灰还可有效去除富营养型湖泊表层水和间隙水中的磷酸酶。

1.6.3粉煤灰开发利用过程中存在的问题

(1) 由于受锅炉运行条件、煤种的影响，煤炭燃烧不够充分，致使粉煤灰成分差异较大，并不同程度地存在残留炭，制约着粉煤灰的广泛使用。

(2) 粉煤灰的利用大部分以低炭灰为主，绝大多数含炭量较高的粉煤灰很难被采用。

(3) 人们对利用粉煤灰，提出了各种方案，使部分粉煤灰得到利用，取得一定成效，但如何满足大用量，多领域，深层次，资源化的综合利用要求，创造更高的经济价值，直到目前发表的文献为数不多。

1.7 路面结构及我国路基材料现状

1.7.1路面结构

行车荷载和自然环境因素对路面的作用和影响，随着深度的增加而逐渐衰减。因此，对路面材料的强度、抗变形能力和稳定性的要求也随着深度的增加而逐渐降低。为了适应这一特点，路面结构一般分多层铺筑，根据使用要求、受力情况、土基支撑条件和自然因素影响程度的不同，分为若干不同的层次，各个层

次分别承担不同的功能。通常将路面结构划分为面层、基层和垫层三个层次。

基层是面层的下卧层，它主要承受由面层传递的行车荷载垂直力，并将它扩散和分布到垫层和土基上。基层是路面结构中主要承重层，因此，它应具有足够的强度和刚度，并具有良好的扩散应力的能力。虽然基层位于面层之下，但仍然难以避免雨水从面层渗入，同时它还会收到地下水的浸湿，因此基层应具有足够的水稳定性。同时为了保证面层具有优良的平整度，还要求基层也具有较好的平整度。

1.7.2我国路基材料现状

我国传统路面基层材料分为三大类：柔性基层材料(包括级配型集料、嵌 锁型碎石以及沥青碎石和沥青贯入式等) 、半刚性基层材料(包括水泥稳定土、石灰稳定土和石灰工业废渣稳定土) 和刚性基层材料(水泥混凝土、强度高的贫混凝土和碾压混凝土) 。目前，我国基层材料使用最广泛的是半刚性基层材料，约占90%。

路面基层材料铺设量大，对各类原料(土石料和水泥石灰等) 的消耗量十分巨大，一直以来人们都在探讨使用工业固体废弃物作路面基层的途径，以达到降低材料用量和缓解固体废弃物污染的目的，美国在40年代已利用石灰粉煤灰修筑路面基层[27]。我国利用石灰粉煤灰路面基层材料起步于60年代[28][29]。目前工业废渣类路面基层材料应用最为广泛的是石灰粉煤灰类基层材料(通常称为二灰) 。二灰类基层材料已经非常成熟，该类基层材料目前已经走向规模化，并写入了交通部一系列的技术规范中[30][31]。我国已利用二灰修筑高等级公路路面基层上千公里。

二灰类基层材料具有绝对强度高、强度增长持续稳定、整体性能好、抗裂 性好等优点，但由于其早期强度低(因为石灰粉煤灰之间的火山灰反应速度很慢) ，使得其推广应用难度较大。

1.8 本文主要工作

1.8.1本文主要研究内容

(1) 原材料（磷石膏、粉煤灰、水泥、石灰等）的物理、化学性质及其成分

组成；

(2) 确定胶凝体系初步配合比，根据试件3天、7天抗压强度逐步优化配合比，最终利用正交表得到最优配合比；根据优化后的配合比压制成型基层试件，研究路面基层材料的强度延伸规律、水稳性，冰冻稳定性，抗冲刷性等；

(3) 从理论的角度分析探讨该体系路面基层材料强度形成机理；

(4) 在宏观试验基础上，选取不同龄期的式样进行XRD ，SEM 微观检测，结合产物，对不同龄期的胶凝材料体系强度发展机理进行进一步探索。

1.8.2 预期目标

(1) 研制的磷石膏-水泥-粉煤灰-石灰体系路基材料中磷石膏、粉煤灰所占比重大；

(2) 以3天、7天强度为标准，对该体系配合比进行优化，得到磷石膏-水泥-粉煤灰-石灰体系路基材料的最优配合比；

(3) 研制的磷石膏-水泥-粉煤灰-石灰体系路基材料，满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)所规定的强度要求，如表1-1所示。

表1-1工业废渣稳定土抗压强度标准

层位 公路等级

二级和二级以下公路 高级公路和一级公

路

基层(MPa) 0.6～0.8 0.8～1.1

底基层(MPa) ≥0.5 ≥0.6

注：以上强度值为饱水无侧限抗压强度值。

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