磷石膏人造骨料组分优化及耐水性改善研究

针对磷石膏占用大量耕地资源、易产生环境污染等问题,使用磷石膏、矿渣、粉煤灰、水泥等材料制备人造骨料推动磷石膏资源化利用。通过正交设计得到最佳配比:9%(质量分数,下同)矿渣粉,10%粉煤灰,5.5%水泥,75.5%磷石膏,并通过压制制备人造骨料。人造骨料28 d筒压强度最高可达7.2 MPa,1 h吸水率低于10%。分析其固化机理可知,胶凝体系各物料相互之间反应、物料激发部分磷石膏发生水化反应生成钙矾石、水化硅酸钙凝胶等水化产物,水化产物逐渐填充颗粒间空隙,颗粒间结合更加紧密使得磷石膏基骨料强度持续发展。采用直接掺混、预处理磷石膏、浸泡包衣3种不同改善方法对其开展耐水性能改善研究,发现采用防水剂OS时,不同处理方法均能改善骨料界面亲水性,其中包衣处理后接触角达到122.7°,骨料表面已为疏水状态。包衣处理对骨料强度影响小,可有效提升骨料各项耐水性能。

高掺量磷石膏道路基层材料配比设计及性能研究

按传统矿质混合料设计掺磷石膏道路基层材料难以大规模消纳磷石膏,为实现磷石膏在道路基层材料中大规模利用,通过骨料替代法进行高掺量磷石膏道路基层材料配比设计,确定适宜的碎石比(5~10 mm粒级与10~25 mm粒级质量比39∶61)后以不同掺量替代磷石膏基胶凝材料体系,再击实然后得出最佳含水率及最大干密度。通过对设计好的配比进行性能试验筛选,得出适宜配比为P85S60,养护28 d的试件抗压强度最大达5.39 MPa,体积变化率较低,且养护7 d后试件的体积增长稳定,体积变化率最终维持在0.5%左右,有利于现场道路施工应用。所有配比浸出氟、磷均满足《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级限值,相较于常规水泥稳定碎石材料,该道路基层材料浸出液的酸碱性不会额外增加不利影响。通过XRD和SEM分析可知,胶凝材料水化产生的钙矾石和水化硅酸钙包裹在未反应的二水石膏周围,另外针棒状钙矾石和水化硅酸钙填充微小孔隙,使得试件整体结构密实、强度增加、体积稳定性增强。

混合相磷石膏基胶结材制备与早期性能研究

以混合相磷石膏为主要原料,掺入矿渣、赤泥、偏高岭土、熟料制备混合相磷石膏基胶结材,通过抗压强度、p H和浸出毒性测试研究其早期性能,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试分析水化机理。结果表明:53.76%(质量分数,下同)混合相磷石膏、9.68%矿渣、9.68%赤泥、16.13%偏高岭土和10.75%熟料可制备出性能最优的混合相磷石膏基胶结材,其3、5、7 d抗压强度分别达到8.93、10.99、13.14 MPa,p H碱性低于传统水泥基材料,总磷、氟化物浸出浓度均满足污水综合排放标准要求;磷石膏在400℃下煅烧60 min形成半水-无水混合相磷石膏,其中半水石膏和无水石膏的相对含量分别为31.7%和68.3%。混合相磷石膏基胶结材水化生成的水化硅酸钙凝胶、钙矾石和透钙磷石等物质形成致密结构,提升材料强度,阻隔污染物F^(-)、PO_(4)^(3-)浸出。混合相磷石膏基胶结材具有良好的力学性能和环境相容性,可为磷石膏规模化消纳提供新途径。

改性β-半水磷石膏固化含铅淤泥的性能及机理

采用改性β-半水磷石膏(MPG)(组成(w):50%β-半水磷石膏、23%矿渣、15%磷渣、10%熟料和2%生石灰)对含铅淤泥进行固化稳定化。实验结果表明:MPG固化材料对含铅淤泥固化效果显著,养护28 d后MPG固化体的无侧限抗压强度比水泥固化体提高了73.59%,pH降低了18.24%;MPG固化体的含水率比未固化淤泥降低了48.35%,Pb(Ⅱ)浸出浓度降低了98.48%,仅为0.032 mg/L,低于GB 3838—2002中Ⅲ类地表水Pb(Ⅱ)限值。表征结果显示,MPG固化体中生成大量钙矾石晶相,与C—S—H凝胶紧密连接,使固化体结构更加密实。

磷石膏基胶结材固结原状磷石膏充填性能研究

以水泥和磷石膏基胶结材分别作为胶凝材料,以原状磷石膏为骨料,研究不同胶砂比和质量分数下材料的流动度、泌水率、浸出特性和抗压强度,确定磷石膏基水硬性胶结充填材料最优配比,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析充填材料硬化机理。结果表明,最优配比下磷石膏基胶结材充填材料28 d抗压强度是水泥固结充填材料的1.1倍;磷石膏基胶结材28 d浸出液中氟质量浓度为4.8 mg/L,满足GB 8978-1996《污水综合排放标准》一级排放标准;磷质量浓度28 d时为0.04 mg/L,满足GB 3838-2002《地表水质量标准》Ⅱ类水质标准;磷石膏基胶结材充填体浸出液pH为9.8,远低于水泥固化充填体浸出液的pH。研究结果为磷石膏在矿井充填中应用提供了技术支撑。

甲酸钙对改性磷石膏基材料性能影响

采用水泥、矿渣、生石灰对原料磷石膏进行改性试验,研究早强剂对改性石膏基材料早期强度性能和浸出毒性的影响。通过正交试验确定最优物料组合为:磷石膏、水泥、矿渣、生石灰(外掺)质量分数分别为45%、20%、35%和3%,改性石膏基材料3 d、7 d、14 d抗压强度分别为2.725 MPa、6.3 MPa、11.825 MPa。3种早强剂中,甲酸钙对改性石膏基材料综合强度性能提升显著,3 d、7 d、14 d抗压强度分别提升至5.53 MPa、13.05 MPa、18.18 MPa。X射线衍射和扫描电镜分析结果表明,掺入甲酸钙能使改性石膏基材料早期生成大量钙矾石和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,并生成透钙磷石等物质,提升材料强度,降低浸出总磷含量,形成致密水泥石结构。同时甲酸钙能有效降低水化体系pH值,提升水化体系Ca^(2+)浓度,有效降低早期浸出F浓度,使浸出液毒性远低于污水综合排放标准,证实磷石膏在工程领域可以广泛应用。

电解锰渣胶结膏体材料的充填性能

针对电解锰渣占用大量土地资源、易产生重金属污染等问题,使用电解锰渣基胶凝材料、原状电解锰渣、中粗砂等材料制备电解锰渣自胶结膏体充填材料用于矿山回填。测试充填材料水化浆体流动度、试件抗压强度和浸出毒性,以评价该材料的性能,并用X射线衍射、扫描电镜进行表征。结果表明:该充填材料浆体流动度达到200 mm,流动性能满足充填技术要求;充填材料固化体固化28 d后,抗压强度可达到1.5 MPa以上,达到矿采场充填体强度要求;充填材料浸出毒性明显降低,主要污染重金属Mn、Co被充分固化稳定,浸出毒性满足地下水标准。固化体XRD及SEM分析发现,该充填材料水化生成的水化硅酸钙、钙矾石等晶体是固化体强度稳定、重金属得以固化的主要原因。研究表明,该方法能有效固化/稳定化电解锰渣,降低环境污染风险。

废弃盾构泥浆絮凝压滤脱水性能正交试验研究

在各类地下构筑物的施工过程中,盾构机在施工过程中会产生性质恶化无法再次重复使用的盾构废弃泥浆.若废弃盾构泥浆不能得以妥善处理,可能会对环境造成二次污染.本文基于正交试验法设计了废弃盾构泥浆含水率测试方法,针对9组不同配比、不同掺量、不同组合方式的废弃盾构泥浆进行了压滤脱水实验,并测试了压滤后泥饼的含水率.通过对试验结果进行直观分析和方差分析,在本文试验中发现聚合硫酸铁(PFS)对废弃盾构泥浆的脱水起着决定性的作用,聚合氯化铝(PAC)对废弃盾构泥浆的脱水有着显著作用,而聚丙烯酰胺(PAM)在整个压滤脱水过程中起着非决定性作用.当PAM、PAC、PFS掺量分别为0.008%、0.4%、0.50%时,废弃盾构泥浆压滤脱水效果最佳.

磷石膏基稳定材料性能劣化后污染物释放及环境风险评价

通过研究磷石膏基稳定材料在酸雨淋溶、淡水浸泡、碳化和冻融等极端情况下性能劣化后污染物浸出和现场路段主要环境敏感点污染物检出情况,评价其可能的环境风险。实验室劣化模拟试验分析表明:所有性能劣化试验浸出液中TP均满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质标准;重金属含量始终低于GB 3838—2002中Ⅰ类水质标准;在整个试验周期内,pH均优于普通水泥稳定材料;氟含量除了在碳化劣化之外,其他条件劣化后浸出液均满足GB/T 14848—2017《地下水质量标准》的Ⅳ类或GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》。现场试验路段环境敏感点污染物检测结果表明:周边环境中氟化物浓度显著降低,土壤和周边地表水中TP及重金属浓度呈无规则统计规律,试验路段环境中TP及重金属浓度与磷石膏基稳定材料之间不存在明显的关联关系。因此,磷石膏基稳定材料应做好配方设计,科学管理施工过程,定期进行适当养护,才能在道路上推广应用时保持环境污染风险可控。