高掺量磷石膏-水泥-固化剂稳定碎石基层材料的性能及强度形成机理

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0660

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (1): 346-358.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0660

高掺量磷石膏-水泥-固化剂稳定碎石基层材料的性能及强度形成机理

何兆益¹(), 邹萌²(), 姚启文³, 曹东伟⁴, 秦猛²

1.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074
2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074
3.中冶建工集团有限公司，重庆 400084
4.交通运输部公路科学研究院，北京 100088

收稿日期:2025-06-19 修订日期:2025-08-30 出版日期:2026-01-20 发布日期:2026-02-10
通信作者: 邹萌，硕士研究生。E-mail：622220951078@mails.cqjtu.edu.cn
作者简介:何兆益（1965—），男，博士，教授。主要从事路面结构与新材料方面的研究。E-mail：hzyzwb@cqjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52478444);重庆市研究生科研创新项目(CYS23486)

Performance and Strength Formation Mechanism of High Dosage Phosphogypsum-Cement-Curing Agent Stabilized Crushed Stone Base Layer Material

HE Zhaoyi¹(), ZOU Meng²(), YAO Qiwen³, CAO Dongwei⁴, QIN Meng²

1. School of Traffic & Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China
2. School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China
3. China Metallurgical Construction Engineering Group Co. ，Ltd. ，Chongqing 400084，China
4. Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China

Received:2025-06-19 Revised:2025-08-30 Published:2026-01-20 Online:2026-02-10

摘要/Abstract

摘要：

本文采用高掺量磷石膏搭配水泥、自研固化剂稳定级配碎石制备路面基层材料，研究不同水泥、磷石膏、固化剂掺量对基层材料各龄期无侧限抗压强度及路用性能的影响，结合XRD、FTIR、SEM-EDS等测试方法探讨材料的水化机制和微观特性，并测试其浸出毒性。结果表明，水泥与磷石膏的质量比增大会提升基层材料的力学性能，且使用自研地聚物固化剂替代20%（质量分数，下同）水泥后基层材料的力学性能会进一步增强。以7 d无侧限抗压强度为评价指标，结合实际工程需求，提出高掺量磷石膏-水泥-固化剂稳定碎石基层材料最优配合比：35%磷石膏+4%水泥+1%三元碱激发固化剂+60%级配碎石。相对未掺入固化剂对照组，最优配合比下基层材料7、28和60 d无侧限抗压强度分别提升了69.2%（达到6.6 MPa）、106.7%（达到9.3 MPa）和88.3%（达到11.3 MPa）。主要水化产物为水泥水化形成的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶和钙矾石（AFt），碱性固化剂不仅激发了水泥活性，还与磷石膏中的Ca²⁺通过火山灰反应进一步生成C-S-H凝胶和水化硅（铝）酸钙（C-（A）-S-H）凝胶，二者共同为基层材料提供强度。基层材料中的F^-、PO $4 3 -$ 和重金属元素的毒性浸出浓度均符合我国现行的污水排放标准。

关键词: 磷石膏, 路面基层, 固化剂, 水化特性, 无侧限抗压强度, 形成机理

Abstract:

This study investigated the use of high dosages of phosphogypsum in combination with cement and a self-developed curing agent for the stabilization of graded crushed stone， with the objective of preparing pavement base layer material. The study encompassed a comprehensive investigation into the effects of varying dosages of cement， phosphogypsum and curing agent on the unconfined compressive strength and pavement performance of base layer material at various ages. The hydration mechanism and microscopic properties of the materials were investigated by XRD， FTIR， SEM-EDS and other testing method， and its leaching toxicity was also tested. The results indicate that increasing the mass ratio of cement to phosphogypsum enhances the mechanical properties of the base layer material. Moreover， the mechanical properties of the base layer material are further optimised through the incorporation of a geopolymer curing agent， self-developed， replacing 20%（mass fraction， the same below） of the cement. The 7 d unconfined compressive strength is selected as the evaluation index， and the optimal mix ratio of high dosage phosphogypsum-cement-curing agent stabilized crushed stone base layer material is determined by combining this with the actual engineering requirements. The proposed optimal mix ratio is 35% phosphogypsum + 4% cement + 1% ternary alkali activated curing agent + 60% graded crushed stone， and the ratio of 7， 28 and 60 d unconfined compressive strengths increases by 69.2% （reaches 6.6 MPa）， 106.7% （reaches 9.3 MPa） and 88.3% （reaches 11.3 MPa）， respectively， in comparison with the control group without a curing agent. The primary hydration products are calcium silicate hydrate （C-S-H） gel and ettringite （AFt）， which are formed by the hydration of cement. The alkaline curing agent not only activated the cement but also reacted with the Ca²⁺ from the phosphogypsum via a pozzolanic reaction， further promoting the formation of C-S-H and calcium silicate （aluminate） hydrate （C-（A）-S-H） gels， the collective formation of these gels contributes to the overall strength of the base layer material. In addition， the toxic leaching concentrations of F^-， PO $4 3 -$ ， and heavy metal elements in base layer material are in accordance with the current standards established by China for sewage discharge.

Key words: phosphogypsum, road base, curing agent, hydration characteristic, unconfined compressive strength, formation mechanism

中图分类号:

U414

何兆益, 邹萌, 姚启文, 曹东伟, 秦猛. 高掺量磷石膏-水泥-固化剂稳定碎石基层材料的性能及强度形成机理[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 346-358.

HE Zhaoyi, ZOU Meng, YAO Qiwen, CAO Dongwei, QIN Meng. Performance and Strength Formation Mechanism of High Dosage Phosphogypsum-Cement-Curing Agent Stabilized Crushed Stone Base Layer Material[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(1): 346-358.

图/表 17

图1 原材料宏观与微观形貌

Fig.1 Macro and micro morphology of raw materials

表1 磷石膏和水泥的化学组成

Table 1 Chemical composition of PG and cement

Material	Mass fraction/%
Material	SO₃	CaO	SiO₂	F	P₂O₅	Al₂O₃	Fe₂O₃	Na₂O	MgO	Other
PG	52.64	38.36	4.15	1.73	1.51	0.57	0.21	0.21	0.19	0.43
Cement	1.25	54.43	22.71	—	—	9.86	4.75	0.86	2.28	3.86

图2 原材料的XRD谱

Fig.2 XRD patterns of raw materials

图3 磷石膏的含水率随时间变化图

Fig.3 Moisture content of PG versus time

图4 磷石膏的粒径分布

Fig.4 Particle size distribution of PG

表2 集料的级配设计

Table 2 Gradation design of aggregates

Sieve aperture size/mm	19.00	16.00	13.20	9.50	4.75	2.36	1.18	0.60	0.30
Pass rate of each sieve aperture in gradation design/%	100	90.5	81.0	65.5	40.0	24.8	14.5	8.0	1.5

表3 无固化剂高掺量磷石膏稳定碎石基层材料配合比

Table 3 Mix proportions of high dosage phosphogypsum stabilized crushed stone base layer material without curing agent

Number	Mass fraction/%			Cement-PG mass ratio
Number	Graded crushed stone	Cement	PG	Cement-PG mass ratio
A1	80.0	5.0	15.0	1∶3
A2	80.0	4.0	16.0	1∶4
A3	80.0	3.3	16.7	1∶5
A4	80.0	2.9	17.1	1∶6
A5	80.0	2.5	17.5	1∶7
A6	80.0	2.2	17.8	1∶8
A7	80.0	2.0	18.0	1∶9
A8	70.0	7.5	22.5	1∶3
A9	70.0	6.0	24.0	1∶4
A10	70.0	5.0	25.0	1∶5
A11	70.0	4.3	25.7	1∶6
A12	70.0	3.8	26.3	1∶7
A13	70.0	3.3	26.7	1∶8
A14	70.0	3.0	27.0	1∶9
A15	60.0	10.0	30.0	1∶3
A16	60.0	8.0	32.0	1∶4
A17	60.0	6.7	33.3	1∶5
A18	60.0	5.7	34.3	1∶6
A19	60.0	5.0	35.0	1∶7
A20	60.0	4.4	35.6	1∶8
A21	60.0	4.0	36.0	1∶9
A22	50.0	12.5	37.5	1∶3
A23	50.0	10.0	40.0	1∶4
A24	50.0	8.3	41.7	1∶5
A25	50.0	7.1	42.9	1∶6
A26	50.0	6.3	43.7	1∶7
A27	50.0	5.6	44.4	1∶8
A28	50.0	5.0	45.0	1∶9

表4 加固化剂的高掺量磷石膏稳定碎石基层材料配合比

Table 4 Mix proportion of high dosage phosphogypsum stabilized crushed stone base layer material with curing agent

Number	Curing agent type	Mass fraction/%
Number	Curing agent type	Graded crushed stone	Actual cement	Curing agent	PG
B0（control group）	—	60.0	5.0	0	35.0
B1	CA1	60.0	4.0	1.0	35.0
B2	CA1	60.0	3.0	2.0	35.0
B3	CA1	60.0	2.0	3.0	35.0
B4	CA1	60.0	1.0	4.0	35.0
B5	CA1	60.0	0.0	5.0	35.0
B6	CA2	60.0	4.0	1.0	35.0
B7	CA2	60.0	3.0	2.0	35.0
B8	CA2	60.0	2.0	3.0	35.0
B9	CA2	60.0	1.0	4.0	35.0
B10	CA2	60.0	0.0	5.0	35.0

表5 试件击实试验结果

Table 5 Proctor compaction test results of samples

Number	Optimum water content/%	Maximum dry density/（g·cm^-3）
A1	7.08	2.245
A2	7.45	2.233
A3	7.72	2.217
A4	7.93	2.209
A5	8.21	2.201
A6	8.52	2.197
A7	8.69	2.191
A8	9.54	2.154
A9	9.67	2.135
A10	9.81	2.118
A11	10.07	2.101
A12	10.23	2.087
A13	10.43	2.069
A14	10.60	2.053
A15	11.33	1.989
A16	11.60	1.976
A17	11.94	1.959
A18	12.20	1.948
A19	12.37	1.941
A20	12.49	1.926
A21	12.62	1.923
A22	13.68	1.804
A23	13.88	1.782
A24	14.01	1.760
A25	14.25	1.741
A26	14.48	1.728
A27	14.60	1.723
A28	14.75	1.712
B1	11.71	2.077
B2	11.67	2.080
B3	11.59	2.086
B4	11.55	2.091
B5	11.48	2.099
B6	11.74	2.073
B7	11.68	2.079
B8	11.63	2.083
B9	11.58	2.086
B10	11.51	2.095

图5 无固化剂试件的7、28和60 d无侧限抗压强度

Fig.5 Unconfined compressive strength of samples without curing agent at 7， 28 and 60 d

图6 含固化剂试件的7、28和60 d无侧限抗压强度

Fig.6 Unconfined compressive strength of samples with curing agent at 7， 28 and 60 d

图7 试件的劈裂强度

Fig.7 Splitting strength of samples

图8 试件干缩试验结果

Fig.8 Dry shrinkage test results of samples

图9 试件的28 d FTIR谱

Fig.9 FTIR spectra of samples at 28 d

图10 试件的28 d XRD谱及定量分析

Fig.10 XRD patterns and quantitative analysis of samples at 28 d

图11 试件的28 d SEM-EDS图

Fig.11 SEM-EDS images of samples at 28 d

表6 原状磷石膏和试件的浸出毒性及相关标准限值

Table 6 Leaching toxicity of raw PG and samples and related standard limits

Sample	Leaching concentration/（mg·L^-1）
Sample	F^-	PO $4 3 -$	Pb²⁺	Cr⁶⁺	Total Cr	As³⁺	Ba²⁺	Ni²⁺
Raw PG	144.143	315.923	0.019	—	0.046	1.628	0.069	0.054
B0	8.878	0.257	0.018	—	0.037	0.012	0.031	0.008
B1	7.120	0.196	0.012	—	0.041	0.003	0.033	0.013
B6	5.434	0.085	—	—	0.023	—	0.019	0.008
GB 8978—1996（Class A）	10.0	0.5	1.0	0.5	1.5	0.5	—	1.0
GB 5085.3—2007	100	—	5	5	15	5	100	5

表6 原状磷石膏和试件的浸出毒性及相关标准限值

Table 6 Leaching toxicity of raw PG and samples and related standard limits

Sample	Leaching concentration/（mg·L^-1）
Sample	F^-	PO $4 3 -$	Pb²⁺	Cr⁶⁺	Total Cr	As³⁺	Ba²⁺	Ni²⁺
Raw PG	144.143	315.923	0.019	—	0.046	1.628	0.069	0.054
B0	8.878	0.257	0.018	—	0.037	0.012	0.031	0.008
B1	7.120	0.196	0.012	—	0.041	0.003	0.033	0.013
B6	5.434	0.085	—	—	0.023	—	0.019	0.008
GB 8978—1996（Class A）	10.0	0.5	1.0	0.5	1.5	0.5	—	1.0
GB 5085.3—2007	100	—	5	5	15	5	100	5

参考文献 18

[1]	周　武，李　杨，冯伟光，等. 磷石膏的综合利用及其在建筑材料领域的应用研究进展［J］. 硅酸盐通报， 2024， 43（2）： 534-542.
	ZHOU W， LI Y， FENG W G， et al. Research progress on comprehensive utilization of phosphogypsum and its application in the field of building materials［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2024， 43（2）： 534-542 （in Chinese）.
[2]	宗　炜，王远辉，许　亮，等. 工业固废磷石膏路面基层材料路用性能研究［J］. 硅酸盐通报， 2024， 43（2）： 766-773.
	ZONG W， WANG Y H， XU L， et al. Pavement performance of industrial solid waste phosphogypsum pavement base material［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2024， 43（2）： 766-773 （in Chinese）.
[3]	王应富，张树光，黄　啸，等. 磷石膏-钢渣-矿渣固化低液限粉质黏土力学性能及耐久性能研究［J］. 土木工程学报， 2023， 56（增刊1）： 12-23.
	WANG Y F， ZHANG S G， HUANG X， et al. Study on mechanical properties and durability of phosphogypsum-steel slag-slag solidified low liquid limit silty clay［J］. China Civil Engineering Journal， 2023， 56（supplement 1）： 12-23 （in Chinese）.
[4]	DIWA R R， TABORA E U， PALATTAO B L， et al. Evaluating radiation risks and resource opportunities associated with phosphogypsum in the Philippines［J］. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry， 2022， 331（2）： 967-974. DOI
[5]	BOUARGANE B， LAABOUBI K， BIYOUNE M G， et al. Effective and innovative procedures to use phosphogypsum waste in different application domains： review of the environmental， economic challenges and life cycle assessment［J］. Journal of Material Cycles and Waste Management， 2023， 25（3）： 1288-1308. DOI
[6]	郑玉龙，嵇　帅，陆春华，等. 基于固废磷石膏制备胶凝材料的工艺与机制［J］. 复合材料学报， 2024， 41（3）： 1436-1446.
	ZHENG Y L， JI S， LU C H， et al. Preparation technology and mechanism of cementitious material based on solid waste phosphogypsum［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2024， 41（3）： 1436-1446 （in Chinese）.
[7]	朱雪涛，杜　兵，阿曼角，等. 半水磷石膏地下充填材料的磷和氟浸出特性及地球化学模拟［J］. 中国环境科学， 2022， 42（2）： 680-687.
	ZHU X T， DU B， A M J， et al. Leaching properties of phosphorus and fluorine in hemihydrate phosphogypsum as underground filiing materials and geochemical simulation［J］. China Environmental Science， 2022， 42（2）： 680-687 （in Chinese）.
[8]	胡良灿，李晓琴，刘宇航，等. 磷石膏建筑材料CO₂排放评价［J］. 材料导报， 2025， 39（16）： 141-146.
	HU L C， LI X Q， LIU Y H， et al. CO₂ emission evaluation for phosphogypsum building materials［J］. Materials Reports， 2025， 39（16）： 141-146 （in Chinese）.
[9]	曹涌钢，张子龙，李泽皓，等. 工业副产石膏制备α型半水石膏的研究进展［J］. 化工进展， 2025， 44（3）： 1505-1519. DOI
	CAO Y G， ZHANG Z L， LI Z H， et al. Research progress on preparation of α-hemihydrate gypsum from industrial by-product gypsum［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2025， 44（3）： 1505-1519 （in Chinese）. DOI
[10]	WU Y， BIAN X Y， LIU J， et al. Performance improvement and microstructure characterization of cement-stabilized roadbase materials containing phosphogypsum/recycled concrete aggregate［J］. Materials， 2023， 16（19）： 6607. DOI URL
[11]	石名磊，田新涛，王华进，等. 水泥-石灰-磷石膏固化赤泥的路用基层性能［J］. 长江科学院院报， 2024， 41（1）： 114-120.
	SHI M L， TIAN X T， WANG H J， et al. Performance of cement-lime-phosphogypsum solidified red mud as road base material［J］. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute， 2024， 41（1）： 114-120 （in Chinese）.
[12]	孟维正，蒋关鲁，袁德昭，等. 改良磷石膏的路用性能［J］. 建筑材料学报， 2022， 25（1）： 81-88.
	MENG W Z， JIANG G L， YUAN D Z， et al. Road performance of modified phosphogypsum［J］. Journal of Building Materials， 2022， 25（1）： 81-88 （in Chinese）.
[13]	SUN Q Q， TAO L J， LI X， et al. Study on preparation of inorganic binder stabilized material with large dosage of phosphogypsum［J］. Journal of the Korean Ceramic Society， 2023， 60（6）： 883-895. DOI
[14]	许世勇，沈卫国，吴　鹏，等. 骨料嵌锁型水泥-磷石膏基层材料的浸出毒性与环境影响研究［J］. 武汉理工大学学报， 2023， 45（9）： 36-41+54.
	XU S Y， SHEN W G， WU P， et al. Study on leaching toxicity and environmental impact of cement-phosphogypsum stabilized stone interlocking base material［J］. Journal of Wuhan University of Technology， 2023， 45（9）： 36-41+54 （in Chinese）.
[15]	KANI E N， MEHDIZADEH H. Investigating gel molecular structure and its relation with mechanical strength in geopolymer cement based on natural pozzolan using in situ ATR-FTIR spectroscopy［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2017， 29（8）： 04017078.
[16]	SANTOS V H J M， PONTIN D， PONZI G G D， et al. Application of Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR） coupled with multivariate regression for calcium carbonate （CaCO₃） quantification in cement［J］. Construction and Building Materials， 2021， 313： 125413. DOI URL
[17]	TANG L， HE Z Y， PEI S S， et al. Hydration characteristics and pollutant solidification mechanism of full solid waste electrolytic manganese residue super sulfate cement［J］. Journal of Building Engineering， 2024， 84： 108563. DOI URL
[18]	WU F H， CHEN B J， QU G F， et al. Harmless treatment technology of phosphogypsum： directional stabilization of toxic and harmful substances［J］. Journal of Environmental Management， 2022， 311： 114827. DOI URL

高掺量磷石膏-水泥-固化剂稳定碎石基层材料的性能及强度形成机理

Performance and Strength Formation Mechanism of High Dosage Phosphogypsum-Cement-Curing Agent Stabilized Crushed Stone Base Layer Material

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[1]	唐咸远, 任博文, 胡冰倩, 柳大成, 冯美杰. 超早强环保型钢渣微粉UHPC制备及形成机理[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 191-201.
[2]	鲁依萍, 黄修林, 周紫晨, 刘仕琪. 聚丙烯酸丁酯-丙烯酸/水玻璃复合改性淤泥的流变特性与力学性能[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 325-335.
[3]	岳鹏飞, 郭思标, 丁秀娟, 王玉松, 王大周, 胡悦, 张蓉蓉, 章纲, 丁金孟. 粉煤灰-矿渣-赤泥基胶凝材料固化土强度和微观机理研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 336-345.
[4]	李义胜, 吕伟, 吴赤球, 余正康, 何静, 水中和. 高掺量磷石膏胶凝材料硬化体制备及其性能调节[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(8): 2944-2954.
[5]	胡建林, 李智林, 周永祥, 冷发光, 杜修力. 生石灰激发高炉矿渣-粉煤灰地质聚合物固化土力学特性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(8): 2912-2923.
[6]	邓兴辉, 徐桂弘, 包立新, 徐韦洪, 陈孜伟, 杨步雷. 磷石膏基挤压异形砖(PG-ESB)力学性能及孔隙三参数分布特性[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(6): 2240-2249.
[7]	邱明明, 杨萌, 李晓敏, 李盛斌. 水泥固化高填方黄土抗压强度特性及其影响因素[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1927-1938.
[8]	苏瑛, 龚伟, 刘川北, 张俊. 基于机器学习的磷石膏轻骨料混凝土配合比设计与力学性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1656-1665.
[9]	闵锐, 刘馨怡, 杨甜甜, 王思莹, 刘文欢, 李辉. 循环流化床固硫灰-矿粉复合胶凝材料的性能、水化产物及其应用[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1813-1823.
[10]	魏贤华, 王得林, 李超, 钟海军, 郭龙龙. 粉煤灰基地质聚合物及含水率对固化土力学性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1949-1956.
[11]	任骏, 余永昆, 毛雯婷, 张毓, 王大富. 基于磷石膏基细轻骨料的砂浆性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1420-1427.
[12]	王紫嫣, 孙涛, 欧阳高尚. 过硫磷石膏矿渣水泥性能调控研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1208-1226.
[13]	刘彦浩, 刘路路, 刘涛, 张艳, 余刘成, 张顶飞, 战元喆. 硅灰-矿渣-电石渣协同固化黄泛区粉土力学性能与微观机理研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1513-1524.
[14]	杜俊彪, 杜运兴, 周芬, 李艳秋, 史雄刚, 熊征. 工业废渣复合固化洗砂泥的强度及耐久性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1525-1534.
[15]	吴燕开, 许美玲, 杨椿茂, 王世鑫, 郝润民, 彭亚男. 海水侵蚀下复合固化剂改良淤泥质土的物理力学特性研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(4): 1535-1545.