磷尾矿-EPS改性轻质土膨胀性及强度试验研究

庄心善 杨文博 王康 李凯

摘 要：为研究磷尾矿-EPS复合改性轻质土的强度及膨胀性，试验采用安徽某工程项目区的膨胀土，在保持含水率和干密度不变的情况下，将磷尾矿按不同质量比0%、3%、6%、9%掺入膨胀土中，对改性土进行了无荷膨胀率、无侧限抗压强度试验。结果表明：当磷尾矿掺入量为6%时，抗压强度最大，改性土膨胀率随磷尾矿掺量增加逐渐降低;将EPS按质量比0%、0.25%、0.50%、0.75%、1%掺入6%的磷尾矿改性土中，对复合改性土进行上述试验，得出改性土膨胀率与EPS掺量之间呈线性递减规律，抗压强度随EPS掺量增加呈逐渐降低趋势;对试验结果进一步分析，引入改良效应系数，确定EPS掺量与改良效应系数之间的关系，得到EPS掺量为0.25%时，改良效应系数最大，改良效果最好。

关键词：磷尾矿;EPS;无荷膨胀率;抗压强度;改良效应系数

中图分类号：TU443文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.028

Experimental Study on Expansibility and Strength of Phosphorus Tailings EPS Modified Lightweight Soil

ZHUANG Xinshan， YANG Wenbo， WANG Kang， LI Kai

（School of Civil Architecture and Environment， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract：  In order to study the effect of strength and swelling of phosphate tailings-EPS composite modified light soil， it used the expansive soil from a project area in Anhui， mixed into expansive soil according to different mass ratios of 0%， 3%， 6% and 9% and carried out the test of no-load expansion rate and unconfined compressive strength of modified soil under the conditions of with constant moisture content and dry density. The results show that when the incorporation of phosphate tailings is 6%， the compressive strength is the maximum and the expansion rate is gradually decreased with the increase of soil phosphorus tailings content change; EPS according to the mass ratio of 0%， 0.25% and 0.5% phosphate tailings， 0.75% and 1% adding 6% modified bentonite， the composite modified soil in the test， obtains between the change soil expansion rate and the content of EPS is decreasing linearly， the compressive strength is decreased gradually with increasing EPS dosage; further analysis of test results， the improved effect coefficient， determine the relationship between EPS content and improved effect coefficient， EPS content is 0.25%， The improved effect coefficient is the biggest and the improvement effect is the best.

Key words： phosphorus tailings; EPS; no-load expansion rate; compressive strength; modified effect index

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，具有多裂隙性、强膨胀性及反复变形性等工程特性，可引起铁路公路等构筑物因不均匀变形而破坏。学术界对膨胀土改良进行了大量探讨，李妥德等[1]在20世纪90年代进行了矿渣改良膨胀土工程性质研究，将改良后的膨胀土用于边坡防护工程;孙树林等[2]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;查甫生等[3]采用生产乙炔的废料——电石渣改良膨胀土，得到了电石渣掺量、养护龄期与改良土的涨缩性、黏聚力、内摩擦角的关系，确定了电石渣最佳掺和比为10%;汪明武等[4]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;庄心善等[5]采用水泥、聚丙烯纤维EPS复合改良膨胀土，通过系统的室内试验，对其膨胀性及强度进行大量分析，得出了两种材料复合改良膨胀土的最佳掺和比，在此基礎上，聚苯乙烯轻质泡沫有机聚合材料改良膨胀土逐渐引起了学术界的关注;葛春兰等[6]进行了聚苯乙烯轻质泡沫加固边坡膨胀土研究;刘宇翼等[7]研究了聚苯乙烯泡沫（EPS）轻质混合土的胀缩特性;梅利芳等[8]对EPS轻质改良土进行了力学性质的试验研究。

笔者主要研究磷尾矿-EPS复合改性轻质土，在最佳含水率和最大干密度的前提下，将EPS轻质泡沫按质量比掺入改性土中，对改性土进行无荷膨胀率、无侧限抗压强度试验，分析EPS轻质泡沫对膨胀土强度及膨胀性的影响规律，以期为膨胀土的加固改良提供一种新方案。

1 试验材料与方案

1.1 膨胀土

试验膨胀土取自安徽某工程项目区，主要成分为伊利石-蒙脱石混合矿物，并含有少量的高岭石，颜色为黄褐色，硬性半坚固状态，其基本物理指标见表1。

1.2 磷尾矿

磷尾矿取自大冶某磷矿加工厂，颜色为灰褐色，呈粉末状，其化学成分见表2。

1.3 EPS颗粒

聚苯乙烯泡沫塑料颗粒取自武汉某化工厂，颗粒粒径为2～3 mm，纯颗粒密度为0.022 g/cm3，堆积密度为0.015 g/cm3。

1.4 试验方案

1.4.1 磷尾矿改性土试验

基于膨胀土最佳含水率17%，最大干密度1.7 g/cm3，分别按掺量为0%、3%、6%、9%将磷尾矿掺入膨胀土中，搅拌均匀，装入塑料袋中密封完好，放置在保湿玻璃缸中，静置24 h后取出，制备直径为61.8 mm、高度为20 mm的环刀试样，进行无荷膨胀率试验，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;制备高80 mm、直径为39.1 mm的圆柱体试样，制备时采用静压法，分4层压实，制备完成后及时进行养护，对其进行无侧限抗压强度试验。

1.4.2 EPS-磷尾矿改性土试验

在保持最佳含水率和最大干密度条件下，分别将质量比为0%、0.25%、0.50%、0.75%、1%的EPS颗粒与质量比为6%磷尾矿掺入膨胀土中，按上述方法制备试样，对试样进行无荷膨胀率试验、无侧限抗压强度试验，试样破坏后照片见图1。

2 试验结果分析

2.1 磷尾矿改性土

图2为不同磷尾矿掺量对试样抗压强度的影响，图3为磷尾矿掺量与最终膨胀率的关系。由图2、图3可见，改良土无侧限抗压强度与素土相比有一定的提高，随着磷尾矿掺量增加，抗压强度出现先增大后减小趋势，在掺量为6%时，强度达到最大值;改性土最终膨胀率随磷尾矿掺量增加逐渐降低，说明磷尾矿对膨胀土膨胀性有一定抑制作用。

2.2 EPS-磷尾矿改性土

图4为EPS掺量与抗压强度的关系。由图4可见，EPS掺入后，改性土无侧限抗压强度有明显降低，EPS掺量由0%增加至1%，改性土抗压强度峰值由523.8 kPa降至356.8 kPa，降幅31.88%。这说明改性土无侧限抗压强度随EPS掺量增加，呈现逐渐降低趋势，掺入EPS 不利于膨胀土强度提升。

图5为膨胀率与时间的关系。由图5可见，随时间的延长，改性土经历了快速膨胀期、缓慢膨胀期、趋于稳定期三个阶段的变化。快速膨胀期维持0～3 h，改性土迅速吸水饱和，膨胀率涨幅最大;3～8 h内，改性土吸水膨胀仍在继续，但膨胀率涨幅逐渐减小，改性土进入缓慢膨胀期;8 h后，膨胀率逐渐停止增长，改性土膨胀趋于稳定。当EPS掺入后，同一时刻改性土膨胀率随掺量增加，呈现逐渐降低趋势，这说明EPS可有效抑制膨胀土的胀缩性，这种抑制效果随其掺量的增加越发明显，当EPS掺量为1%时膨胀率最低，抑制效果最佳。

图6为EPS掺量与最终膨胀率的关系。由图6可见，EPS掺量与改性土最终膨胀率近似呈线性递减关系，在此定义最终膨胀率为y，EPS掺量为x，则y与x的线性方程可表示为y=11.72-6.34x。

由上述分析得知，膨胀土中掺入磷尾矿，可提升其抗压强度;掺入EPS可有效降低改性土膨胀率，抑制膨胀性，但会导致其强度降低。因此，对改性土抗压强度、最终膨胀率进一步分析，定义了改良效应系数的概念，即同一EPS掺量下的绝对膨胀率降低率（即不同EPS掺量下的绝对膨胀率与EPS掺量为零的膨胀率之差，除以EPS掺量为零的膨胀率）与绝对抗压强度降低率（即不同EPS掺量下抗压强度峰值与EPS掺量为零的抗压强度峰值之差，除以EPS掺量为零的强度峰值）之比，反映了单位强度降低率下的绝对膨胀率降低效率，由此来评价EPS改良膨胀土的效果，计算结果见表3。

图7为EPS掺量与改良效应系数的关系。由表3、图7可知，EPS改性土的改良效应系数分别为2.35、1.82、1.79、1.84。由此可见，当EPS掺量为0.25%时，改良效应系数最大，最大值为2.35。

因0.2%的EPS为初始最小掺量，不足以说明其为最佳掺和比，故配置0.1%的EPS掺量改性轻质土，对其进行上述试验，得出其抗压强度峰值为493.63 kPa，绝对膨胀率为12.17%，确定其绝对强度降低率为5.76%，绝对膨胀率降低率为10.43%，改良效应系数为1.81。将该系数插入图7，重新绘制EPS掺量与改良效应系数的关系，见图8。从图8可知，0.25%的EPS掺量下改良效应系数最大，因此确定了EPS的最佳掺量为0.25%。

分析其改良机理可知，EPS密度小、质量轻且压缩度高，掺入土中后，有效减轻了土体自重，在土体膨胀过程中提供了胀缩空间，有效吸收了土体膨胀产生的能量，使得土体形成一个良好体系，对土体因反复胀缩而产生裂缝形成良好的抑制作用;同时，磷尾矿会与膨胀土发生离子交换反应以及硬凝反应，导致改良土内摩擦角增大，強度提高。

磷尾矿-EPS改良膨胀土，对膨胀土强度有一定提升，对其膨胀性有良好的抑制作用，改性轻质土降低了土体自重，以减小工后沉降，磷尾矿、EPS最佳掺量分别为6%、0.25%。

3 结 论

在保持最佳含水率和最大干密度条件下，采用磷尾矿-EPS，对安徽某工程项目区膨胀土进行复合改良试验研究，得到了如下结论：

（1）磷尾矿掺入膨胀土中，对其无侧限抗压强度有提升作用，对其膨胀性有一定的抑制作用，磷尾矿掺量为6%时，改良土无侧限抗压强度最大。

（2）EPS密度小、质量轻且压缩度高，掺入膨胀土后，对其胀缩性有良好的抑制作用，EPS掺量与最终膨胀率近似呈线性递减关系，即掺量越大，改性土膨胀率越小，但EPS掺入会导致改性土强度下降。

（3）在定义了改良效应系数后，对不同EPS掺量下，绝对强度降低率与绝对膨胀率降低率进行了进一步分析，得出不同EPS掺量下改良效应系数曲线，当EPS掺量为0.25%时，改良效应系数最大，改良效果最佳。

（4）與素土相比，磷尾矿-EPS改良膨胀土，对膨胀土胀缩性有良好的抑制效应，对其抗压强度有明显提升作用，改性土自重降低，以减小工后沉降，磷尾矿、EPS最佳掺量分别为6%、0.25%。

参考文献：

[1] 李妥德，赵中秀.用矿渣复合料改良膨胀土的工程性质[J].岩土工程学报，1993，15（5）：11-23.

[2] 孙树林，郑青海，唐俊，等.碱渣改良膨胀土室内试验研究[J].岩土力学，2012，33（6）：1608-1612.

[3] 查甫生，郝爱玲，赵林，等.电石渣改良膨胀土试验研究[J].工业建筑，2014，44（5）：65-69，105.

[4] 汪明武，李健，徐新宇，等. 非饱和石灰改良膨胀土应力松弛试验研究[J].工业建筑，2016，46（9）：93-98.

[5] 庄心善，苑立森，梅利芳.聚丙烯纤维EPS轻质混合土抗压强度试验研究[J].水电能源科学，2014，32（7）：97-100，104.

[6] 葛春兰，邹维列，夏熙临，等.EPS用于膨胀土渠坡稳定的压缩与蠕变特性试验研究[J].长江科学院院报，2014，31（9）：65-73.

[7] 刘宇翼，周国庆，苏运河，等.聚苯乙烯泡沫塑料颗粒-膨胀土混合料的胀缩特性试验研究[J].工业建筑，2017，47（5）：90-95.

[8] 梅利芳，徐光黎.纤维聚苯乙烯泡沫颗粒轻质土的制备及力学性能[J].复合材料学报，2016，33（10）：2355-2362.

【责任编辑 赵宏伟】