， ， ， 俊翔

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

0 引言

膨脹土是一種由強親水性蒙脫石與伊利石組成的特殊土體，具有吸水膨脹、脫水收縮引起的反復(fù)變形工程特性，易引起道路等構(gòu)筑物不均勻變形工程問題?；瘜W(xué)改良膨脹土是最常見的改良方法[1]，目前有大量學(xué)者對改良膨脹土進行研究并取得了一些成果，查甫生等[2]采用生產(chǎn)乙炔廢料 — 電石渣改良膨脹土，通過系統(tǒng)室內(nèi)試驗研究，確定了電石渣最佳摻合比為10%；孫樹林等[3]使用堿渣改良膨脹土，有效降低了膨脹土脹縮性能，提高了膨脹土各項強度指標，確定了堿渣合理摻入比；莊心善，劉宇翼等[4-7]采用聚丙烯纖維EPS改良膨脹土，研究了EPS泡沫對膨脹土抗壓強度和脹縮性能的影響，同時進行了石灰、玄武巖纖維和粉煤灰、玄武巖纖維復(fù)合改良膨脹土研究，通過室內(nèi)試驗，對其膨脹性及強度做了大量分析，分別得出了兩類材料復(fù)合改良膨脹土的最佳摻和比；葛春蘭等[8]進行了聚苯乙烯輕質(zhì)泡沫加固邊坡膨脹土研究；汪明武等[9]用石灰對非飽和膨脹土進行改良，分析了該復(fù)合土體的應(yīng)力松弛規(guī)律；劉之葵等[10]采用水泥改良紅黏土，通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)水泥摻量與抗剪強度指標的關(guān)系，且水泥能提高液塑限和界限含水率。

磷尾礦是一種在磷礦開采和加工過程中產(chǎn)生的廢棄礦渣，使用磷尾礦改良膨脹土是一種變廢為寶的重大舉措；EPS泡沫具有質(zhì)輕、可壓縮性大等特點，用其改良膨脹土可以廣泛應(yīng)用于道路工程中；玄武巖纖維是一種具有優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的相容性，玄武巖纖維在混凝土加固方面已得到很好的應(yīng)用，但其在膨脹土改良方面的研究較少，因此，開展這方面的研究，具有重要的工程意義。

本文主要研究磷尾礦 — EPS玄武巖纖維復(fù)合改良輕質(zhì)土，通過無荷膨脹率、無側(cè)限抗壓強度試驗和三軸CU試驗確定3種材料混合摻入的最優(yōu)配比。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

膨脹土取自安徽某公路工程項目，按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40 — 2007)，經(jīng)自由膨脹率試驗測得土樣的自由膨脹率為75%，由膨脹土的分類可知，該膨脹土為中膨脹土。其基本物理指標見表1。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)指標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/%粒組含量/%<0.005mm<0.002mm1.8322.4723033.621.6

試驗用磷尾礦取自鄂州某磷礦加工廠，顏色為灰褐色，呈粉末狀。其化學(xué)成分見表2。

試驗用EPS泡沫顆粒取自武漢某化工廠，顆粒粒徑為2～3 mm，純顆粒密度0.022 g/cm3，堆積密度0.015 g/cm3。

試驗用玄武巖纖維為短切無捻粗紗，呈薄片狀，長度約為8 mm，與膨脹土混合時，成束纖維被撕開(纖維細而多)均勻地摻入到膨脹土中，其主要性能指標見表3。

表2 磷尾礦主要化學(xué)成分Table 2 Phosphorus tailings have the main chemical composi-tion%Fe2O3Al2O3P2O5CaOMgOSiO22.20.2531.8233.6215.883.36

表3 玄武巖纖維基本性能參數(shù)Table 3 Fundamental properties of basalt fiber纖維類型纖維類型單絲直徑/μm密度ρ/(g·cm-3)平均長度/mm束狀單絲132 6508抗拉強度/MPa 彈性模量/GPa極限延伸率/%耐酸堿性/%≥2 00090～1103.5≥99

1.2 試驗方案

將原狀土烘干粉碎，過2 mm篩，通過擊實試驗得到該膨脹土的最優(yōu)含水量和最大干密度分別為22.1%和1.73 g/cm3，初始含水量、干密度分別為20%和1.7 g/cm3；磷尾礦摻量分別為0%、2.5%、5%、7.5%、10%;EPS摻量分別為0%、10%、20%、30%；玄武巖摻量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%制備試樣進行實驗。其中磷尾礦與玄武巖采用質(zhì)量配比，EPS采用體積配比。

本文參照《土工試驗方法標準》對單一磷尾礦改良土進行無荷膨脹率試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗及三軸試驗，對磷尾礦—EPS、磷尾礦—EPS玄武巖纖維輕質(zhì)混合土進行無荷膨脹率試驗及無側(cè)限抗壓強度試驗。無荷膨脹率試驗采用直徑尺寸為61.8 mm，高度為20 mm的環(huán)刀試樣，每間隔2 h讀取一次數(shù)據(jù)，直至連續(xù)兩次讀取數(shù)據(jù)差值小于0.01 mm時，可認為該膨脹土達到穩(wěn)定狀態(tài)；無側(cè)限抗壓強度試驗采用YYW-Ⅱ型無側(cè)限抗壓儀進行實驗，其應(yīng)變速率為0.08 mm/min；固結(jié)不排水三軸剪切試驗采用全自動三軸儀，應(yīng)變速率為0.05 mm/min，設(shè)置100、200、300 kPa，3個不同圍壓進行實驗。

2 磷尾礦改良土試驗結(jié)果與分析

2.1 不同磷尾礦摻量下的無荷膨脹率

圖1為磷尾礦添加量分別為0%、2.5%、5%、7.5%、10%的5組試樣的無荷膨脹率，由圖1可知，隨著磷尾礦摻量的增加，改良土無荷膨脹率分別下降了14.7%、14.54%、13.2%、2.3%，可見磷尾礦對膨脹土的膨脹性有明顯抑制作用，這是因為磷尾礦中的Ca2+、Mg2+等高價陽離子與土中低價陽離子發(fā)生了置換反應(yīng)使得土中高價陽離子濃度增加，由雙電層原理可知擴散層厚度因此減小，導(dǎo)致土顆粒之間吸引力變大，土的塑性指數(shù)降低；另外由于硬凝反應(yīng)改變了土體結(jié)構(gòu)，隨著磷尾礦增加等同于人為減少了土中的粘粒含量，因此降低了改良土的脹縮性。但這種抑制作用會隨著磷尾礦摻量增加到一定量時出現(xiàn)減弱，當摻量過高時，多余的磷尾礦不能充分發(fā)生反應(yīng)使得膨脹率的抑制效果減弱。

圖1 磷尾礦摻量與無荷膨脹率關(guān)系Figure 1 Relationship between amount of phosphorus tailings and the rate of unloaded expansion rate

2.2 不同磷尾礦摻量下的無側(cè)限抗壓強度

圖2為磷尾礦添加量分別為0%、2.5%、5%、7.5%、10%的5組試樣的無側(cè)限抗壓強度曲線。由圖可知，當摻量從0%依次增加到7.5%時，試樣強度依次增加了41.5、46.4、41.8 kPa；當摻量增至10%時，試樣強度降低了17.1 kPa,改良土無側(cè)限抗壓強度隨磷尾礦摻量增加先增大后減??；當磷尾礦摻量為7.5%時，無側(cè)限抗壓強度達到最大值。

圖2 磷尾礦摻量與抗壓強度關(guān)系Figure 2 The relationship between the amount of phosphorous tailings and the compressive strength

2.3 不同磷尾礦摻量下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

通過三軸CU試驗得到不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示，由圖可知在同一圍壓下素土的峰值強度最小，為312.9 kPa，表明磷尾礦改良膨脹土能提高其抗剪強度；隨著磷尾礦摻量的增加峰值強度表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在磷尾礦摻量為7.5%時，峰值強度達到最大。

由3種不同圍壓下各摻量的強度峰值可以看出，摻量為7.5%時，圍壓100、200、300 kPa對應(yīng)的強度峰值分別為510.2、751.1、899.3 kPa，表明摻量一定時，峰值強度隨著圍壓的增大而增大。

圖3 不同磷尾礦摻量下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Figure 3 Stress-strain curves under different dosage of phosphorus tailings

綜合分析磷尾礦改良土無荷膨脹率、無側(cè)限抗壓強度、三軸試驗可知，磷尾礦摻量為7.5%時，改良效果最佳。

2.4 不同磷尾礦摻量下的抗剪強度指標

由不同摻量下膨脹土的CU試驗得到抗剪強度指標如圖4所示，可得隨著磷尾礦摻量的增加內(nèi)摩擦角先增大后減小，且近似成二次多項式的關(guān)系，而粘聚力一直保持減小，并近似成線性關(guān)系。這是由于離子交換作用和硬凝反應(yīng)使土中顆粒形成團聚體，粘聚力隨之下降，而團聚體形成的粗顆粒和硬凝反應(yīng)生成的CaSiO3.2H2O和Ca(AlO2)2H2O膠體附著在土顆粒表面，使土顆粒間的內(nèi)摩擦角增大。

通過擬合得出了內(nèi)摩擦角、粘聚力和摻量的關(guān)系表達式分別為：

Φ=- 1 368x2+316.68x-11.6

R21=0.968 9

(1)

C=-202x+105.08

R22=0.914 2

(2)

式中:Φ表示內(nèi)摩擦角；C表示粘聚力；x表示摻量；R2表示擬合相關(guān)系數(shù)。

圖4 內(nèi)摩擦角和磷尾礦摻量、粘聚力和磷尾礦摻量關(guān)系圖Figure 4 Relationship between the internal friction angle and the amount of phosphorous tailings, cohesive force and the content of phosphorus tailings

由庫侖強度理論公式:

τf=c+σtanθ

(3)

結(jié)合式(1)、式(2)得到與摻量有關(guān)的抗剪強度公式：

τf= -202x+105.08+

σtan(-1 368x2+316.68x-11.6)

(4)

式中:τf表示抗剪強度；σ表示剪切滑動面上的法向應(yīng)力；x表示磷尾礦摻量。

3 磷尾礦—EPS復(fù)合改良土試驗結(jié)果與分析

基于磷尾礦摻量為7.5%，對EPS摻量分別為0%、10%、20%、30%的4組試樣分別進行無荷膨脹率試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗。

3.1 不同EPS摻量下的無荷膨脹率

從圖5可以看出，EPS對土的膨脹性有明顯的抑制作用，隨著EPS摻量增加，這種抑制效果會增強，這是由于EPS具有很高的壓縮性，當土體膨脹時會使EPS顆粒被壓縮，相當于土體的膨脹能被EPS吸收，從能量守恒角度分析是由于柔性材料可以通過變形來吸收能量導(dǎo)致土顆粒間的膨脹力減弱，表現(xiàn)為宏觀上膨脹率的降低。

圖5 EPS摻量與無荷膨脹率關(guān)系Figure 5 Relationship between amount of phosphorus tailings and the rate of unloaded expansion rate

3.2 不同EPS摻量下的無側(cè)限抗壓強度

由圖6可知，不同EPS摻量下的無側(cè)限抗壓強度變化趨勢基本相似，即無側(cè)限抗壓強度隨著EPS摻量的增加而減小。當摻量增加到20%時，強度峰值減小的幅度最大，減小了29.6%；峰值強度所對應(yīng)的軸向應(yīng)變分別為4.25%、3.19%、2.25%、0.88%，可以看出摻入EPS會降低膨脹土的延性，且降低效應(yīng)會隨著摻量的增加而增加；分析其機理，是由于EPS泡沫混合到土中之后增加了土顆粒之間的間距，而EPS泡沫與土之間的膠結(jié)力很小，從而減小了膨脹土的粘聚力導(dǎo)致宏觀上抗壓強度的急劇下降，并且表現(xiàn)為脆性破壞。因此EPS的摻量不宜過高。

圖6 EPS摻量與抗壓強度關(guān)系Figure 6 Relationship between EPS content and compressive strength

由圖2、圖5、圖6進行對比分析可以看出，磷尾礦和EPS對膨脹土的膨脹性都有抑制作用，磷尾礦對膨脹土抗壓強度具有加強作用，而EPS對其具有減弱作用，因此最佳摻量由抗壓強度來確定，當EPS摻量超過20%時，改良土的抗壓強度會低于素土的抗壓強度，同時EPS摻量太小時，改良土密度減小幅度太小，因此選取EPS最佳摻量為20%。

4 磷尾礦—EPS玄武巖纖維復(fù)合改良土試驗結(jié)果與分析

基于磷尾礦摻量7.5%、EPS摻量20%、玄武巖纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%的復(fù)合改良土進行無荷膨脹率和無側(cè)限抗壓強度試驗。

4.1 不同玄武巖纖維摻量下的無荷膨脹率

從圖7可以看出玄武巖纖維能夠抑制土的膨脹性，隨著纖維摻量的增加，呈先增加后減小的趨勢。當纖維摻量為0.4%時，抑制效果最佳。

圖7 纖維摻量與無荷膨脹率關(guān)系Figure 7 Relationship between fiber content and non load expansion rate

4.2 不同玄武巖纖維摻量下的無側(cè)限抗壓強度

由圖8可以看出，當磷尾礦和EPS摻量一定時，纖維摻量由0%增加到0.4%時，抗壓強度峰值增加了32.4 kPa，所對應(yīng)的軸向應(yīng)變增加了3.25%；當纖維摻量繼續(xù)增加到0.6%時，抗壓強度峰值下降了23 kPa，其軸向應(yīng)變減小了2.31%，說明玄武巖纖維對復(fù)合改良土的抗壓強度影響比較微弱，但適量的玄武巖纖維能增強膨脹土的延性，使土體從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹?/p>

分析其機理，由于在復(fù)合改良土中加入纖維后，土與纖維形成空間立體結(jié)構(gòu)與土顆粒間的摩擦力共同作用會使改良土的抗壓強度有微弱提升，同時這種空間立體結(jié)構(gòu)會增強土體在破壞時的拉應(yīng)力，從而使土體趨于塑性破壞。當纖維摻量過多時，纖維在土中亂向分布使這種空間立體結(jié)構(gòu)會被打破，不利于增加土的抗壓強度和塑性變形，因此纖維摻量不宜過高，本試驗控制在0.4%最佳。

結(jié)合磷尾礦和EPS的最佳摻量可知，當磷尾礦、EPS、玄武巖纖維摻量分別為7.5%、20%、0.4%時，復(fù)合改良土的改良效果最佳。

圖8 纖維摻量與抗壓強度關(guān)系Figure 8 Relationship between fiber content and compressive strength

5 結(jié)論

a.適量的磷尾礦改良膨脹土能夠有效降低膨脹土的膨脹率，并且對膨脹土的抗壓強度和三軸剪切強度都有提高；過多摻入磷尾礦會使改良效應(yīng)減弱，磷尾礦最佳摻量為7.5%。

b.通過三軸CU試驗分析了磷尾礦摻量與抗剪強度指標的關(guān)系，粘聚力與摻量成線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角與摻量成二次多項式關(guān)系，同時根據(jù)庫侖強度公式提出了與摻量有關(guān)的經(jīng)驗參考公式，即:

τf= -202x+105.08+

σtan(-1 368x2+316.68x-11.6)。

c.由磷尾礦 — EPS改良土試驗可知，在基于最佳磷尾礦摻量下加入EPS后，能夠降低膨脹土的密度，抑制其膨脹率，但會降低膨脹土的抗壓強度，并使土呈脆性破壞。通過綜合分析確定EPS摻量控制在20%時效果最佳。

d.由磷尾礦 — EPS玄武巖纖維改良土試驗可知，在基于磷尾礦和EPS最佳摻量下加入玄武巖纖維能夠增加土體的延性，但對抗壓強度影響較小，同時摻量不宜過大，0.4%最佳。

e.通過以上改良試驗，得到復(fù)合改良膨脹土最佳混合摻量，即：磷尾礦、EPS、纖維分別為7.5%、20%、0.4%。