磷石膏–水泥改良黄土动力特性试验

2021-10-20艾志军

岩土工程技术 2021年5期

艾志军

（呼和浩特市城市轨道交通建设管理有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

黄土是一类具有吸附、膨胀、收缩等特性的多孔性黄色粉土沉积物，广泛分布于中纬度干旱及半干旱地区，我国黄土主要集中于甘肃、宁夏、山西、陕西等地。在“一带一路”倡议下，国家加大了西北地区的基础设施建设，为满足区域经济的快速发展，一大批高速铁路项目在这些地区规划修建[1−2]。但是，由于原状黄土具有强水敏性和动力易损性，黄土地区修建的铁路路基易出现震陷、坍塌等工程地质灾害，路基填料改良已成为路基设计的重要内容之一[3−5]。

在高速铁路运行过程中，由于列车行驶速度极高，对路基的沉降变形要求也越严格。黄土高原地区大部分处于高地震烈度区，尤其是在列车荷载周期往复（动荷载）作用下，极易造成土颗粒及土体结构的动力损伤，因此，对黄土的动力特性进行研究具有十分重要的工程意义[6−7]。为了满足工程需要，常采用加筋[8−9]、掺粉煤灰[10]、掺水泥[11−12]等方式对原状黄土进行改良处理，并通过试验获得了不同改良方式下的黄土动力特性。其中，水泥改良方式最为常用，且改良加固效果相对较好，但是水泥改良黄土也存在成本高、高水灰质量比、固结时间长等缺点。磷石膏作为磷酸生产过程中产生的固体废弃物，若不加以处理，则对大气、土壤和地下水系统等环境将造成严重污染，由于我国磷石膏产量十分巨大，但综合利用率不足30%，若能通过特殊手段将磷石膏应用于黄土路基的改良工程中，可以实现磷石膏的变废为宝，同时促进社会经济与环境的协调发展。相关研究表明，磷石膏与水泥搭配使用，可以有效改善路面基层的水稳性，同时极大提高淤泥质软土的强度特性[13−15]。

鉴于水泥+磷石膏混合材料拥有良好的改良特性，但目前应用于黄土改良的试验还比较少见。通过设计不同配比磷石膏–水泥改良黄土并进行动力特性试验，相关研究成果可为黄土路基改良工程提供新的思路，也可为实现磷石膏的资源化利用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验黄土取自甘肃天水地区，经室内试验测得原状黄土的塑限为15.4%，液限为28.7%，塑性指数为13.3，天然含水率为13.3%，天然密度为1.44 g/cm3，最优含水率为15.1%，对应的最大干密度为1.85 g/cm3，黏粒、粉粒、砂粒的占比分别为18.5%、72.5%和8%。

试验水泥采用峨眉山牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，密度为2.84 g/cm3，细度为3.1%，烧失量为3.25%，主要化学成分为CaO和SiO2，占比分别为62.6%和23.7%。

试验磷石膏的主要成分为CaSO4·2H2O（其中CaO含量约为25.6%，SO3含量约为41.3%），重金属含量约为4.7%，含水率为13.3%。

1.2 试验设备

动力测试系统采用GDS高精度双向振动三轴仪，该试验系统主要包括制动单元、三轴压力室、控制器、平衡器以及数据采集存储装置等。仪器动态频率最大值为10 Hz；荷载最大值为60 kN，适合试样尺寸38～150 mm，也可定制试件尺寸（见图1）。

图1 GDS动三轴试验仪

1.3 试验方案及步骤

试验步骤：（1）将野外取得的黄土进行风干、碾碎，然后过2 mm筛；（2）按一定配比将水泥、磷石膏和黄土进行均匀拌和；（3）将各组土样制成50 mm×100 mm的标准圆柱形试件，标准养护28 d；（4）将试件放入三轴室，经反压饱和后，进行动三轴测试（应力循环次数设置为10000次，若中途发生震陷破坏，则终止试验）。

试验方案：试验围压均为10 kPa，固结比Kc（Kc=σ1/σ3）值为2.5，振动频率选取5 Hz；试验配比分为5组，包括素土对比试验组和掺水泥+磷石膏试验组，水泥+磷石膏为黄土质量的20%，水泥/磷石膏质量比分为1∶4、1∶3、1∶2和1∶1共4组；试验动应力幅值分别为50.9 kPa、101.8 kPa、152.7 kPa、203.6 kPa和254.5 kPa，具体试验方案见表1。

表1 试验方案

2 试验结果分析

2.1 累积塑性应变–振次关系

试验得到的不同试验组的累积塑性应变与振次的关系见图2。从图2中可以看到：在相同配比下，随着动应力幅值的增大，改良黄土的累积塑性应变（动应变）随振次的变化呈不同的变化特征；在较低动应力下（50.9 kPa和101.8 kPa）时，试件经过10000次动荷载作用后未发生加速应变特征，即累积塑性应变包括衰减变形和稳态变形两个阶段，此时试件处于硬化作用阶段，主要为原始孔隙和微裂纹被压密闭合，土颗粒受到挤压被重新排列，当动应力适中时（152.7 kPa），累积塑性应变速率加快，试件内部逐渐产生损伤，但不足以使试件发生总体破坏；当动应力较大时（203.6 kPa和254.5 kPa），不同配比下的应变发展情况不同，A组和B组在10000次振次内均发生了加速应变变形，试件发生失稳破坏，C、D、E组在203.6 kPa下有向加速应变变形发展的趋势，但在10000次振次内并未发生整体破坏，C和D组在254.5 kPa下发生了失稳破坏，而E组未发生破坏；相同动应力下，磷石膏–水泥改良试验组的应变变形小于素土试验组（即震陷量变小），且随水泥含量的提升逐渐减小；水泥掺量的增加，提升了黄土抵抗动力变形的能力，增加了自身的强度和脆性，使得黄土试件从塑性变形破坏向脆性变形破坏转变（即加速变性特征越不明显）。

图2 累积塑性应变–振次关系曲线

从整体上来看，磷石膏–水泥有助于黄土动力特性的改良，这主要得益于以下3个原因：（1）磷石膏–水泥与黄土中物质成分相互反应，生成方解石等比较坚硬的物质，而伊利石和绿泥石这些相对较软的成分减少；（2）在硫酸根离子浓度足够的情况下，水泥会与之产生大量的钙矾石，钙矾石具有很强的膨胀特性，可以起到填充黄土颗粒孔隙结构的作用；（3）钙矾石还会与水化硅酸钙反应生成一种空间网状结构物质，在黄土孔隙之间起到“连接绳”作用，增加了受力面积，对于试件的动力学性能有利。

2.2 动弹性模量–动应力关系

每振动1000次计算一次动弹性模量，然后对所计算的动弹性模量取平均值，得到不同试验组的动弹性模量随动应力的变化曲线（见图3）。从图3中可以看到：磷石膏–水泥改良黄土的动弹性模量较素土试验组明显提高，提升幅度约为2～3倍，水泥的掺量越高，提升幅度越大，这是因为在磷石膏含量足够的情况下，能够提供足量的硫酸根离子与水泥进行反应并生成钙矾石，钙矾石的膨胀填充作用使得试件本身更加致密，因而动弹性模量随水泥掺比增大而增大；随着动应力的逐渐增大，同一试验组的黄土动弹性模量总体呈先增加后减小的变化特征，在低动应力下，试件在试验振次内被逐渐压密，试件强度不断提高，因而动弹性模量增大，当动应力达到一定幅值后，试件在经历短暂的压密变形后随即进入剪胀损伤，试件整体结构受到扰动，强度遭到破坏，因而动弹性模量降低。

图3 动弹性模量变化曲线

2.3 阻尼比–动应力关系

同理，每振动1000次计算一次动阻尼比，然后对所计算的阻尼比取平均值，得到不同试验组的阻尼比随动应力的变化曲线（见图4）。从图4中可以看到：经磷石膏–水泥改良过后的黄土的阻尼比明显小于素土组，表明其抗震性能明显提升，这是因为磷石膏–水泥改良过后，黄土试件结构更加致密，试件内部的架空孔隙减小、颗粒间间距减小，使得在震动作用下，颗粒不易发生错位变动（挤压错位），因而阻尼比减小；随着动应力的增大，阻尼比呈先减后增变化特征，这表明试件内部经历一个从结构致密到结构松散破坏的变化过程，这与上文分析原因类似，不再赘述。

图4 阻尼比变化曲线

2.4 动应变–动应力关系

试验得到的各试验组动应变随动应力的变化关系见图5。从图5中可以看到：动应变随动应力的增大逐渐增大，相同动应力下，素土组的动应变明显大于改良试验组，这表明磷石膏–水泥改良黄土的震陷性得到明显改善，根据动应变与动应力的相关关系，可用Hardin-Drnevich双曲线模型[16]对其进行描述：

图5 动应变–动应力关系曲线

式中：σd为动应力，kPa；εd为动应变，%；a、b为试验常数，a的倒数为初始最大动弹性模量Edmax，MPa，b的倒数为初始最大动应力σdmax。

通过数值分析软件计算得到的Hardin-Drnevich模型参数情况见表2。从表中可以看到：计算得到的不同试验组初始最大动弹性模量Edmax随着水泥掺比的增加不断增大，而初始最大动应力的增幅不是特别明显，而且在E组下时还略有降低，这可能与水泥掺量增大后，与磷石膏反应生成的钙矾石过量，形成膨胀损伤有关；从整体上来看，磷石膏–水泥改良过后的黄土动力特性参数均有不同程度提高，表明其抗震性能越来越优越。

表2 Hardin-Drnevich双曲线模型参数计算结果

2.5 疲劳动应力门槛值

参照蠕变试验中等时应力–应变曲线确定长期强度的方法，对不同试验组作等振次应力–应变曲线（见图6）。等时应力–应变曲线法的原理为将不同应力等级下的蠕变曲线在同一时间点下的蠕变应变值取出，绘制所得的应力–应变曲线出现明显拐点处即为材料的长期强度，由于累积塑性应变随振次的变化规律与蠕变曲线形似，因此，通过选取不同振次下的应变也可作相应的应力–应变曲线；从图6中可以看到，在素土情况下，当应力达到100 kPa左右时，黄土等振次应力–应变曲线已出现较为明显的应变拐点，而经过磷石膏–水泥改良后，黄土的等振次应力–应变曲线拐点较素土有所提高，且拐点均在150 kPa左右，表明磷石膏–水泥改良黄土的动力特性有明显改善，疲劳动应力门槛值有较大提升。

但是，从试验结果中也可以看到，虽然磷石膏–水泥对黄土的疲劳动应力有所提升，但水泥掺比对疲劳动应力门槛值的影响并不明显，分析可能原因包括：①本次试验的应力等级设置偏少，使得拐点并不清晰，这将在今后研究中做进一步改善；②水泥的掺入虽然能增加试件的强度，同时使试件由延性往脆性转变，其增加了在同一动应力下抵抗变形的能力，但只要振次够多，试件仍会发生震陷破坏，水泥的掺入只是起到延缓作用；③水泥掺比过高后，反而会因为钙矾石的过量膨胀性对试件产生损伤（应力反噬），使得试件的抗震性能提升效果减弱。