磷尾矿—EPS玄武岩纤维改良膨胀土试验研究

2019-03-14俊翔

公路工程 2019年1期

，，，俊翔

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068)

0 引言

膨胀土是一种由强亲水性蒙脱石与伊利石组成的特殊土体，具有吸水膨胀、脱水收缩引起的反复变形工程特性，易引起道路等构筑物不均匀变形工程问题。化学改良膨胀土是最常见的改良方法[1]，目前有大量学者对改良膨胀土进行研究并取得了一些成果，查甫生等[2]采用生产乙炔废料 — 电石渣改良膨胀土，通过系统室内试验研究，确定了电石渣最佳掺合比为10%；孙树林等[3]使用碱渣改良膨胀土，有效降低了膨胀土胀缩性能，提高了膨胀土各项强度指标，确定了碱渣合理掺入比；庄心善，刘宇翼等[4-7]采用聚丙烯纤维EPS改良膨胀土，研究了EPS泡沫对膨胀土抗压强度和胀缩性能的影响，同时进行了石灰、玄武岩纤维和粉煤灰、玄武岩纤维复合改良膨胀土研究，通过室内试验，对其膨胀性及强度做了大量分析，分别得出了两类材料复合改良膨胀土的最佳掺和比；葛春兰等[8]进行了聚苯乙烯轻质泡沫加固边坡膨胀土研究；汪明武等[9]用石灰对非饱和膨胀土进行改良，分析了该复合土体的应力松弛规律；刘之葵等[10]采用水泥改良红黏土，通过室内试验研究发现水泥掺量与抗剪强度指标的关系，且水泥能提高液塑限和界限含水率。

磷尾矿是一种在磷矿开采和加工过程中产生的废弃矿渣，使用磷尾矿改良膨胀土是一种变废为宝的重大举措；EPS泡沫具有质轻、可压缩性大等特点，用其改良膨胀土可以广泛应用于道路工程中；玄武岩纤维是一种具有优越的力学性能、良好的相容性，玄武岩纤维在混凝土加固方面已得到很好的应用，但其在膨胀土改良方面的研究较少，因此，开展这方面的研究，具有重要的工程意义。

本文主要研究磷尾矿 — EPS玄武岩纤维复合改良轻质土，通过无荷膨胀率、无侧限抗压强度试验和三轴CU试验确定3种材料混合掺入的最优配比。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

膨胀土取自安徽某公路工程项目，按《公路土工试验规程》(JTG E40 — 2007)，经自由膨胀率试验测得土样的自由膨胀率为75%，由膨胀土的分类可知，该膨胀土为中膨胀土。其基本物理指标见表1。

表1 膨胀土基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of expansive soil indicators天然密度/(g·cm-3)天然含水率/%液限WL/%塑限WP/%粒组含量/%<0.005mm<0.002mm1.8322.4723033.621.6

试验用磷尾矿取自鄂州某磷矿加工厂，颜色为灰褐色，呈粉末状。其化学成分见表2。

试验用EPS泡沫颗粒取自武汉某化工厂，颗粒粒径为2～3 mm，纯颗粒密度0.022 g/cm3，堆积密度0.015 g/cm3。

试验用玄武岩纤维为短切无捻粗纱，呈薄片状，长度约为8 mm，与膨胀土混合时，成束纤维被撕开(纤维细而多)均匀地掺入到膨胀土中，其主要性能指标见表3。

表2 磷尾矿主要化学成分Table 2 Phosphorus tailings have the main chemical composi-tion%Fe2O3Al2O3P2O5CaOMgOSiO22.20.2531.8233.6215.883.36

表3 玄武岩纤维基本性能参数Table 3 Fundamental properties of basalt fiber纤维类型纤维类型单丝直径/μm密度ρ/(g·cm-3)平均长度/mm束状单丝132 6508抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa极限延伸率/%耐酸碱性/%≥2 00090～1103.5≥99

1.2 试验方案

将原状土烘干粉碎，过2 mm筛，通过击实试验得到该膨胀土的最优含水量和最大干密度分别为22.1%和1.73 g/cm3，初始含水量、干密度分别为20%和1.7 g/cm3；磷尾矿掺量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%;EPS掺量分别为0%、10%、20%、30%；玄武岩掺量分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%制备试样进行实验。其中磷尾矿与玄武岩采用质量配比，EPS采用体积配比。

本文参照《土工试验方法标准》对单一磷尾矿改良土进行无荷膨胀率试验、无侧限抗压强度试验及三轴试验，对磷尾矿—EPS、磷尾矿—EPS玄武岩纤维轻质混合土进行无荷膨胀率试验及无侧限抗压强度试验。无荷膨胀率试验采用直径尺寸为61.8 mm，高度为20 mm的环刀试样，每间隔2 h读取一次数据，直至连续两次读取数据差值小于0.01 mm时，可认为该膨胀土达到稳定状态；无侧限抗压强度试验采用YYW-Ⅱ型无侧限抗压仪进行实验，其应变速率为0.08 mm/min；固结不排水三轴剪切试验采用全自动三轴仪，应变速率为0.05 mm/min，设置100、200、300 kPa，3个不同围压进行实验。

2 磷尾矿改良土试验结果与分析

2.1 不同磷尾矿掺量下的无荷膨胀率

图1为磷尾矿添加量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%的5组试样的无荷膨胀率，由图1可知，随着磷尾矿掺量的增加，改良土无荷膨胀率分别下降了14.7%、14.54%、13.2%、2.3%，可见磷尾矿对膨胀土的膨胀性有明显抑制作用，这是因为磷尾矿中的Ca2+、Mg2+等高价阳离子与土中低价阳离子发生了置换反应使得土中高价阳离子浓度增加，由双电层原理可知扩散层厚度因此减小，导致土颗粒之间吸引力变大，土的塑性指数降低；另外由于硬凝反应改变了土体结构，随着磷尾矿增加等同于人为减少了土中的粘粒含量，因此降低了改良土的胀缩性。但这种抑制作用会随着磷尾矿掺量增加到一定量时出现减弱，当掺量过高时，多余的磷尾矿不能充分发生反应使得膨胀率的抑制效果减弱。

图1 磷尾矿掺量与无荷膨胀率关系Figure 1 Relationship between amount of phosphorus tailings and the rate of unloaded expansion rate

2.2 不同磷尾矿掺量下的无侧限抗压强度

图2为磷尾矿添加量分别为0%、2.5%、5%、7.5%、10%的5组试样的无侧限抗压强度曲线。由图可知，当掺量从0%依次增加到7.5%时，试样强度依次增加了41.5、46.4、41.8 kPa；当掺量增至10%时，试样强度降低了17.1 kPa,改良土无侧限抗压强度随磷尾矿掺量增加先增大后减小；当磷尾矿掺量为7.5%时，无侧限抗压强度达到最大值。

图2 磷尾矿掺量与抗压强度关系Figure 2 The relationship between the amount of phosphorous tailings and the compressive strength

2.3 不同磷尾矿掺量下的应力-应变关系

通过三轴CU试验得到不同围压下应力-应变关系曲线如图3所示，由图可知在同一围压下素土的峰值强度最小，为312.9 kPa，表明磷尾矿改良膨胀土能提高其抗剪强度；随着磷尾矿掺量的增加峰值强度表现出先增加后减小的趋势，在磷尾矿掺量为7.5%时，峰值强度达到最大。

由3种不同围压下各掺量的强度峰值可以看出，掺量为7.5%时，围压100、200、300 kPa对应的强度峰值分别为510.2、751.1、899.3 kPa，表明掺量一定时，峰值强度随着围压的增大而增大。

图3 不同磷尾矿掺量下应力-应变关系曲线Figure 3 Stress-strain curves under different dosage of phosphorus tailings

综合分析磷尾矿改良土无荷膨胀率、无侧限抗压强度、三轴试验可知，磷尾矿掺量为7.5%时，改良效果最佳。

2.4 不同磷尾矿掺量下的抗剪强度指标

由不同掺量下膨胀土的CU试验得到抗剪强度指标如图4所示，可得随着磷尾矿掺量的增加内摩擦角先增大后减小，且近似成二次多项式的关系，而粘聚力一直保持减小，并近似成线性关系。这是由于离子交换作用和硬凝反应使土中颗粒形成团聚体，粘聚力随之下降，而团聚体形成的粗颗粒和硬凝反应生成的CaSiO3.2H2O和Ca(AlO2)2H2O胶体附着在土颗粒表面，使土颗粒间的内摩擦角增大。

通过拟合得出了内摩擦角、粘聚力和掺量的关系表达式分别为：

Φ=- 1 368x2+316.68x-11.6

R21=0.968 9

(1)

C=-202x+105.08

R22=0.914 2

(2)

式中:Φ表示内摩擦角；C表示粘聚力；x表示掺量；R2表示拟合相关系数。

图4 内摩擦角和磷尾矿掺量、粘聚力和磷尾矿掺量关系图Figure 4 Relationship between the internal friction angle and the amount of phosphorous tailings, cohesive force and the content of phosphorus tailings

由库仑强度理论公式:

τf=c+σtanθ

(3)

结合式(1)、式(2)得到与掺量有关的抗剪强度公式：

τf= -202x+105.08+

σtan(-1 368x2+316.68x-11.6)

(4)

式中:τf表示抗剪强度；σ表示剪切滑动面上的法向应力；x表示磷尾矿掺量。

3 磷尾矿—EPS复合改良土试验结果与分析

基于磷尾矿掺量为7.5%，对EPS掺量分别为0%、10%、20%、30%的4组试样分别进行无荷膨胀率试验和无侧限抗压强度试验。

3.1 不同EPS掺量下的无荷膨胀率

从图5可以看出，EPS对土的膨胀性有明显的抑制作用，随着EPS掺量增加，这种抑制效果会增强，这是由于EPS具有很高的压缩性，当土体膨胀时会使EPS颗粒被压缩，相当于土体的膨胀能被EPS吸收，从能量守恒角度分析是由于柔性材料可以通过变形来吸收能量导致土颗粒间的膨胀力减弱，表现为宏观上膨胀率的降低。

图5 EPS掺量与无荷膨胀率关系Figure 5 Relationship between amount of phosphorus tailings and the rate of unloaded expansion rate

3.2 不同EPS掺量下的无侧限抗压强度

由图6可知，不同EPS掺量下的无侧限抗压强度变化趋势基本相似，即无侧限抗压强度随着EPS掺量的增加而减小。当掺量增加到20%时，强度峰值减小的幅度最大，减小了29.6%；峰值强度所对应的轴向应变分别为4.25%、3.19%、2.25%、0.88%，可以看出掺入EPS会降低膨胀土的延性，且降低效应会随着掺量的增加而增加；分析其机理，是由于EPS泡沫混合到土中之后增加了土颗粒之间的间距，而EPS泡沫与土之间的胶结力很小，从而减小了膨胀土的粘聚力导致宏观上抗压强度的急剧下降，并且表现为脆性破坏。因此EPS的掺量不宜过高。

图6 EPS掺量与抗压强度关系Figure 6 Relationship between EPS content and compressive strength

由图2、图5、图6进行对比分析可以看出，磷尾矿和EPS对膨胀土的膨胀性都有抑制作用，磷尾矿对膨胀土抗压强度具有加强作用，而EPS对其具有减弱作用，因此最佳掺量由抗压强度来确定，当EPS掺量超过20%时，改良土的抗压强度会低于素土的抗压强度，同时EPS掺量太小时，改良土密度减小幅度太小，因此选取EPS最佳掺量为20%。

4 磷尾矿—EPS玄武岩纤维复合改良土试验结果与分析

基于磷尾矿掺量7.5%、EPS掺量20%、玄武岩纤维掺量分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%的复合改良土进行无荷膨胀率和无侧限抗压强度试验。

4.1 不同玄武岩纤维掺量下的无荷膨胀率

从图7可以看出玄武岩纤维能够抑制土的膨胀性，随着纤维掺量的增加，呈先增加后减小的趋势。当纤维掺量为0.4%时，抑制效果最佳。

图7 纤维掺量与无荷膨胀率关系Figure 7 Relationship between fiber content and non load expansion rate

4.2 不同玄武岩纤维掺量下的无侧限抗压强度

由图8可以看出，当磷尾矿和EPS掺量一定时，纤维掺量由0%增加到0.4%时，抗压强度峰值增加了32.4 kPa，所对应的轴向应变增加了3.25%；当纤维掺量继续增加到0.6%时，抗压强度峰值下降了23 kPa，其轴向应变减小了2.31%，说明玄武岩纤维对复合改良土的抗压强度影响比较微弱，但适量的玄武岩纤维能增强膨胀土的延性，使土体从脆性破坏转变为塑性破坏。

分析其机理，由于在复合改良土中加入纤维后，土与纤维形成空间立体结构与土颗粒间的摩擦力共同作用会使改良土的抗压强度有微弱提升，同时这种空间立体结构会增强土体在破坏时的拉应力，从而使土体趋于塑性破坏。当纤维掺量过多时，纤维在土中乱向分布使这种空间立体结构会被打破，不利于增加土的抗压强度和塑性变形，因此纤维掺量不宜过高，本试验控制在0.4%最佳。

结合磷尾矿和EPS的最佳掺量可知，当磷尾矿、EPS、玄武岩纤维掺量分别为7.5%、20%、0.4%时，复合改良土的改良效果最佳。