曹林涛，汤 文，韩尚宇

(1. 湖北文理学院 土木工程与建筑学院，湖北 襄阳 441053；2. 武汉科技大学 汽车与交通工程学院，武汉 430070；3. 南昌航空大学 土木建筑学院，南昌 330063)

磷石膏是磷化工产业中湿法生产磷酸的固体废弃物，通常被大规模地应用于农业上改良土地[1]、工业上联产水泥和水泥缓凝剂[2-3]等.但是其复杂的预处理措施和高昂成本限制了更多形式的应用[4]，其更多是用山谷进行堆存.磷石膏固废堆场储量越积越多，其渗滤液对自然环境的影响越来越大.堆场防水防渗多采用高密度聚乙烯膜或厚实黏土进行表层封水与基础防渗处置[5-6].但由于堆场存在沉降变形，需考虑堆场表面封水与基础防渗措施的变形适应性.做好堆场表面封水有助于通过分流地表径流而减少内部渗滤液处置量，这也提供了沥青基防水材料的应用空间.

沥青胶砂与细粒式沥青混合料已被广泛应用于水工结构的防水防渗.浇筑式沥青混合料与SMA(沥青玛碲脂碎石混合料)都具备良好的防水防渗性能.已有研究尝试利用磷石膏晶须改性沥青，但发现沥青与磷石膏反应更多的是物理变化[7]，这表明磷石膏粉基本可以发挥类似石灰石矿粉的空隙填充功能.文献[8-10]研究发现，沥青胶浆比例影响其拉伸强度、疲劳寿命等性能.通过胶粉混合物的性能试验研究沥青与磷石膏粉的合适比例，对于堆场表面防水、基础防渗及农村公路与水利设施的防水防渗具有重要意义.

1 材料和方法

1.1 试验材料

基础沥青选取山东某厂AH-90与AH-110的混合沥青，材料属性见表1的基础栏.磷石膏粉末取自襄阳尹集化工产业园某堆场，外观灰白色，有结块，主要成分是硫酸钙，并含磷与氟等杂质；pH值为2.5～4.5，天然含水率为25%，密度为2.26 g/cm3，渗透系数为2.2×10−4cm/s.

表1 沥青与混合物常规指标测试结果

1.2 试样处理

加热沥青至流动态，将在150 ℃烘箱内烘干的磷石膏粉末按照比例置入热沥青内搅拌均匀，作为备用混合物.根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[11]，参考其中的沥青测试方法准备好针入度、软化点与延度的测试试样.混合物中沥青含量分别为90%，70%和50%，粉胶比对应为0.11，0.43和1.0.

1.2.1 飞散试验

根据热拌状态，采用不同方式制成试样.具体是，对于流淌态混合物直接浇筑在马歇尔试模内；对于松散态混合物采用马歇尔方法击实成型(双面各50次)，试样脱模后备用.

1.2.2 渗水试验

把加热的胶粉混合物铺筑在干净的混凝土地坪上，表面成直径35～40 cm圆形.其中，松散态混合物用锅铲平整并用橡胶锤适当处置；流淌态混合物由距离地表10 cm高度倾倒至地表并流淌，平整、冷却后备用.

1.2.3 小梁弯折试验

采用水泥胶砂强度试验的试模制成棱柱试样，尺寸40 mm×40 mm×160 mm.对于流淌型混合物，加热后浇筑；其余混合物，加热后按压进试模，并采用橡胶锤捶打整平；脱模后，在冬季室温下养护备用.小梁试件则采用24 h室温水浸预处理.

1.3 试验方法

冲刷试验采用奥克斯单桶洗衣机(XPB30-38)，淹没洗涤，输入功率为240 W.试验采用自来水直接冲刷和洗衣机模拟冲刷2种方式.先用尼龙网袋(网眼10 mm×10 mm)将试样包装备用；然后紧挨自来水出水口进行直接冲刷，或将其放入洗衣机内经水淹没后搅拌洗涤；最后以质量损失率评价抗冲刷性能.

飞散试验采用洛杉矶试验机参照文献[11]进行.试样经20 ℃水浸20 h后在洛杉矶试验机中(无钢球)旋转300转，并测试其质量损失.渗水试验反映混合物的致密程度，参照沥青混合料渗水试验进行.试验中，在地表混合物罩面上安置渗水仪，观测恒定水量(水位差400 mL)的渗透时间或3 min的渗水量.

粘结力试验采用适用于外墙建筑材料的一体式粘结强度检测仪进行测试(仪器型号LR-6000C，液压缸行程10 mm).把钢铁试块(尺寸有4 cm×4 cm，4.5 cm×9.5 cm 2种)预热并涂刷热沥青后按压在混凝土地坪的界面上，再启动仪器借助手摇进行原位拉拔，读取最大荷载.

小梁弯折试验参照水泥胶砂强度检验方法，采用水泥抗折试验机(DKZ-5000型)进行.小梁跨径100 mm，承受中分点加载，加荷与支撑圆柱直径10 mm，加荷速度50±100 N/s，试验在室内温度10 ℃下进行.

2 试验结果与分析

2.1 常规指标测试

沥青胶结磷石膏粉在加热条件下成为胶浆类混合物，参照沥青测试方法所得的针入度、软化点与延度技术指标见表1.

由表1中软化点结果可知，伴随磷石膏粉末植入数量的增加即粉胶比的增大，沥青基混合物软化点呈先增大后趋于稳定趋势.这说明磷石膏粉末损伤了沥青间的黏结.分析针入度结果可知，随磷石膏粉末植入数量的增加，针入度呈稳定下降趋势.这说明磷石膏粉末增加了沥青硬度，有利于其在高温条件下的稳定性与承载力.因此，磷石膏粉末可作为沥青基材料的界面隔离物质阻止界面流淌与粘结的发生.分析延度结果可知，随粉胶比增加，沥青基混合物延度呈下降趋势.

2.2 胶粉混合物的手工拌合测试

胶粉混合物拌合过程中采用手工握捏，见图1.由图1可知，粉胶比2.3(沥青含量30%)的试件成球团状并表面泛黑油性光泽；粉胶比3.0与4.0的试件也能成球团状但无光泽；粉胶比5.7(沥青含量15%)的试件则明显呈松散状态且呈灰褐色.根据拌合过程可知，粉胶比越小即沥青含量越大，热拌胶粉越易形成流动态或塑态，易成型为整体；粉胶比越大，热拌胶粉越易保持松散颗粒态；当粉胶比≥5.7时，混合物中磷石膏粉不能被沥青有效包裹与粘结，在高温下也难以成型.

图1 手工握捏的成型状态

2.3 胶粉混合物的冲刷试验与飞散试验

采用手工握捏成型的试样经由家用单筒洗衣机搅拌冲刷，取20 min的质量损失率进行评价，结果见表2.

表2 胶粉混合物冲刷与飞散测试结果

由表2可知冲刷实验中，粉胶比4.0的试样有轻微质量损失，粉胶比5.7的试样有非常显著的质量损失，粉胶比≤3.0的试样没有质量损失.

胶粉混合物的飞散试验结果同见表2.由表2可知飞散试验中，粉胶比≤4.0的试样没有发生质量损失；粉胶比5.7的试样有极其轻微的质量损失；粉胶比9.0的试样有一定质量损失.对比冲刷试验和飞散试验数据可知，质量损失差异主要归于试样成型的方式，即压实可以改善沥青胶粉混合物的整体性.事实上，粉胶比为9.0的试样依然可以击实成型，而手工握捏则不能使粉胶比＞5.7的试样成型为整体.

2.4 胶粉混合物的渗透性测试

未经特别压实的混合物渗水测试结果见表3.

表3 胶粉混合物的渗透性测试结果

由表3可知，随粉胶比的增大，渗透系数也增大；粉胶比2.3的试样根本不透水，这与其易成团特性一致；粉胶比3.0的试样满足文献[12]规定的普通沥青混合料渗透要求(≤300 mL/min)；粉胶比4.0的试样轻微超出规范规定.对比可知，经过静压(0.7 MPa)成型后，粉胶比≤4.0即可表现为根本不透水.这说明粉胶比越小，混合物的渗透性越小，需要附加压实或提高温度以改善混合物的封水防渗性能.这也表明，对于不宜压实场合的混合物需要加大沥青含量并保证施工温度.综上可知，较多的磷石膏粉降低了混合物的致密性，弱化了沥青粘结性并损伤了沥青的防水性；静压操作有助于防渗性能的提高，也有助于降低沥青用量，可作为堆场的基础承压防渗罩面成型手段.

2.5 混合物的粘结力测试

实测时冬季混凝土地面温度为10 ℃，混合物粘结力测试结果见图2.

图2 粘结力强度-粉胶比关系曲线

由图2可知，界面的粘结力随粉胶比增大呈快速降低趋势，与既有结论一致[13]；粉胶比≥5.7的试样，界面粘结力可忽略；粉胶比≤3.0的试样，主要体现为接触界面处破坏.显然，沥青含量或粉胶比显著影响了日常低温下的粘结强度.这也说明，磷石膏粉更多是作为去除沥青粘结的干涉材料与隔离材料.

2.6 混合物的低温弯折测试

混合物的低温抗折测试结果见图3.由图3可知，随粉胶比的减小，混合物的抗折强度呈增加趋势，尤其是粉胶比＜4.0后，强度随粉胶比降低呈快速增长趋势.这说明粉胶比对低温性能影响显著，即磷石膏损害了沥青的低温强度.对比水浸前、后试验结果可知，水浸条件显著影响了粉胶比较大的试样.通过计算发现，对于粉胶比4.0与5.7这2种情况，水浸操作导致强度衰减达20%～40%.这说明，较大的粉胶比导致沥青对粉粒的包裹覆盖严重不足，混合物的结合致密程度降低，水分也易于侵入破坏结合界面.

图3 抗折强度-粉胶比关系曲线

3 场地应用分析

由试验结果可知，磷石膏粉可以在较小损失沥青粘结性的情况下作为干涉材料改善沥青的高温稳定性.本研究选择2个应用场地测试沥青胶结磷石膏粉作防水材料的性能.1)裂缝.采用粉胶比为2.3的热拌沥青胶结磷石膏粉，捶打进混凝土水槽底部宽度3 mm左右的裂缝，经充水检验未发现渗水行为，可作宽缝隙的裂缝封堵处置材料.2)道路拦水带.在某校园内的沥青路面边缘分别采用不同粉胶比的混合物构造简易拦水带，观察比较其冬夏季的状态变化，发现采用粉胶比2.3～4.0的混合物构造的路表拦水带，在夏季没有气泡与流淌发生，汽车反复碾压下仅有粉胶比4.0的试样无水平延展；在冬季也没有与路表剥离.

4 结论

1)磷石膏粉与沥青制备胶浆类混合物，随粉胶比增大，混合物的软化点增大、针入度与延度降低；随粉胶比的增大，混合物的冲刷和飞散质量损失率增大，只有当粉胶比≤4.0的试样没有质量损失，该临界值可确保胶粉混合物的水稳定性；随粉胶比的增大，混合物的渗透系数也增大，仅当粉胶比≤2.3或粉胶比≤4.0在静压成型时，混合物表现为不透水.

2)随粉胶比的增大，混合物的界面粘结力快速降低，当粉胶比≥5.7时，混合物界面的粘结力基本可以忽略；随粉胶比的增大，混合物的低温抗折强度也快速降低；当粉胶比≥4.0时，水浸操作对抗折强度的影响较小.

3)室内试验与小型场地试验证实，磷石膏作为干涉材料可以增强沥青的硬度与高温稳定性，同时弱化了沥青作为界面物质的粘结性能与防水性能.沥青胶结磷石膏粉可作为沥青基防水材料并助力磷石膏废弃物的综合利用.