磷石膏课程设计汇本第二章

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2.052.45，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福泉瓮福磷业开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%，已到达一级天然石膏标准，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1.52.0，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(%) Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SO3 P2O5 F-磷石膏 22.35 3.53 1.12 0.31 30.67 39.16 1.42 0.272.1.2 粉煤灰本实验采用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，只有在参加一定量的水、石灰和水泥时，才能激发活性，发生火山灰反响，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 91.25 22.2 0.480.64 3.23表2-3粉煤灰的化学成分产地 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 TiO2 烧失量西固热电厂 52.96 28.5 6.0 4.37 1.41 0.99 0.91 3.23我国?公路路面基层施工技术规?要求粉煤灰比外表积宜大于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到达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?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 年相继公布的国家行业标准?公路工程技术标准?(JT01- 2003)和?公路路基设计规?(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00.309400.809695填方00.809695960.801.5094 94931.50939290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)00.30 81000.300.805 1000.801.50 4 1501.50 3 150零填挖方00.30 8 1000.300.80 5 100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?(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)0.60.80.81.1底基层(MPa)0.50.62.3 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 龙腾电子 YB 最大量程510g，准确度0.01g，准确等级III三联模 尺寸40mm40mm160mm，可同时成型三个长方体试件压力试验机 华龙仪器 YA-100 恒温枯燥箱实验仪器厂 HG202-1 最大加热温度300，控制灵 敏度1X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-5600LV SEM分辨率为3.5nm；EDS分辨率为131.7eV2.4 试验流程图 本实验流程图如图2-3所示。称量混合均匀拌合物均匀料浆三联模中压制成型，3-4h后脱模试样养护性能测试磷石膏粉煤灰石灰水泥加适量水图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)进展。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响速度慢，导致其早期强度低，致使应用受到较大限制。首先考虑参加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的外表化学键断裂，加快火山灰反响的进展；Na2CO3、Na2SO4可以起到NaOH的作用，也可以与石灰反响生成CaCO3、CaSO42H2O，进一步反响生成钙矾石，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本钱，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，可直接参加二灰体系中，激活石灰粉煤灰的火山灰反响。但是考虑到磷石膏呈酸性，一定程度上又影响了火山灰反响的进展，所以应参加适量水泥，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，有利于火山灰反响经行。由后期试验可知，水泥的填入，一方面使施工本钱升高，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，比外表积大，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正确配合比设计。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，水化反响难以经行，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成型，但因实验室条件限制，选择在三联模采用锤击配料的方法到达击实的目的。成型试件尺寸为：80mm40mm160mm长方体试件。成型具体过程见图2-4。拌合均匀的料浆模具内腔少量装入锤击压实继续载入少量料浆锤击压实标准试件如此循环击实图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防止会产生分层现象，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34h即可脱模。分别用包膜自然养护、恒温烘箱湿热养护、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，形成比照，为后续分析养护方式对试件强度影响做好根底工作。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)进展。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场迅速变形时，停顿调整试验机油阀，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，那么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，那么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，准确度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局部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10mm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，待试件外表无气泡产生，取出试件，用拧干的布料擦去试件外表水分，称其质量m1。吸水率计算公式：Wx=(m1m0)/m0100% (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，擦干外表水分，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，取出擦去外表水分，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展。 试验结果计算： Sn=(W0Wn)/W0100% (式2.4)式2.4中，Snn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) Wnn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2.6.1 X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1-10m数量级，粉末要过200325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，对试样进展了外表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。11 / 11