【摘 要】
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磷石膏是一种典型的工业固体废渣,其排放量大但利用率低,国家十四五规划中明确提出要大幅度提升磷石膏的利用率,并探索磷石膏在路基材料中的应用,路基是提升磷石膏消纳量的重要途径之一。磷石膏是气硬性胶凝材料,其强度低、耐水性差、并且含磷、氟以及重金属离子等化学杂质,从而严重限制了其在实际工程中的推广应用。为实现磷石膏在路基填料中的大掺量应用,本文采用重金属固化能力强的地聚物为固化剂,大掺量磷石膏为集料,制
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磷石膏是一种典型的工业固体废渣,其排放量大但利用率低,国家十四五规划中明确提出要大幅度提升磷石膏的利用率,并探索磷石膏在路基材料中的应用,路基是提升磷石膏消纳量的重要途径之一。磷石膏是气硬性胶凝材料,其强度低、耐水性差、并且含磷、氟以及重金属离子等化学杂质,从而严重限制了其在实际工程中的推广应用。为实现磷石膏在路基填料中的大掺量应用,本文采用重金属固化能力强的地聚物为固化剂,大掺量磷石膏为集料,制备了地聚物固化磷石膏路基填料（GPRF）。首先基于力学性能指标确定了地聚物固化剂,并开展了GPRF的组成设计研究,确定了包括磷石膏掺量在内的关键组成设计参数。在路用性能方面,通过实验研究了GPRF的抗压强度、抗剪强度、加州承载比、回弹模量、膨胀量、软化系数、吸水率、质量损失及干湿循环等力学性能和水稳性能指标,并对磷石膏原材料、GPRF试样和GPRF浸出液的特征污染物含量等环保性能指标进行测试分析;随后采用Materials studio 8.0软件建立了GPRF结构模型、表面浸润模型和界面接触模型,模拟了三种分子动力学模型在纳观尺度上的材料属性、润湿性能及特征污染物的迁移运动,并结合XRD和SEM微观手段进一步揭示了GPRF的固化机理。研究取得的成果和结论如下:（1）通过组成设计优化,制备了满足力学性能要求并具有水稳性能的磷石膏路基填料。相同磷石膏掺量下,黏聚力和内摩擦角决定着GPRF结构面的黏结咬合程度,结构面结合程度越好,承受荷载和抵抗变形的能力越强,CBR承载比和回弹模量越大;接触角影响着GPRF材料表面的浸润性能,接触角越大,润湿性能越差,水对材料的影响越小,膨胀量、平均吸水率、质量损失及强度损失越小。（2）地聚物固化的磷石膏路基填料经济且环保。GPRF试样和浸出液中特征污染物含量均满足环保指标要求,且GPRF比普通回填土可节约13.1%的经济成本。（3）表征了特征污染物离子的固化方式和迁移运动轨迹。分子动力学模拟表明了特征污染物离子通过物理吸附及与钙原子化学键合的方式被固化。（4）揭示了地聚物固化磷石膏路基填料的固化过程和固化特点。GPRF结构体系内石膏、钙矾石和石英等三种矿物成分经过物理压实、化学激发和离子交换作用、凝胶和钙矾石粘结作用、团聚作用以及物理填充等五个过程逐渐形成密实结构。
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