蘇成湘，王華，李維，羅傳鳳

(貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550014)

磷礦是貴州省的特色優(yōu)勢礦產(chǎn)，近年來因當(dāng)?shù)亓追势髽I(yè)不斷發(fā)展，產(chǎn)生越來越多的磷石膏，造成大量工業(yè)固體廢棄物堆存，給自然環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。磷石膏中所含可溶性磷、氟是影響磷石膏開發(fā)利用、造成環(huán)境污染的主要因素。目前針對磷石膏的資源化利用和環(huán)境影響開展了大量研究。在資源化利用方面，劉佃勇通過壓縮回彈、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗，研究了石灰、粉煤灰改性磷石膏混合料和水泥、粉煤灰改性磷石膏混合料的工程應(yīng)用性能，結(jié)果表明選取合理的外加劑進(jìn)行科學(xué)配合比設(shè)計，改性磷石膏混合料可滿足公路應(yīng)用要求，但磷石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅12%左右，達(dá)不到大量消耗利用磷石膏的目的；楊銀銀等針對磷石膏基復(fù)合膠凝材料早期強(qiáng)度低、膨脹開裂的缺點(diǎn)，添加適量活化劑改善其早期強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性；李志清等通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性試驗，研究了硅酸鈉在不同摻量和摻入方式下改良水泥基穩(wěn)定磷石膏的物理力學(xué)特性。在環(huán)境影響方面，陳永松等從磷礦石、生產(chǎn)工藝等方面分析了磷石膏中殘磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響因素，并針對磷石膏廢渣中可溶性磷的淋溶、浸泡特性開展了試驗研究；王萍等通過實地調(diào)查和采樣分析，研究了磷石膏堆場周邊耕地中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化、成因及污染風(fēng)險；尹朝陽等研究了磷石膏中磷、氟污染物的釋放規(guī)律，通過添加堿性螯合劑開展磷石膏的穩(wěn)定化研究，以減少可溶性磷、氟和重金屬元素的析出；幸梅等分析了江水中總磷質(zhì)量濃度超標(biāo)的原因，指出其與水土流失、磷化工企業(yè)渣場關(guān)系密切；覃應(yīng)機(jī)通過磷石膏堆場周邊地下水、地表水和磷石膏滲濾液的采樣分析，研究了堆場滲漏影響下巖溶區(qū)地下水的水質(zhì)演化規(guī)律；閆晨宇運(yùn)用Visual Modflow軟件對磷石膏渣場地下水流場進(jìn)行模擬，分析了總磷、氟化物2種特征污染物的運(yùn)移規(guī)律?，F(xiàn)有研究主要集中在材料的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面，對磷石膏混合料的可溶性磷、氟2種特征污染物釋放規(guī)律的研究很少。本文開展磷石膏基灌漿材料中可溶性磷、氟污染物的浸出特性試驗，研究磷石膏典型污染物的浸出水平，并對浸泡后材料的工程應(yīng)用性能進(jìn)行測試分析，為磷石膏基灌漿材料在公路工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗方法

1.1 材料制備

采取貴州開磷集團(tuán)息烽縣小寨壩磷石膏堆場中的磷石膏原料，按照“60%磷石膏+19%粉煤灰+15%水泥(標(biāo)號為42.5)+6%生石灰”的配比制備磷石膏基灌漿材料，磷石膏、粉煤灰、水泥、生石灰4種材料均作為膠凝材料，水膠比控制在0.40～0.45，外加1%高性能減水劑，漿液流動度為18～25 s，成型為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件(見圖1)。

圖1 磷石膏基灌漿材料試件的制備

所研發(fā)的磷石膏基灌漿材料養(yǎng)護(hù)齡期較長，在常溫干養(yǎng)護(hù)條件下26 d方可勉強(qiáng)脫模，其原因是磷石膏中結(jié)晶水質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。

1.2 浸出毒性特征試驗

1.3 室內(nèi)浸泡試驗

圖2 磷石膏基灌漿材料試件浸泡試驗

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

2.1 材料性質(zhì)判別

浸出毒性特征試驗結(jié)果如下：磷石膏基灌漿材料浸出液中氟化物質(zhì)量濃度為0.34 mg/L，磷酸根質(zhì)量濃度為0.02 mg/L，pH值為13.21。氟化物質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》中限值，判定研發(fā)的磷石膏基灌漿材料不屬于危險廢物范疇。浸出液的pH值超過GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中二級排放標(biāo)準(zhǔn)限值，將磷石膏基灌漿材料大規(guī)模應(yīng)用于公路路基可能會對周邊農(nóng)業(yè)及一般工業(yè)用水區(qū)產(chǎn)生污染，應(yīng)限制其使用。

2.2 磷石膏混合料中可溶性磷、氟釋放行為研究

2.2.1 磷石膏特征污染物浸泡試驗

進(jìn)行單純磷石膏粉末浸泡試驗，研究磷石膏中可溶性磷、氟2種特征污染物的浸出水平，考察磷石膏混合料在污染物釋放方面的阻滯效果。

2.2.2 磷石膏混合料特征污染物浸泡試驗

圖3 磷石膏混合料污染物釋放規(guī)律

2.3 浸泡后材料的工程應(yīng)用性能分析

2.3.1 體積安定性

體積安定性是指材料硬化后體積變化的穩(wěn)定性。鑒于磷石膏的微溶性，通過試驗考察磷石膏基灌漿材料在雨水侵入軟化下體積穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度。圖4分別為材料浸泡3 d和60 d時的照片。對比浸泡當(dāng)天(見圖2)的情況可看出：浸泡3 d時試件上表面開始潰爛，到60 d時已出現(xiàn)明顯的膨脹裂紋。浸泡60 d試件形態(tài)見圖5，試件潰爛部分體積膨脹，嚴(yán)重掉塊，完全失去承載能力。

圖4 磷石膏基灌漿材料試件的浸泡情況

圖5 磷石膏基灌漿材料試件浸泡60 d時形態(tài)

2.3.2 力學(xué)性能測試

為考察磷石膏基灌漿材料在遭受雨水浸泡后力學(xué)強(qiáng)度的變化，將浸泡60 d的3個試件作為試驗組、同批次常溫干養(yǎng)護(hù)未浸泡的3個試件作為參照組，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，試驗結(jié)果見表1。

表1 磷石膏基灌漿材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

從表1可看出：浸泡后磷石膏基灌漿材料試件尺寸減小，主要表現(xiàn)為試件上表面膨脹潰爛，導(dǎo)致試件寬度減小約33%。浸泡過程中試件底面和側(cè)面部位基本完好，僅在試件上表面發(fā)生破壞。這是由于試件成型時上表面材料密度較低，強(qiáng)度較弱，浸泡過程中率先進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)移，發(fā)生浸蝕破壞。另外，試驗組試件上表面的浸泡軟化和膨脹使抗壓試驗時產(chǎn)生偏壓，試件上表面端率先受力破壞，試驗組試件整體承載能力(破壞荷載)下降近41%。但試驗組試件的抗壓強(qiáng)度值下降并不大，試件中未受破壞的部分基本保持原有抗壓強(qiáng)度特性。

圖6為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗測試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖6可看出：參照組試件4～6未經(jīng)浸泡破壞，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線陡峭，材料彈性模量較大，抗壓強(qiáng)度高達(dá)11 MPa；而試驗組試件1～3經(jīng)過浸泡軟化，加載初期試件上表面膨脹部分率先受力，承載能力較弱，應(yīng)力-應(yīng)變曲線平緩，材料的彈性模量降低，抗壓強(qiáng)度略低于參照組。

圖6 磷石膏基灌漿材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

(1)磷石膏基灌漿材料不屬于危險廢物范疇，但磷石膏混合料浸出液pH值遠(yuǎn)超過GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中二級排放標(biāo)準(zhǔn)限值，大規(guī)模應(yīng)用于公路路基可能會對周邊農(nóng)業(yè)及一般工業(yè)用水區(qū)產(chǎn)生污染，應(yīng)限制其使用。

(3)由于磷石膏的微溶性，磷石膏基灌漿材料長期在水環(huán)境條件下會產(chǎn)生膨脹變形，完全喪失承載能力。

(4)公路路基是路面荷載的主要承載體，磷石膏基灌漿材料在水環(huán)境中易發(fā)生膨脹軟化，不適用于公路路基填筑。