磷尾礦-EPS改性輕質(zhì)土膨脹性及強度試驗研究

莊心善 楊文博 王康 李凱

摘?要：為研究磷尾礦-EPS復(fù)合改性輕質(zhì)土的強度及膨脹性，試驗采用安徽某工程項目區(qū)的膨脹土，在保持含水率和干密度不變的情況下，將磷尾礦按不同質(zhì)量比0%、3%、6%、9%摻入膨脹土中，對改性土進行了無荷膨脹率、無側(cè)限抗壓強度試驗。結(jié)果表明：當磷尾礦摻入量為6%時，抗壓強度最大，改性土膨脹率隨磷尾礦摻量增加逐漸降低;將EPS按質(zhì)量比0%、0.25%、0.50%、0.75%、1%摻入6%的磷尾礦改性土中，對復(fù)合改性土進行上述試驗，得出改性土膨脹率與EPS摻量之間呈線性遞減規(guī)律，抗壓強度隨EPS摻量增加呈逐漸降低趨勢;對試驗結(jié)果進一步分析，引入改良效應(yīng)系數(shù)，確定EPS摻量與改良效應(yīng)系數(shù)之間的關(guān)系，得到EPS摻量為0.25%時，改良效應(yīng)系數(shù)最大，改良效果最好。

關(guān)鍵詞：磷尾礦;EPS;無荷膨脹率;抗壓強度;改良效應(yīng)系數(shù)

中圖分類號：TU443文獻標志碼：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，具有多裂隙性、強膨脹性及反復(fù)變形性等工程特性，可引起鐵路公路等構(gòu)筑物因不均勻變形而破壞。學(xué)術(shù)界對膨脹土改良進行了大量探討，李妥德等[1]在20世紀90年代進行了礦渣改良膨脹土工程性質(zhì)研究，將改良后的膨脹土用于邊坡防護工程;孫樹林等[2]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;查甫生等[3]采用生產(chǎn)乙炔的廢料——電石渣改良膨脹土，得到了電石渣摻量、養(yǎng)護齡期與改良土的漲縮性、黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系，確定了電石渣最佳摻和比為10%;汪明武等[4]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;莊心善等[5]采用水泥、聚丙烯纖維EPS復(fù)合改良膨脹土，通過系統(tǒng)的室內(nèi)試驗，對其膨脹性及強度進行大量分析，得出了兩種材料復(fù)合改良膨脹土的最佳摻和比，在此基礎(chǔ)上，聚苯乙烯輕質(zhì)泡沫有機聚合材料改良膨脹土逐漸引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注;葛春蘭等[6]進行了聚苯乙烯輕質(zhì)泡沫加固邊坡膨脹土研究;劉宇翼等[7]研究了聚苯乙烯泡沫（EPS）輕質(zhì)混合土的脹縮特性;梅利芳等[8]對EPS輕質(zhì)改良土進行了力學(xué)性質(zhì)的試驗研究。

筆者主要研究磷尾礦-EPS復(fù)合改性輕質(zhì)土，在最佳含水率和最大干密度的前提下，將EPS輕質(zhì)泡沫按質(zhì)量比摻入改性土中，對改性土進行無荷膨脹率、無側(cè)限抗壓強度試驗，分析EPS輕質(zhì)泡沫對膨脹土強度及膨脹性的影響規(guī)律，以期為膨脹土的加固改良提供一種新方案。

1?試驗材料與方案

1.1?膨脹土

試驗膨脹土取自安徽某工程項目區(qū)，主要成分為伊利石-蒙脫石混合礦物，并含有少量的高嶺石，顏色為黃褐色，硬性半堅固狀態(tài)，其基本物理指標見表1。

1.2?磷尾礦

磷尾礦取自大冶某磷礦加工廠，顏色為灰褐色，呈粉末狀，其化學(xué)成分見表2。

1.3?EPS顆粒

聚苯乙烯泡沫塑料顆粒取自武漢某化工廠，顆粒粒徑為2～3 mm，純顆粒密度為0.022 g/cm3，堆積密度為0.015 g/cm3。

1.4?試驗方案

1.4.1?磷尾礦改性土試驗

基于膨脹土最佳含水率17%，最大干密度1.7 g/cm3，分別按摻量為0%、3%、6%、9%將磷尾礦摻入膨脹土中，攪拌均勻，裝入塑料袋中密封完好，放置在保濕玻璃缸中，靜置24 h后取出，制備直徑為61.8 mm、高度為20 mm的環(huán)刀試樣，進行無荷膨脹率試驗，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);制備高80 mm、直徑為39.1 mm的圓柱體試樣，制備時采用靜壓法，分4層壓實，制備完成后及時進行養(yǎng)護，對其進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

1.4.2?EPS-磷尾礦改性土試驗

在保持最佳含水率和最大干密度條件下，分別將質(zhì)量比為0%、0.25%、0.50%、0.75%、1%的EPS顆粒與質(zhì)量比為6%磷尾礦摻入膨脹土中，按上述方法制備試樣，對試樣進行無荷膨脹率試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗，試樣破壞后照片見圖1。

2?試驗結(jié)果分析

2.1?磷尾礦改性土

圖2為不同磷尾礦摻量對試樣抗壓強度的影響，圖3為磷尾礦摻量與最終膨脹率的關(guān)系。由圖2、圖3可見，改良土無側(cè)限抗壓強度與素土相比有一定的提高，隨著磷尾礦摻量增加，抗壓強度出現(xiàn)先增大后減小趨勢，在摻量為6%時，強度達到最大值;改性土最終膨脹率隨磷尾礦摻量增加逐漸降低，說明磷尾礦對膨脹土膨脹性有一定抑制作用。

2.2?EPS-磷尾礦改性土

圖4為EPS摻量與抗壓強度的關(guān)系。由圖4可見，EPS摻入后，改性土無側(cè)限抗壓強度有明顯降低，EPS摻量由0%增加至1%，改性土抗壓強度峰值由523.8 kPa降至356.8 kPa，降幅31.88%。這說明改性土無側(cè)限抗壓強度隨EPS摻量增加，呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，摻入EPS 不利于膨脹土強度提升。

圖5為膨脹率與時間的關(guān)系。由圖5可見，隨時間的延長，改性土經(jīng)歷了快速膨脹期、緩慢膨脹期、趨于穩(wěn)定期三個階段的變化?？焖倥蛎浧诰S持0～3 h，改性土迅速吸水飽和，膨脹率漲幅最大;3～8 h內(nèi)，改性土吸水膨脹仍在繼續(xù)，但膨脹率漲幅逐漸減小，改性土進入緩慢膨脹期;8 h后，膨脹率逐漸停止增長，改性土膨脹趨于穩(wěn)定。當EPS摻入后，同一時刻改性土膨脹率隨摻量增加，呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，這說明EPS可有效抑制膨脹土的脹縮性，這種抑制效果隨其摻量的增加越發(fā)明顯，當EPS摻量為1%時膨脹率最低，抑制效果最佳。

圖6為EPS摻量與最終膨脹率的關(guān)系。由圖6可見，EPS摻量與改性土最終膨脹率近似呈線性遞減關(guān)系，在此定義最終膨脹率為y，EPS摻量為x，則y與x的線性方程可表示為y=11.72-6.34x。

由上述分析得知，膨脹土中摻入磷尾礦，可提升其抗壓強度;摻入EPS可有效降低改性土膨脹率，抑制膨脹性，但會導(dǎo)致其強度降低。因此，對改性土抗壓強度、最終膨脹率進一步分析，定義了改良效應(yīng)系數(shù)的概念，即同一EPS摻量下的絕對膨脹率降低率（即不同EPS摻量下的絕對膨脹率與EPS摻量為零的膨脹率之差，除以EPS摻量為零的膨脹率）與絕對抗壓強度降低率（即不同EPS摻量下抗壓強度峰值與EPS摻量為零的抗壓強度峰值之差，除以EPS摻量為零的強度峰值）之比，反映了單位強度降低率下的絕對膨脹率降低效率，由此來評價EPS改良膨脹土的效果，計算結(jié)果見表3。

圖7為EPS摻量與改良效應(yīng)系數(shù)的關(guān)系。由表3、圖7可知，EPS改性土的改良效應(yīng)系數(shù)分別為2.35、1.82、1.79、1.84。由此可見，當EPS摻量為0.25%時，改良效應(yīng)系數(shù)最大，最大值為2.35。

因0.2%的EPS為初始最小摻量，不足以說明其為最佳摻和比，故配置0.1%的EPS摻量改性輕質(zhì)土，對其進行上述試驗，得出其抗壓強度峰值為493.63 kPa，絕對膨脹率為12.17%，確定其絕對強度降低率為5.76%，絕對膨脹率降低率為10.43%，改良效應(yīng)系數(shù)為1.81。將該系數(shù)插入圖7，重新繪制EPS摻量與改良效應(yīng)系數(shù)的關(guān)系，見圖8。從圖8可知，0.25%的EPS摻量下改良效應(yīng)系數(shù)最大，因此確定了EPS的最佳摻量為0.25%。

分析其改良機理可知，EPS密度小、質(zhì)量輕且壓縮度高，摻入土中后，有效減輕了土體自重，在土體膨脹過程中提供了脹縮空間，有效吸收了土體膨脹產(chǎn)生的能量，使得土體形成一個良好體系，對土體因反復(fù)脹縮而產(chǎn)生裂縫形成良好的抑制作用;同時，磷尾礦會與膨脹土發(fā)生離子交換反應(yīng)以及硬凝反應(yīng)，導(dǎo)致改良土內(nèi)摩擦角增大，強度提高。

磷尾礦-EPS改良膨脹土，對膨脹土強度有一定提升，對其膨脹性有良好的抑制作用，改性輕質(zhì)土降低了土體自重，以減小工后沉降，磷尾礦、EPS最佳摻量分別為6%、0.25%。

3?結(jié)?論

在保持最佳含水率和最大干密度條件下，采用磷尾礦-EPS，對安徽某工程項目區(qū)膨脹土進行復(fù)合改良試驗研究，得到了如下結(jié)論：

（1）磷尾礦摻入膨脹土中，對其無側(cè)限抗壓強度有提升作用，對其膨脹性有一定的抑制作用，磷尾礦摻量為6%時，改良土無側(cè)限抗壓強度最大。

（2）EPS密度小、質(zhì)量輕且壓縮度高，摻入膨脹土后，對其脹縮性有良好的抑制作用，EPS摻量與最終膨脹率近似呈線性遞減關(guān)系，即摻量越大，改性土膨脹率越小，但EPS摻入會導(dǎo)致改性土強度下降。

（3）在定義了改良效應(yīng)系數(shù)后，對不同EPS摻量下，絕對強度降低率與絕對膨脹率降低率進行了進一步分析，得出不同EPS摻量下改良效應(yīng)系數(shù)曲線，當EPS摻量為0.25%時，改良效應(yīng)系數(shù)最大，改良效果最佳。

（4）與素土相比，磷尾礦-EPS改良膨脹土，對膨脹土脹縮性有良好的抑制效應(yīng)，對其抗壓強度有明顯提升作用，改性土自重降低，以減小工后沉降，磷尾礦、EPS最佳摻量分別為6%、0.25%。

參考文獻：

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[8]?梅利芳，徐光黎.纖維聚苯乙烯泡沫顆粒輕質(zhì)土的制備及力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2016，33（10）：2355-2362.

【責任編輯?趙宏偉】