磷石膏课程设计第二章知识讲解.docx

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磷石膏课程设计第二章知识讲解

2．原材料及试验方法

2.1原材料及其性质

2.1.1磷石膏

磷石膏多呈灰白色，有的呈黄色和灰黄色，相对密度约为2.05~2.45，松散状态下的干密度为0.859/cm3。

磷石膏是多组份的复杂结晶体，一般含水量为9%左右。

本实验所用磷石膏取自贵州福泉瓮福磷业发展公司的磷石膏渣场，其X射线衍射图谱如图2-1所示。

由成分分析可知，磷石膏中二水硫酸钙含量大于85%，已达到一级天然石膏标准，因此具有很高的利用价值。

图2-1磷石膏的XRD衍射图谱

磷石膏PH值实测为1.5～2.0，呈酸性，含水率为9%。

其化学成分见表2-1。

表2-1磷石膏的化学成分（%）

LossSiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3P2O5F-

磷石膏22.353.531.120.3130.6739.161.420.27

2.1.2粉煤灰

本实验采用兰州西固热电厂的粉煤灰，其物理性质和化学成分见表2-2和表2-3。

由图2-2粉煤灰的XRD衍射图谱看出，主要成分是铝硅玻璃体。

根据试验结果可知，西固热电厂湿排灰属硅铝型粉煤灰，不具有独立的水硬能力，只有在加入一定量的水、石灰和水泥时，才能激发活性，发生火山灰反应，形成强度。

图2-2粉煤灰的XRD衍射图谱

表2-2粉煤灰的物理性质

产地细度比重容重烧失量

0.074mm通过率（%）（g/cm3）（g/cm3）（%）

西固热电厂91.252～2.20.48～0.643.23

表2-3粉煤灰的化学成分

产地SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3TiO2烧失量

西固热电厂52.9628.56.04.371.410.990.913.23

我国《公路路面基层施工技术规范》要求粉煤灰比表面积宜大于2500cm2/g；比重是粉煤灰的另一重要物理性质，单从比重来看，比重大的粉煤灰活性好。

因为比重越大，粉煤灰越致密，因而具有更高的强度。

由表2-2可知西固电厂粉煤灰的物理性质符合要求。

由表2-3知，该粉煤灰的主要化学成份SiO2+Al2O3+Fe2O3的含量为87.46%，烧失量为3.23%，其活性氧化物的含量SiO2+Al2O3达到81.46%。

一般情况下除了硫钙型粉煤灰外，SiO2和Al2O3含量越高其强度越高。

我国《公路路面基层施工技术规范》规定：

粉煤灰中SiO2+Al2O3+Fe2O3的含量应大于70%，其烧失量不应超过10%。

该粉煤灰符合要求。

2.1.3水泥

采用42.5级普通硅酸盐水泥。

2.1.4石灰

采用化学分析纯石灰，含量CaO95%。

2.2路基强度指标

目前我国在相关路基规范中与路基强度有关的指标是压实度和填料CBR值，见表2-4和表2-5。

2003年和2004年相继颁布的国家行业标准《公路工程技术标准》（JTJB01-2003）和《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）,将压实度提高到了96%（高速公路与一级公路）。

表2-4路基压实度

填挖类别

路床顶面

下深度（m）

路基压实度（%）

高速公路、一级公路二级公路三级、四级公路

零填及挖方

0～0.30

——≧94

0～0.80

≧96≧95—

填方

0～0.80

≧96≧95≧96

0.80～1.50

≧94≧94≧93

>1.50

≧93≧92≧90

表2-5路基填料最大粒径和最小强度要求

填料应用部位最小强度（CBR）%集料最大粒径（mm）

0～0.308100

0.30～0.805100

0.80～1.504150

>1.503150

零填挖方

0～0.308100

0.30～0.805100

本实验研究的路基材料属于石灰工业废渣稳定土。

由《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）可知，路基压实度如表2-4所示，路基填料最大粒径如表2-5所示。

7天浸水抗压强度应符合表2-6。

表2-6石灰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）

0.6～0.80.8～1.1

底基层（MPa）

≥0.5≥0.6

2.3试验仪器

本实验所用仪器见表2-7。

表2-7试验所用仪器

仪器名称产地型号备注

电子天平沈阳龙腾电子有限公司YB最大量程510g，精确度0.01g，准确等级

三联模尺寸40mm×40mm×160mm，

可同时成型三个长方体试件

压力试验机上海华龙仪器有限公司YA-100

恒温干燥箱南京实验仪器厂HG202-1最大加热温度300℃，控制灵

敏度±1℃

X射线衍射仪日本岛津公司XRD-7000L

扫描电镜日本电子光学公司JSM-5600LVSEM分辨率为3.5nm；EDS分辨率为131.7eV

2.4试验流程图

本实验流程图如图2-3所示。

图2-3试验流程图

2.5试验方法

本实验过程所有实验操作都是按照中华人民共和国行业标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057-94）进行。

2.5.1配合比的初步思路

二灰（石灰、粉煤灰）类基层材料是石灰工业废渣类基层材料应用最广泛的一类，具有强度高、整体性能好、抗裂性好等优点，但由于石灰粉煤灰之间的火山灰反应速度慢，导致其早期强度低，致使应用受到较大限制。

首先考虑加入碱或碱金属盐来解决以上问题。

常用的碱或碱金属盐有：

NaOH、KOH、Na2CO3、Na2SO4。

NaOH、KOH可以加快SiO2和Al2O3的表面化学键断裂，加快火山灰反应的进行；Na2CO3、Na2SO4可以起到NaOH的作用，也可以与石灰反应生成CaCO3、CaSO4·2H2O，进一步反应生成钙矾石，有利于强度的提高。

但是该方法不但使施工工序复杂而且增加了施工成本，不宜采用。

而由图2-1可知，磷石膏的主要成分是二水硫酸钙，且是一种粉状物质，可直接加入二灰体系中，激活石灰粉煤灰的火山灰反应。

但是考虑到磷石膏呈酸性，一定程度上又影响了火山灰反应的进行，所以应加入适量水泥，水泥水化不但可以使早期强度得到提高，而且水化产物氢氧化钙可以提供碱性环境，有利于火山灰反应经行。

由后期试验可知，水泥的填入，一方面使施工成本升高，另一方面对后期强度影响不大，所以水泥的掺量应控制在6%～10%。

再次从二灰本身考虑，用生石灰代替消石灰。

生石灰易于拌合均匀，且消解生成的Ca（OH）2，是一种新生态的Ca（OH）2，比表面积大，活性较高。

因此用生石灰代替消石灰有利于提高强度。

基于以上分析，为解决二灰基层早期强度偏低问题，本文主要探索无机结合料的组成设计及最佳配合比设计。

2.5.2料浆的制备

料浆的制备是试验过程的一个重要环节，具体操作如图2-3流程图所示。

由于采用压制成型的方法，并根据实际情况分析得出，水胶比过大会造成压实度降低，通车时间延长等问题；而水胶比太小，又会导致压制分层严重，水化反应难以经行，强度不高等问题，所以要严格控制水胶比。

在制备料浆过程中应遵守以下规定：

（1）按配合比准确计算、称量原材料；

（2）原材料混合要均匀；

（3）加水拌合时边加水边搅拌，搅拌时间不小于10min，确保拌合均匀。

2.5.3成型过程

本实验成型过程应在重型击实筒内成型，但因实验室条件限制，选择在三联模内采用锤击配料的方法达到击实的目的。

成型试件尺寸为：

80mm×40mm×160mm长方体试件。

成型具体过程见图2-4。

图2-4试件成型具体操作过程

图2-4的成型方法得到的试件不可避免会产生分层现象，对强度有较大影响。

我们虽无法彻底消除试件分层，但在成型过程中，可以适当调整锤击的方法，尽量减少试件分层。

2.5.4试件的养护

试件成型完毕后，经3～4h即可脱模。

分别用包膜自然养护、恒温烘箱内湿热养护、湿热养护24h后继续包膜自然养护三种方法对试件经行养护，形成对比，为后续分析养护方式对试件强度影响做好基础工作。

2.5.5性能测试

（1）无侧限抗压强度测试

无侧限抗压强度是试件在侧面不受任何约束限制条件下所承受的最大轴向压力，通常采用无侧限强度作为评价强度指标之一。

无侧限抗压强度能较快速准确地反映试件的强度特性，应用最为广泛，试验方法也较为成熟。

因此，本文也将无侧限抗压强度作为评价试件是否达标的重要指标之一。

主要测试仪器是液压压力试验机。

测试过程严格按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（CTJT057-94）进行。

具体测试步骤如下：

a.将养护至龄期的试件安放在试验机的下压板（或下垫板）上，试件的承压面应与成型时的顶面（工作面）垂直，试件中心应与试验机下压板（或下垫板）中心对准。

b.开动试验机，当上压板与试件接近时，调整送油阀，使接触面均衡受压。

承压试验应连续而均匀地加荷，当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油阀，直至试件破坏，然后记录破坏荷载（最大值）。

抗压强度计算公式：

P=F/A（式2.1）

式2.1中，P——无侧限抗压强度（MPa）

F——试件破坏载荷（N）

A——试件有效承压面积（mm2）

c.以三个试件强度计算值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。

当三个计算值的最大值或最小值中有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大值及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的抗压强度值；当三个计算值中有两个与中间值的差值均超过中间值的15%时，则该组试件的试验结果无效。

（2）吸水率的测定

测量所用仪器为：

电子天平：

量称500g，精确度0.001g；烘箱；大烧杯：

容积3000ml。

具体测试步骤如下：

a.将测完无侧限抗压强度没有被破坏的部分试件置于烘箱烘至恒重，称其质量m0，然后置于烧杯中，试件下面用两根φ10mm钢筋垫起来。

b.烧杯中加水，使试件完全侵入水中，保持水面恒定，待试件表面无气泡产生，取出试件，用拧干的布料擦去试件表面水分，称其质量m1。

吸水率计算公式：

Wx=（m1－m0）/m0×100%（式2.2）

式2.2中，Wx——吸水率（%）

m0——绝干试件质量（g）

m1——吸水后试件质量（g）

取三个试件实验结果的算术平均值作为测定值。

（3）耐水性能的测定

具体测试步骤如下：

a.将测完吸水率的试件，继续置于水中浸泡72小时；

b.取出试件，擦干表面水分，测其无侧限抗压强度，并记录数据。

材料的耐水性能用软化系数K来表示，软化系数值越大越好。

计算公式为：

K=f/F（式2.3）

式2.3中，K——软化系数

f——浸水时的无侧限抗压强度（MPa）

F——未浸水时的无侧限抗压强度（MPa）

取三个试件实验结果的算术平均值作为测定值。

（4）抗冻性能测定

试件的抗冻性能通过冻融循环来检测。

具体试验步骤为：

a.将养护至龄期的试件，泡水72小时至饱水状态，取出擦去表面水分，

称其质量，并测量其初始动弹性模量。

b.将试件浸入水中，水面应浸没试件顶面2cm。

c.每经历50次或25次冻融循环后，应对试件分别经行动弹模量和质量检

查。

d.冻融循环试验应连续进行。

试验结果计算：

Sn=（W0－Wn）/W0×100%（式2.4）

式2.4中，Sn——n次冻融循环后试件质量损失率（%）

W0——冻融前试件初始饱水质量（g）

Wn——n次冻融循环后试件饱水质量（g）

取三个试件实验结果的算术平均值作为测定值。

2.6微观表征

2.6.1X射线衍射分析（XRD）

本文采用日本岛津公司的XRD-7000L型全自动X衍射仪定性分析砂浆的

物相组成，XRD测试采用铜靶，电压40kV，电流30mA，扫描范围15︒-70︒，扫描速度10︒/min，步长0.02︒。

样品要求为粉末，颗粒大小约1-10µm数量级，粉末要过200～325目筛子。

不过由于在衍射仪上照射面积较大，允许采用稍粗的颗粒。

根据粉末的数量可以压在玻璃制成的通框或浅框中。

压制是一般不加粘合剂，所加压力以使粉末样品粘牢为限，再将粉末均匀覆上。

2.6.2扫描电镜分析（SEM）

本文采用电子光学公司的JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜，对试样进行了表面形貌观察和元素组成分析。

其SEM分辨率为3.5nm，EDS分辨率131.7eV。