细粒式磷渣在公路基层中的应用研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0738

摘要/Abstract

摘要：

为了推进磷渣的高值化利用，改善公路基层的力学性能与路用性能，本文以细粒式磷渣替代部分碎石集料制备公路基层混合料，全面分析了混合料的无侧限抗压强度、抗压回弹模量、水稳定性及抗裂性能的影响因素。结果表明，水泥剂量、磷渣掺量、养护龄期对混合料的无侧限抗压强度与抗压回弹模量具有显著影响，混合料的无侧限抗压强度、抗压回弹模量均随磷渣掺量的提高而有所减小。混合料的水稳定性随着磷渣掺量的提高先增加后降低，当磷渣掺量为25%（质量分数）时，混合料的水稳系数达到93%。与未掺磷渣的对照组相比，随着磷渣掺量的提高，试件早期干缩应变与干缩系数较大，但后期干缩应变与干缩系数较小，混合料的抗裂性能有所改善。对磷渣在云南省某二级公路进行了公路基层材料的工程应用，公路的检测合格率为100%，验证了磷渣在公路基层材料中应用的可行性。

关键词: 公路基层, 磷渣掺量, 水稳定性, 抗裂性能, 工程应用

Abstract:

To promote the high-value utilization of phosphorus slag， improve the mechanical properties and road performance of highway base， this paper used fine-grained phosphorus slag to replace part of the gravel aggregate to prepare a highway base mixture. The factors affecting the unconfined compressive strength， compressive resilient modulus， water stability， and crack resistance of the mixture were comprehensively analyzed. The results show that the cement dosage， phosphorus slag dosage， and curing age have a significant effect on the unconfined compressive strength and compressive resilient modulus of the mixture. The unconfined compressive strength and compressive resilient modulus of the mixture decrease with the increase of phosphorus slag dosage. The water stability of the mixture increases first and then decreases with the increase of phosphorus slag dosage. When the phosphorus slag dosage is 25% （mass fraction）， the water stability coefficient of the mixture reaches 93%. Compared with the control group without phosphorus slag， with the increase of phosphorus slag dosage， the early dry shrinkage strain and dry shrinkage coefficient of the specimens are larger， but the later dry shrinkage strain and dry shrinkage coefficient are smaller， which improves the crack resistance of the mixture. The engineering application of phosphorus slag in the highway base material of a secondary road in Yunnan Province was carried out. The qualified rate of the highway is 100%， which verifies the feasibility of the application of phosphorus slag in the highway base material.

Key words: highway base, phosphorus slag dosage, water stability, crack resistance, engineering application

中图分类号:

U416.214

蔡银, 李睿, 包天鹏. 细粒式磷渣在公路基层中的应用研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 202-211.

CAI Yin, LI Rui, BAO Tianpeng. Application of Fine-Grained Phosphorus Slag in Highway Base[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(1): 202-211.

图/表 22

图1 磷渣的XRD谱

Fig.1 XRD pattern of phosphorus slag

表1 磷渣的主要化学组成

Table 1 Main chemical composition of phosphorus slag

Composition	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	P₂O₅	SO₃	F^-
Mass fraction/%	45.14	42.38	3.75	1.73	2.54	1.78	1.52	0.94

表2 粗集料性能检测结果

Table 2 Property test results of coarse aggregate

Inspection item	Grain size/mm	Apparent density/（g·cm^-3）	Water content/%	Crushing value/%	Needle leaf content/%
Test results	4.75~<9.50	2.76	0.8	—	8.9
Test results	9.50~26.50	2.68	0.7	17	8.9

表3 细集料性能检测结果

Table 3 Property test results of fine aggregate

Inspection item	Grain size/mm	Plasticity index/%	Apparent density/（g·cm^-3）	Water content/%	Sand equivalent/%
Test results	0~2.36	13	2.83	1.0	73

表4 水泥性能检测结果

Table 4 Property test results of cement

Inspection item	Setting time		Compressive strength/MPa		Flexural strength/MPa
Inspection item	Initial setting/min	Final setting/min	3 d	28 d	3 d	28 d
Test results	236	359	19.2	48.1	4.9	8.2

表5 混合料的合成级配（密实型级配）

Table 5 Composite gradation of mixture （dense gradation）

Proportion of phosphorus slag replace gravel （mass fraction）/%	Cumulative passing rate of different standard sieves（mass fraction）/%
	31.5 mm	19.0 mm	9.50 mm	4.75 mm	2.36 mm	0.60 mm	0.075 mm
0	100.0	83.3	50.1	29.4	25.9	12.3	3.5
25	100.0	80.4	50.6	40.8	30.8	11.4	2.7
50	100.0	82.0	56.7	49.8	32.1	8.6	2.0
75	100.0	100.0	97.1	88.8	62.1	20.0	4.2
100	100.0	100.0	96.1	85.1	49.7	10.3	0.9

表6 试验配合比及7 d无侧限抗压强度测试结果

Table 6 Mix proportion and test results of 7 d unconfined compressive strength

Sample No.	Mass fraction/%					R_d/MPa	C_V/%	R/MPa
Sample No.	Cement	Phosphorus slag	2#	3#	4#	R_d/MPa	C_V/%	R/MPa
A1	3.5	0	40	35	25	5.25	6.3	5.71
A2	3.5	25	47	10	18	4.08	7.6	4.52
A3	3.5	50	43	0	7	3.75	7.5	4.15
A4	3.5	75	0	0	25	2.03	4.8	2.16
A5	3.5	100	0	0	0	1.52	5.2	1.63
B1	4.5	0	40	35	25	6.35	3.5	6.65
B2	4.5	25	47	10	18	4.99	4.8	5.32
B3	4.5	50	43	0	7	4.82	2.4	4.97
B4	4.5	75	0	0	25	2.57	3.1	2.68
B5	4.5	100	0	0	0	1.64	5.5	1.76
C1	5.5	0	40	35	25	6.81	5.6	7.34
C2	5.5	25	47	10	18	5.90	6.9	6.47
C3	5.5	50	43	0	7	4.76	8.5	5.34
C4	5.5	75	0	0	25	2.92	4.3	3.09
C5	5.5	100	0	0	0	1.90	6.7	2.08

图2 磷渣掺量对混合料含水率和干密度的影响

Fig.2 Effect of different phosphorus slag dosage on moisture content and dry density of mixture

图3 最佳含水率和最大干密度的关系

Fig.3 Relationship between optimum moisture content

图4 4.5%水泥剂量与不同磷渣掺量下试件的

Fig.4 Unconfined compressive strength of specimens with

图5 5.5%水泥剂量与不同磷渣掺量下试件的无侧限抗压强度无侧限抗压强度

Fig.5 Unconfined compressive strength of specimens with 5.5% cement dosage and different phosphorus slag dosages 4.5% cement dosage and different phosphorus slag dosages

图6 不同磷渣掺量下试件的抗压回弹模量

Fig.6 Compressive resilient modulus of specimens with different phosphorus slag dosages

图7 不同养护龄期下试件的抗压回弹模量

Fig. 7 Compressive resilient modulus of specimens at different curing ages

图8 干缩应变与养护龄期的关系

Fig.8 Relationship between drying shrinkage strain and curing age

图9 干缩系数与养护龄期的关系

Fig.9 Relationship between drying shrinkage coefficient and curing age

图10 不同水泥剂量与磷渣掺量下试件的水稳定性

Fig.10 Water stability of specimens under different cement dosages and phosphorus slag dosages

图11 磷渣原材料的SEM照片

Fig.11 SEM images of phosphorus slag raw materials

图12 磷渣与水反应7 d的SEM照片

Fig.12 SEM images of phosphorus slag reacting with water for 7 d

图13 磷渣与水反应28 d的SEM照片

Fig. 13 SEM images of phosphorus slag reacting with water for 28 d

图14 混合料的施工流程

Fig.14 Construction process of mixture

表7 留样的力学性能测试结果

Table 7 Mechanical properties test results of retained specimens

R_d/MPa	C_V/%	R/MPa	Compactness/%
4.93	4.8	5.24	98

表8 混合料的验收检测结果

Table 8 Acceptance test results of mixture

Inspection item	Check point	Qualified point	Passing rate/%
Compactness	12	12	100
Thickness	10	10	100
Planeness	8	8	100
Profile elevation	13	13	100

参考文献 24

[1]	唐国旺，李建华，邓　强，等. 超细磷渣粉对混凝土性能的影响及内在机理［J］. 建筑材料学报， 2025， 28（8）： 767-773.
	TANG G W， LI J H， DENG Q， et al. Effect of ultrafine phosphorus slag on concrete performance and its internal mechanism［J］. Journal of Building Materials， 2025， 28（8）： 767-773 （in Chinese）.
[2]	张　敏，马倩敏，郭荣鑫，等. 磷渣-水泥复合及碱磷渣胶凝材料力学性能实验研究［J］. 硅酸盐通报， 2020， 39（2）： 376-382+401.
	ZHANG M， MA Q M， GUO R X， et al. Mechanical properties of phosphorus slag-Portland cement composite and alkali phosphorus slag cementitious materials［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2020， 39（2）： 376-382+401 （in Chinese）.
[3]	JI G H， GAO X， SOHN I， et al. Review of beneficiation techniques and new thinking for comprehensive utilization of high-phosphorus iron ores［J］. Minerals Engineering， 2025， 223： 109176. DOI URL
[4]	颜碧兰，王　昕. 磷渣在水泥和混凝土中的应用与标准研究进展［J］. 中国水泥， 2011（1）： 49-53.
	YAN B L， WANG X. Application and standard research progress of phosphorus slag in cement and concrete［J］. China Cement， 2011（1）： 49-53 （in Chinese）.
[5]	ZHANG Y N， WU Q， YANG D K， et al. Study on the properties of alkali-activated phosphorus slag mortar mixed with granulated blast furnace slag/fly ash［J］. Journal of the Australian Ceramic Society， 2024， 60（4）： 1281-1291. DOI
[6]	ALVAREZ J L， GEDDES R， RICE J E， et al. Elemental phosphorus slag exposure study in southeastern Idaho， USA［J］. International Congress Series， 2002， 1225： 131-138. DOI URL
[7]	姜关照，吴爱祥，王贻明. 碱激发水泥-磷渣固化性能及与含硫尾砂的相容性［J］. 工程科学学报， 2020， 42（8）： 963-971.
	JIANG G Z， WU A X， WANG Y M. Curing performance of alkali-activated cement-phosphorous slag and its compatibility with sulfur tailings［J］. Chinese Journal of Engineering， 2020， 42（8）： 963-971 （in Chinese）.
[8]	吴昕谕. 磷渣及磷石膏用于水泥生产的技术方案［J］. 建材发展导向， 2023， 21（16）： 18-20.
	WU X Y. Technical scheme of phosphorus slag and phosphogypsum used in cement production［J］. Development Guide to Building Materials， 2023， 21（16）： 18-20 （in Chinese）.
[9]	姚之琦，孙志立，问立宁. 我国黄磷及精细磷酸盐生产的困境和发展机遇［J］. 磷肥与复肥， 2019， 34（11）： 1-3.
	YAO Z Q， SUN Z L， WEN L N. Difficulties and opportunities of yellow phosphorus and fine phosphate production in China［J］. Phosphate & Compound Fertilizer， 2019， 34（11）： 1-3 （in Chinese）.
[10]	张　冰，杨　林，杨　松，等. 磷渣砂特性及其对砂浆性能的影响［J］. 贵州大学学报（自然科学版）， 2014， 31（2）： 108-111.
	ZHANG B， YANG L， YANG S， et al. Properties of phosphorus slag sand and their influence on the performance of mortar［J］. Journal of Guizhou University （Natural Sciences）， 2014， 31（2）： 108-111 （in Chinese）.
[11]	查　进，周明凯，沈卫国. 水泥稳定磷渣碎石基层材料的研究［J］. 公路， 2004， 49（12）： 186-189.
	ZHA J， ZHOU M K， SHEN W G. A study on basecourse of cement stabilizing phosphorous slag and gravel［J］. Highway， 2004， 49（12）： 186-189 （in Chinese）.
[12]	周明凯，查进，沈卫国. 磷渣路面基层材料的设计、制备与性能研究（英文）［J］. 中山大学学报（自然科学版）， 2007， 46（增刊1）： 159-160.
	ZHOU M K， ZHA J， SHEN W G. Design， preparation and property of phosphorous slag road base materials［J］. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni， 2007， 46（supplement 1）： 159-160.
[13]	陈　青，张　覃，李先海，等. 贵州某磷渣矿物学特征及作水泥掺合料可行性研究［J］. 矿冶工程， 2019， 39（3）： 89-92+98.
	CHEN Q， ZHANG Q， LI X H， et al. Research on mineralogical characteristics and feasibility of phosphorus slag from Guizhou as a cement additive［J］. Mining and Metallurgical Engineering， 2019， 39（3）： 89-92+98 （in Chinese）. DOI
[14]	LV X D， YANG L， WANG F Z， et al. Hydration， microstructure characteristics， and mechanical properties of high-ferrite Portland cement in the presence of fly ash and phosphorus slag［J］. Cement and Concrete Composites， 2023， 136： 104862. DOI URL
[15]	SHAN Y C， ZHUANG S Y， YU X. Understanding the impact of ultrafine phosphorus slag on the workability of cement paste［J］. Powder Technology， 2025， 455： 120800. DOI URL
[16]	PANG L， AN M Z. Value-added reuse of fine phosphorus slag powder in composite cementitious materials［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2025， 37（6）： 04025148.
[17]	JIN J L， DING J J， XIONG L， et al. On the preparation of low-temperature-rise and low-shrinkage concrete based on phosphorus slag［J］. Fluid Dynamics & Materials Processing， 2024， 20（4）： 803-814.
[18]	ALLAHVERDI A， PILEHVAR S， MAHINROOSTA M. Influence of curing conditions on the mechanical and physical properties of chemically-activated phosphorous slag cement［J］. Powder Technology， 2016， 288： 132-139. DOI URL
[19]	姚宇飞，唐永鹏，石　鑫. 磷渣用作混凝土细骨料的可行性研究［J］. 混凝土世界， 2019（11）： 62-65.
	YAO Y F， TANG Y P， SHI X. Feasibility study on phosphorus slag used as fine aggregate in concrete［J］. China Concrete， 2019（11）： 62-65 （in Chinese）.
[20]	刘望生，张英英，郭友欢，等. 三种工业废渣作为活性矿物掺合料的对比研究［J］. 混凝土， 2015（9）： 139-141.
	LIU W S， ZHANG Y Y， GUO Y H， et al. Three kinds of industrial waste residue as a comparative study of active mineral admixture［J］. Concrete， 2015（9）： 139-141 （in Chinese）.
[21]	钱国平，蒋　博，巨锁基. 水泥稳定磷渣碎石混合料早期强度试验［J］. 中外公路， 2016， 36（1）： 254-257.
	QIAN G P， JIANG B， JU S J. Early strength test of cement stabilized phosphorus slag macadam mixture［J］. Journal of China & Foreign Highway， 2016， 36（1）： 254-257 （in Chinese）.
[22]	李　强. 贵州公路水泥锰渣稳定碎石基层应用研究［D］. 重庆：重庆交通大学， 2021.
	LI Q. Research on application of cement manganese slag stabilized crushed stone base of guizhou highway［D］. Chongqing： Chongqing Jiaotong University， 2021 （in Chinese）.
[23]	刘　超，赵德强，马　倩，等. 水泥-磷石膏稳定碎石路面基层材料的研究与应用［J］. 硅酸盐通报， 2023， 42（6）： 2121-2130.
	LIU C， ZHAO D Q， MA Q， et al. Research and application of cement-phosphogypsum stabilized crushed stone pavement base material［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2023， 42（6）： 2121-2130 （in Chinese）.
[24]	郑武西. 钢渣在水泥稳定碎石基层中的应用研究［D］. 西安：长安大学， 2018.
	ZHENG W X. Application of steel slag in cement stabilized crushed stone base［D］. Xi’an： Chang’an University， 2018 （in Chinese）.