磷石膏作为土壤调理剂在路基工程中的应用

何俊辉

摘要 水泥和石灰作为传统道路建筑材料在生产和使用中具有高能耗和高耗能的特点，不宜应用于为实现“双碳”目标构建的循环经济体系。由于道路工程对原材料的需求仍然很高，现代施工工艺已能将磷石膏作为水泥和石灰的替代料，以解决道路建设中传统材料成本过高的问题，同时也能扩大其在工业生产中的应用规模。文章介绍了磷石膏的基本特征，及磷石膏作为土壤调理剂对膨胀土、粉质土、软土、红黏土和黄土进行加固，应用于路基工程的关键技术。

关键词 磷石膏；土壤调理剂；路基工程

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0099-03

0 引言

中国国内基础设施建设目前处于多元化发展阶段，水泥和石灰具有优异的凝固效果，作为传统的土壤路基稳定剂，广泛应用于道路工程中[1]。然而，水泥和石灰石的生产需要消耗大量天然原材料，生产过程中会排放大量有害物质，如二氧化碳、三氧化硫和氮氧化物[2]。随着我国环境保护力度的不断加大，许多矿山已被禁止开采，造成了水泥和石灰等原材料价格大幅上涨，导致基础设施建设成本攀升。为降低道路建设成本和保护生态环境，需要探索利用工业废弃物替代水泥和石灰作为土壤路基稳定剂的施工工艺。将工业副产物磷石膏作为土壤改良剂，用于土壤加固和地面改善等具有一定的经济效益，符合可持续发展理念，已经成为人们关注的焦点。

1 磷石膏的基本特征

磷石膏呈灰白、灰黄、浅绿等粉状，是工业湿法生产磷酸和磷酸盐的副产物。磷石膏的化学成分与天然石膏相似，主要为二水硫酸钙，只是磷石膏中还含有一些杂质如氟化物和磷化物等，在从半水石膏转化为二水石膏的过程中，通过初始期、诱导期、加速期和减速期，半水石膏溶解，二水石膏晶体持续长大，最终出现石膏结块硬化现象。近年来，随着经济的发展，全球磷石膏年产量逐年上升，中国磷石膏产量每年超过5.0×107 t，具有以堆积存放为主和利用率低的特点[3]。全球磷石膏的利用率很低，大部分副产品磷石膏基本都放在堆场或者直接丢弃，副产品磷石膏直接废弃，不仅造成资源浪费，还会造成环境污染。为了提供一种可持续的废石膏再利用方法，人们进行了许多研究，探索副产物石膏在多项工程中的回收利用。石膏在第一次世界大战的后期被德国莱维尔库申的拜耳工厂为原材料首次成功生产硫酸和水泥，之后工业副产物磷石膏也被用于替代石膏原料生产相关产品[4]。1980年，美国学者第一次利用磷石膏改善黏土，应用于道路工程研究中。分析结果表明磷石膏与土壤混合后具有稳定的结构。但是大量的磷石膏表现出对土壤的抗压和抗水效果较差，在路基中过量使用磷石膏会导致路面膨胀而形成裂缝，因此需要开发多样化的磷石膏利用工艺以满足道路施工需求。

使用工业废料作为路基的潜在稳定剂具有成本效益。磷石膏是湖北、云南、贵州、四川和安徽五省大量产生的工业废物，在我国很容易获得。现已探索使用大量磷石膏废料作为潜在各种土壤路基改良剂，开发了一系列由不同比例磷石膏、石灰、粉煤灰和碱性氧气炉渣等混合而成的复合材料作为改良剂，但由于未经处理的磷石膏存在氟、磷、有机质和放射性核元素等成分，使用未经处理的磷石膏作为改良剂，将会最终影响路基的岩土性能和微观结构。用处理后的磷石膏、粉煤灰和碱性氧气炉渣等作为土壤稳定剂，其在与土壤结合过程中主要是与各种硅酸钙、硅酸镁、硅酸钙水合物和鋁酸钙水合物的形成有关，使土壤的压实特性、一致性、强度、变形性、压缩性、剪切特性、膨胀特性和耐久性得到改善，稳定后的土壤满足道路路基的规范。使用工业副产物磷石膏作为土壤改良剂，不仅可以改善土壤的工程性能，还能提供应对磷石膏处置和环境污染的解决方案。

2 磷石膏作为不同种类土壤调理剂

长期大量堆放的磷石膏不仅占用宝贵的土地资源，还会对土地、地下水、河流、大气等造成大量污染，最终危害人类健康，因此提高磷石膏的综合利用迫在眉睫。随着综合利用工艺的发展，利用现有的工艺设备作为支撑，已有大量的研究和应用将磷石膏作为路基土壤改良剂，使改良后的土壤达到工程要求。磷石膏对不同土质的增强效果差异很大，在施工时应注意磷石膏施工技术对土层的适用性，采用正确的加固土强度试验方法才能对磷石膏调理效果进行正确评价。接下来介绍磷石膏作为土壤调理剂对膨胀土、粉质土、软土、红黏土和黄土进行加固，及在路基工程中的应用。

2.1 磷石膏作为膨胀土土壤调理剂

膨胀土亲水性很强且对环境湿热变化非常敏感，其遇水膨胀和失水收缩，因此膨胀土具有黏土矿物收缩膨胀的特性。如果在道路工程中处理不当，将对道路造成巨大的破坏，因而其在自然形态下直接应用于道路工程，将存在一定的问题[5]。为保证膨胀土路基具有足够的刚度，可以使用许多材料和技术来稳定土壤，使膨胀土更适用于道路施工，具体的方法为在膨胀土路基顶部铺设一定层厚的非膨胀性填料，从而满足路面对路基的刚度要求。目前已开发了将磷石膏作为膨胀土稳定的添加剂和技术，系统探讨了它们在改善膨胀土工程性能方面的效率，研究了磷石膏与膨胀土微观结构、相互作用和化学过程。

冯巧云[6]研究了在膨胀土中加入适量的磷石膏和电石渣可以有效地增加膨胀土的加州承载比，达到改善膨胀土力学性能的目的，使路基膨胀土具有足够的刚度。在磷石膏和电石渣同时加入膨胀土时，可对膨胀土进行复合改良。磷石膏和电石渣的初期水解和水化反应会有部分硅酸钙和钙矾石生成，后期水分子蒸发出现结晶现象，并伴随出现棒状晶体，黏土颗粒间生成新的黏结力，晶体与土颗粒相互楔入，达到提高膨胀土抵抗承载变形能力的目的。

2.2 磷石膏作为粉质土土壤调理剂

粉质土粒组中因含有较多的粉粒而呈现出干燥时极易散落、潮湿时略带有黏性、不能搓成土条或土球等特点，并且表现为水稳定性差和颗粒间摩擦力小，不是理想的路基填料[7]。在施工工程中粉质土还具有强度低、级配差和荷载差等特点。粉质土路基洒水后因地震液化性而出现水坑，给施工带来诸多不便。目前已有将水泥等材料作为粉质土路基改良剂，增加路基的强度和承载比，保证工程质量。通过开发磷石膏等为土壤稳定技术的调理剂，改善粉质土的物理力学性质，提高其承载能力，使粉质土适用于路基工程，不仅能保证工程质量，还可以降低工程造价。

Haoming Ren等[8]研究人员在施工现场用磷石膏作为粉质土调理剂进行研究，并且同时建立了含有固化剂但不含磷石膏的实验组。通过电子扫描显微镜等仪器观察微观结构和定量分析，添加磷石膏可以显著改善固化粉质土的压缩模量，7～14 d是最合适的养护时间，在第14 d压缩模量达到最大值，14 d之后压缩模量为下降阶段。通过添加磷石膏代替部分固化剂，可以降低工程成本，是土壤改良的发展方向之一。磷石膏稳定土能够形成良好的板体，通过设计满足工程要求，成功使磷石膏变废为宝。

2.3 磷石膏作为软土土壤调理剂

软土在我国分布广泛，是我国最常见的土壤之一，主要位于沿海、冲积平原、洼地等地带[9]。软土中富含有机物并具有蜂窝状结构，具有较大的孔隙率、较高的含水率、压缩性大和抗剪强度低等特点，因此在软土层会对道路的修建产生影响，处理不当会造成过量沉降或路基失稳，需要对软土层进行处理才能保证道路工程的质量[10]。现已有研究将磷石膏用于加固软土地基，此技术具有显著的经济、技术和环境效益，并且当磷石膏和水泥等材料配合使用时，不但拓宽了技术适用的土质范围，而且可大幅度提高加固土的强度，具有更广阔的实用性和适用性。

李玉寿[11]研究人员针对软土路基常存在剥落、崩塌、滑坡、沉落和冻胀等病害，对含有有机质含量较高和较低的软土分别加入磷石膏、粉煤灰和同时加入磷石膏与粉煤灰。通过实验发现在有机质含量较高的软土中磷石膏和粉煤灰复合加固效果最好，磷石膏作用强于粉煤灰；有机质含量较低的软土中磷石膏和粉煤灰复合加固效果最好，粉煤灰作用强于磷石膏。对于有机质含量较高的软土路基，需要采用适当比例的磷石膏、粉煤灰和水泥才能取得较好的加固作用，具有显著的技术经济效益。

2.4 磷石膏作为红黏土土壤调理剂

红黏土在我国黄河以北地区分布广泛，具有承载、抗压和抗剪能力强的特性。红黏土具有高天然含水量和高液限等物理性质，因此用于路基时将造成高裂隙性、高收缩率和高水敏性等不良特征。红黏土路基同时还具有压实困难和干缩开裂严重的特点，在开挖与摊铺过程中易黏附在车辆和压路机上，这些都将影响红黏土在公路工程中的应用，必须采取一定的技术措施对红黏土进行处治后才能应用于公路工程中，使其具有一定的強度和承载力，从而可以保证路基的稳定性和使用质量。有研究表明，红黏土的液塑限和含水率随着分布深度增大而增加，从而具有水敏性的特征，含水率较低容易出现开裂，含水率太高又容易泥化，为了使其在路基工程中得以应用，须将红黏土作为路基填料需要对其进行改良[12]。有研究将磷石膏应用于红黏土调理剂，改良后的红黏土具有较好的刚度、水稳定性、强度和路用性能，此技术不仅可以改善红黏土不宜作为路基材料的工程性质，还能解决磷石膏堆放带来的土地占地和环境污染等问题。

陈开圣等[13]研究人员针对在红黏土中加入磷石膏等材料后的稳定料作为路基填料理论上可行，系统研究了混合料基本性能、抗压强度、水稳性、动力特性、承载能力和微观结构。通过实验发现混合料强度随磷石膏含量增加先增大后减小，混合料水稳性随磷石膏含量增加而增大，加入适量外加剂比如水泥等能与混合料发生反应，在其表面形成板面，将降低混合路基填料的渗水性和增加其水稳定性。杨德忠等[14]研究人员针对磷石膏资源浪费和红黏土工程特性问题，建议磷石膏和红黏土使用比例为1∶1，水泥用量和水玻璃掺量分别为4%和2%，此方案同时满足减少水泥用量和增加磷石膏掺量的目的，并且能够达到路基对水稳定性和强度的要求。

2.5 磷石膏作为黄土土壤调理剂

我国幅员辽阔，地理和气候差异大，黄土主要分布在干旱、半干旱地区。黄土是一种以粉粒为主、多孔隙、天然含水量小的黏质土，具有湿陷性、渗透性、易崩解等特性。由于黄土具有上述特性，在各种自然因素，尤其在雨水侵蚀作用下，会导致公路产生各种严重病害，并且湿陷性黄土在自然环境作用下对公路的危害更为严重。我国黄土的组成成分、沉积厚度、力学性质等存在地域差异，因黄土具有湿陷性，如果黄土湿陷下沉量和下沉速度过大，会导致路基沉降，因此需要对路基中原有的黄土进行改良[15]。可以通过使用处理后的磷石膏加石灰的方案改善土壤的力学性能，提高土壤的强度，采用去除原有土层，然后回填的方案应用于具体路基工程中。已有研究用磷石膏改良综合处治湿陷性黄土路基水稳定性和抗冻稳定性两方面的路用性能，确保改良后的黄土在满足强度和抗压回弹模量标准的基础上具有良好的路用性能。

赵蒙等[16]研究人员针对黄土具有强亲水性、颗粒级配不同层位差异明显等特性，对改良的黄土进行了较为全面和系统的研究。在黄土中掺入磷石膏和水泥等掺加料，系统研究了改良黄土的抗渗性、抗冻性、微观结构和强度特性。实验表明磷石膏和水泥共同改良黄土的效果较好，能提高黄土的抗渗性、抗压性、抗冻性等特性，磷石膏能使水泥水化产物钙矾石大量增加，改良黄土网状骨架，从而提高土颗粒之间的胶结强度。结果表明此项治理技术对治理病害路基沉降效果明显，可以解决磷石膏堆积污染问题，同时在保证工程质量的前提下促进磷石膏的综合利用，不但可以降低工程成本，还可以取得可观的社会和经济效益。

3 结语

路基作为道路的生命，发挥着非常重要的作用。我国疆域辽阔，各地情况不尽相同，存在着多种土壤种类，需要对这些土壤进行固化才能满足路基施工要求。我国磷石膏的储存量很大，发展磷石膏资源化利用工艺，是减少环境污染、解决企业困扰和实现企业可持续发展的必然之路。将磷石膏用于稳定不同路基土壤结构，满足施工要求，显著降低磷石膏的存放量。总之，磷石膏是路基工程建设中值得广泛普及的二次资源，其通过适当处理后可以成为一种质优价廉的道路施工材料，经过合理的配合比应用可以确保道路的畅通性、安全性和使用寿命。

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