磷尾礦最佳摻量下EPS和聚丙烯 纖維改良膨脹土試驗

莊心善 王康 王俊翔 李凱

摘要：以南水北調中線工程南陽膨脹土為研究對象，在保持含水率20%和干密度1.7 g/cm.3不變的條件下，基于磷尾礦最佳摻量為7.5%，分別將EPS顆粒、聚丙烯纖維按不同比例摻入膨脹土中進行無荷膨脹率、無側限抗壓強度和三軸CU試驗。試驗結果表明：EPS顆粒能有效抑制膨脹土的膨脹性，但會降低膨脹土的強度和延性，當摻量不為0%時，復合改良土應力應變曲線均隨圍壓的增加，由應變軟化型向應變硬化型過渡，15%為最佳摻量。進一步分析發(fā)現(xiàn)黏聚力和內摩擦角與摻量均呈線性負相關，并得到與摻量有關的抗剪強度公式。聚丙烯纖維對復合改良土抗壓強度峰值影響較小，但能提高其延性和殘余強度，使土體由脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐?。最終得到磷尾礦、EPS顆粒和聚丙烯纖維最佳摻量分別為7.5%、15%、0.4%。

關鍵詞：膨脹土;磷尾礦;EPS;聚丙烯纖維;抗剪強度

中圖分類號：U416.167文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：莊心善

Experimental study on EPS polypropylene fiber modified expansive soil under optimum dosage of phosphate tailings

ZHUANG Xinshan，WANG Kang，WANG Junxiang，LI Kai

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

Abstract：The expansive soil in the middle route of South-to-North Water Diversion Project in Nanyang was taken as the research object.Under the condition of keeping moisture content and dry density unchanged at 20% and 1.7 g/cm.3，respectively，based on the ?7.5% optimum dosage of phosphate tailings，we mixed EPS particles and polypropylene fibers in different proportions and added them into the expansive soil for tests of unloaded swelling ratio，unconfined compressive strength，and triaxial CU.The results showed that EPS particles can effectively restrain the expansion and shrinkage of expansive soil，but will reduce the strength and ductility of the expansive soil.With the increase of confining pressure，the stress-strain curves of the modified soils with more than 0% dosage will all increase and change from strain softening type to strain hardening type，with 15% as the best dosage.Further analysis showed that the cohesion and internal friction angle are both linearly negatively correlated with the dosage.A formula of shear strength related to dosage was obtained.Polypropylene fiber has smaller effects on the peak compressive strength of the composite modified soil，but it can increase the ductility and residual strength of the latter，so that the soil can be transformed from brittle failure to plastic failure.After comprehensive analysis，we found the optimum dosages of phosphorus tailings，EPS particles and polypropylene fibers to be 7.5%，15%，and 0.4%，respectively.

Key words：expansive soil;phosphorous tailings;EPS;polypropylene fiber;shear strength

膨脹土是一種具有較高塑限的黏土，含有大量的強親水性礦物質——蒙脫石和伊利石，具有吸水膨脹、脫水收縮引起的反復變形工程特性[1-4]，容易給工程建設帶來一系列工程問題，如渠道破壞、地基隆起等[5-8]。為了解決這一難題，目前有大量學者對膨脹土進行了改良處理研究并取得了一些成果，其中化學改良膨脹土是最常見的改良方法[9-11]，查甫生[12]等采用生產乙炔廢料—電石渣改良膨脹土，通過系統(tǒng)室內試驗研究，確定了電石渣最佳摻合比為10%;孫樹林等[13]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，確定了廢渣合理摻量;曾娟娟等[14-15]使用生物酶改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)生物酶能顯著降低膨脹土的膨脹性，并能提高土體的抗剪強度;莊心善等[16-17]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、玄武巖纖維復合改良膨脹土研究，通過室內試驗，分別得出了兩類材料復合改良膨脹土的最佳摻和比;葛春蘭等[18]進行了EPS輕質泡沫加固邊坡膨脹土研究，通過不同密度的無側限的單軸壓縮與蠕變試驗，提出了能完整描述其受壓過程的本構模型。

磷尾礦是一種在磷礦開采和加工過程中產生的廢棄礦渣，使用磷尾礦改良膨脹土對土體的強度和膨脹性有一定的改善作用[19];EPS泡沫具有質輕、可壓縮性高、穩(wěn)定性強等特點，能夠顯著改善膨脹土的膨脹性，廣泛應用于道路工程中[20-21];聚丙烯纖維是一種具有優(yōu)越的力學性能、良好的相容性的材料，能夠提高膨脹土的抗裂性能和抗拉性能[22-25]。

綜上所述，已有研究成果均是對其中一種或兩種材料進行膨脹土改良研究，鮮少有人同時利用以上三種材料進行復合改良土研究。本文結合磷尾礦、EPS和聚丙烯纖維各自對膨脹土改良的特點，基于磷尾礦最佳摻量下依次使用EPS和聚丙烯纖維對膨脹土進行復合改良，通過無荷膨脹率、無側限抗壓強度試驗和三軸CU試驗，力求得到三種材料復合改良土的最佳配合比。

1試驗材料及方案

1.1試驗材料

膨脹土取自南水北調中線工程輸水總干渠南陽段建設工地，呈黃褐色，硬性半堅固狀態(tài)，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。

磷尾礦取自鄂州某磷礦加工廠，顏色為灰褐色，呈粉末狀，其化學成分見表2。 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/cm.3，堆積密度0.015 g/cm.3。

聚丙烯纖維取自山東濱州某化纖制品公司，該纖維具有密度小、不吸濕、分散性好等特點，其主要性能指標見表3。

1.2試驗方案

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20%和1.7 g/cm.3。保持最優(yōu)含水量和最大干密度不變的情況下，進行改良土試驗。

1.2.1磷尾礦改良土試驗

磷尾礦按質量比分別以0%、2.5%、5%、7.5%、10%摻入膨脹土中進行無荷膨脹率試驗和無側限抗壓強度試驗，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);無側限抗壓強度試驗使用全自動三軸儀，應變速率為0.08 mm/min。

1.2.2磷尾礦-EPS復合改良土試驗

基于磷尾礦最優(yōu)摻量下，EPS顆粒按體積比分別以0%、5%、10%、15%、20%摻入磷尾礦改良土中依次進行無荷膨脹率試驗、無側限抗壓強度試驗和CU剪切試驗，CU試驗采用TSZ-2型全自動三軸儀，設置100 kPa、200 kPa、300 kPa三個不同圍壓，應變速率為0.05 mm/min。

1.2.3磷尾礦EPS-聚丙烯纖維復合改良土試驗

基于磷尾礦、EPS最優(yōu)復合摻量下，聚丙烯纖維按質量比分別以0%、0.2%、0.4%、0.6%摻入到磷尾礦-EPS復合改良土中進行無荷膨脹率試驗和無側限抗壓強度試驗。

2磷尾礦改良土試驗研究

2.1磷尾礦摻量對無荷膨脹率的影響

圖1為磷尾礦摻量與無荷膨脹率的關系，可以看出，磷尾礦對膨脹土的膨脹性具有一定的抑制作用，這是由于膨脹土中低價陽離子與磷尾礦中高價陽離子發(fā)生了置換反應，這一過程會降低土顆粒表面吸附水作用，使膨脹土顆粒間間距減小，破壞黏土顆粒的親水性礦物結構，表現(xiàn)為宏觀上膨脹率的減弱。隨著磷尾礦摻量繼續(xù)增加，膨脹土中的低價陽離子不足以與磷尾礦中高價陽離子發(fā)生離子交換作用時，無荷膨脹率會基本保持穩(wěn)定，由圖可知，磷尾礦為7.5%時，膨脹率基本達到最低。

2.2磷尾礦摻量對抗壓強度的影響

由圖2可知，當磷尾礦由0%增加到10%時，膨脹土的抗壓強度隨磷尾礦摻量增加呈先增大后減小的趨勢，摻量為7.5%時，強度峰值最大，說明適量磷尾礦能夠提高膨脹土的抗壓強度。這是因為離子交換反應形成的團聚體和膠凝反應生成的水化硅酸鋁及水化硅酸鈣附著在土顆粒表面使土顆粒間摩擦咬合力增大，表現(xiàn)為膨脹土強度的提高，當磷尾礦摻量過高時，多余的磷尾礦不能充分反應而使膨脹土強度下降。結合圖1分析可確定磷尾礦摻量7.5%為最佳。

3磷尾礦-EPS復合改良土試驗研究

基于磷尾礦摻量為7.5%，按體積比分別摻入0%、5%、15%、20%的EPS顆粒進行試驗。

3.1EPS摻量對無荷膨脹率的影響

從圖3可以看出，復合改良土的膨脹性隨EPS顆粒摻量的增加而減小，說明EPS顆粒對復合改良土的膨脹性有明顯的抑制作用，原因為：（1）膨脹土中摻入EPS顆粒后，改良土遇水時，膨脹土會產生膨脹變形，EPS顆粒隨之被壓縮;改良土失水時，膨脹土的膨脹變形隨之消失，EPS顆?；謴托巫?。由此可見：EPS顆粒的存在，使膨脹土的脹縮變形有一定的空間儲備，表現(xiàn)為宏觀上膨脹性的降低;（2）根據(jù)能量理論：當一定質量的物體以一定的速度撞擊柔性體而最終處于靜止狀態(tài)時，由能量守恒定律可知物體的動能通過做功的方式轉變?yōu)槿嵝泽w的彈性勢能，而總的能量守恒。故可認為EPS顆粒作為一種柔性材料，通過變形吸收了大部分膨脹能。

3.2EPS摻量對抗壓強度的影響

由圖4可知， EPS摻量與復合改良土的抗壓強度呈負相關，即隨著摻量的增加，抗壓強度逐漸減小，且抗壓強度峰值對應的軸向應變在減小，說明土體由塑性破壞轉變?yōu)榇嘈云茐?，當摻量增加?5%時，抗壓強度減小幅度達到30.2%，此時抗壓強度為138.3 kPa，略小于素土的抗壓強度，故EPS摻量不宜超過15%。

3.3EPS摻量對應力應變關系的影響

圖5為不同圍壓下應變-應變曲線，從圖中可

以看出：（1）EPS摻量為0%時，不同圍壓下應力應變曲線呈應變軟化型;EPS摻量不為0%，且圍壓較小時，不同EPS摻量下應力應變曲線呈應變軟化型，圍壓較大時， 則表現(xiàn)為應變硬化型，圍壓為200 kPa時，隨EPS摻量增加，應力應變曲線由應變軟化向應變硬化型過渡，其原因是隨著EPS摻量增加，且圍壓逐漸增大時，EPS泡沫被壓縮，土體的強度會隨著應變的增大而繼續(xù)增大，故表現(xiàn)為應變硬化型;（2）隨著EPS摻量增加，不同圍壓下主應力差都保持下降的趨勢，說明EPS顆粒會使復合改良土抗剪強度下降;（3）結合圖3、圖4綜合分析，為最大程度減小復合改良土的密度，同時兼顧復合改良土強度損失最小的情況下，確定EPS最佳摻量為15%，故磷尾礦-EPS復合改良土最佳摻量分別為7.5%和15%。

3.4EPS摻量與抗剪強度指標的關系

通過對抗剪強度指標分析見圖6，內摩擦角和黏聚力都隨EPS摻量增加而減小，且均近似呈線性關系，從減小趨勢上看，黏聚力減小的速率更大，這是因為隨著EPS顆粒置換出改良土后，土中黏粒含量下降，且土顆粒與EPS顆粒間的咬合力較微弱，因此，當EPS摻量增大時，復合改良土黏聚力出現(xiàn)急劇下降。

通過擬合內摩擦角、黏聚力與EPS摻量關系得到方程為：

式中：φ為內摩擦角;c為黏聚力;x為EPS摻量;d、e、f、g為試驗參數(shù)。

式（1）、式（2）各參數(shù)取值見表4，從表中可以看出擬合相關系數(shù)都在0.97以上，擬合程度較好。[HJ1][HJ1.4mm]

注：x表示EPS摻量

由庫侖公式

τf=c+σtanφ ??（3）

將式（1）、（2）代入式（3）得：

τf=fx+σtan（-dx+e）+g（4）

對于磷尾礦為7.5%的改良膨脹土，式中各試驗參數(shù)取表4中數(shù)值，可得磷尾礦為7.5%的改良膨脹土在不同EPS摻量下抗剪強度計算公式。

τf=-3.33x+σtan（-0.426x+29.92）+94.34（5）

[BT（2+1]4磷尾礦EPS-聚丙烯纖維復合改良土試驗研究

基于磷尾礦和EPS復合摻量分別為7.5%和15%的條件下，分別摻入0%、0.2%、0.4%、0.6%的聚丙烯纖維進行試驗。

4.1纖維摻量對無荷膨脹率的影響

從圖7可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，復合改良土無荷膨脹率呈先減小后增大的趨勢，說明聚丙烯纖維能夠抑制復合改良土的膨脹性，但這種抑制效果在聚丙烯纖維摻量為0.4%時最佳;其原因為：一定量的纖維在復合改良土中交織分布，形成了空間網(wǎng)狀結構，使土顆粒之間及土顆粒和纖維之間的咬合作用增強，從而表現(xiàn)為宏觀膨脹性的降低，當纖維含量過高時，纖維在土中大多會以亂向分布的形式存在，導致這種咬合作用減弱而出現(xiàn)無荷膨脹率回升，因此，纖維摻量不宜過高。

4.2纖維摻量對抗壓強度的影響

圖8為聚丙烯纖維摻量與抗壓強度的關系，由圖可知，當聚丙烯纖維摻量從0%增加到0.4%時，復合改良土抗壓強度增加了20.1 kPa，所對應的軸向應變增加了4.29%，峰值后強度下降趨于緩慢，說明聚丙烯纖維對膨脹土抗壓強度影響較小，但能增加復合改良土的延性，提高其殘余強度。隨著纖維摻量繼續(xù)增加，強度峰值及其對應的軸向應變均出現(xiàn)了下降，是因為一定量的聚丙烯纖維在復合改良土中交織分布能對土體的橫向和豎向變形產生約束，增加土體破壞時的抗拉性能，當纖維摻量過高時，這種約束效果會被減弱。結合圖7可確定聚丙烯纖維最佳摻量為0.4%。

結合磷尾礦和EPS顆粒最佳復合摻量可得，磷尾礦EPS-聚丙烯纖維改良土的最佳復合配比分別為7.5%、15%和0.4%.

5結論

（1）適量磷尾礦能夠提高膨脹土的抗壓強度，同時降低膨脹土的膨脹性，摻量7.5%為最佳。

（2）基于磷尾礦7.5%最佳摻量，EPS顆粒能有效降低膨脹土的膨脹性，同時降低強度和延性;除EPS摻量為0%外，復合改良土應力應變曲線均隨著圍壓的增加，由應變軟化型向應變硬化型過渡，得到EPS顆粒最佳摻量為15%。

（3）隨著EPS顆粒摻量的增加，復合改良土黏聚力和內摩擦角均呈下降趨勢，且與摻量近似呈線性關系，基于庫侖公式提出了與EPS顆粒摻量有關的抗剪強度公式。

（4）聚丙烯纖維對復合改良土抗壓強度影響較小，對膨脹性具有抑制作用，同時能提高其延性和殘余強度，摻量不宜過高，0.4%為最佳。

（5）通過上述分析，可得磷尾礦EPS-聚丙烯纖維復合改良土最佳混合摻量分別為7.5%、15%、0.4%。

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