磷石膏與生物炭摻量對(duì)低碳固化土壓縮性狀的影響研究

摘要：為研究磷石膏與生物炭摻量對(duì)低碳固化土壓縮性狀的影響，首先，選擇了適當(dāng)?shù)脑O(shè)備與藥劑作為模擬材料，并利用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀測(cè)了材料的微觀結(jié)構(gòu)圖像?；诖耍O(shè)計(jì)了6種不同的試驗(yàn)方案（編號(hào)為1#～6#），以全面分析不同摻量組合下的固化土性能。通過(guò)一系列試驗(yàn)計(jì)算壓縮指數(shù)、孔隙比等關(guān)鍵指標(biāo)，并對(duì)所獲得的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果顯示，當(dāng)磷石膏摻量為20%、生物炭摻量為15%時(shí)，固化土的壓縮性相對(duì)較弱，土體展現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)指導(dǎo)實(shí)際工程中的地基處理具有重要意義。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磷石膏與生物炭的摻量對(duì)固化土的壓縮性狀具有顯著影響，合理選擇摻量對(duì)提升地基的穩(wěn)定性具有不可忽視的作用，為低碳固化土的應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：磷石[A3] 膏 生物炭摻量 低碳固化土 壓縮性狀 影響分析

中圖分類號(hào)：TU411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study on the Effect of Phosphogypsum and Biochar Dosage on the Compressive Properties of Low-Carbon Solidified Soil

CHENG Yang

Anhui Construction Engineering Water Resources Development Investment Group Co.， Ltd.， [A4] Bengbu， Anhui Province， 233010 China

Abstract： To investigate the effect of the dosage of phosphogypsum and biochar on the compressive properties of low-carbon solidified soil. Firstly， appropriate equipment and agents were selected as simulation materials， and the microstructure images of the materials were observed using scanning electron microscopy （SEM）. Based on this， six different experimental schemes （numbered 1 #～6 #） were designed to comprehensively analyze the performance of solidified soil under different dosage combinations. Through a series of experiments， key indicators such as compression index and porosity were calculated， and obtained indicator were analyzed. The study results show that when the content of phosphogypsum is 20% and the content of biochar is 15%， the compressibility of the solidified soil is relatively weak， and the soil exhibits strong stability. This discovery is of great significance for guiding foundation treatment in practical engineering. Finally， the experimental results indicate that the dosage of phosphogypsum and biochar has a significant impact on the compressive properties of solidified soil. Reasonable selection of dosage plays an important role in improving the stability of the foundation， providing valuable reference for the application of low-carbon solidified soil.

Key Words：[A5]" Phosphogypsum; Biochar dosage; Low-carbon solidified soil; Compression behavior; Effect analysis

磷石膏是磷酸生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生的固體廢棄物，主要成分為硫酸鈣，能夠制造石膏板、改造土壤改良劑和制造化肥。生物炭是能夠改良土壤的木炭，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)、凈化水質(zhì)[1]。低碳固化土是一種新型環(huán)保材料，經(jīng)過(guò)處理并加入固化劑、水，能夠提升整體強(qiáng)度、抗?jié)B性。在低碳固化土使用的過(guò)程中，磷石膏、生物炭摻量過(guò)多或過(guò)少，均會(huì)影響土體整體性能。針對(duì)此類問(wèn)題，對(duì)二者摻量影響固化土壓縮性狀進(jìn)行分析。

王明等 人[2]提出采用Plaxis 3D數(shù)值分析軟件，對(duì)固化土壓縮變化情況進(jìn)行模擬，通過(guò)土體變形情況，分析磷石膏與生物炭摻量對(duì)土體壓縮性狀的影響。但該方法對(duì)數(shù)據(jù)分析的要求較高，一旦數(shù)據(jù)缺失，將會(huì)導(dǎo)致?lián)搅糠治鼋Y(jié)果不統(tǒng)一，影響固化土的后續(xù)使用。何亮等[A7] 人[3]采用單調(diào)加載中間段法、逐級(jí)加載卸載頂面法，模擬固化土壓縮性狀變化，實(shí)現(xiàn)二者對(duì)其的影響分析。但該方法僅考慮靜載與動(dòng)載兩種方式，加載方式不夠全面，影響摻量分析結(jié)果。王浩然等[A8] 人[4]根據(jù)黏聚力、壓縮性、滲透性，分析固化土的壓縮形狀影響情況。但該方法以短期壓縮性能分析為主，缺失長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估，無(wú)法滿足摻量影響的分析需求。為此，提出磷石膏與生物炭摻量對(duì)低碳固化土壓縮性狀的影響研究，通過(guò)分析磷石膏與生物炭摻量對(duì)低碳固化土壓縮性狀的影響，為固化土的后續(xù)使用提供保障。

1試驗(yàn)材料與準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)所用磷石膏取自某場(chǎng)地堆積的磷石膏，附著含水量為7.7%，表觀密度約為2.3 g/cm3[A9] 。生物炭選取木質(zhì)生物炭，能夠滿足本次試驗(yàn)需求。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備包括電動(dòng)攪拌器、試樣模具、壓力試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺、恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱和萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)藥劑方面，使用了工業(yè)級(jí)磷石膏、木質(zhì)生物炭、普通硅酸鹽水泥、去離子水，土壤固化劑，以及硅酸鈉九水合物。

同時(shí)，準(zhǔn)備直徑為50 mm、高度為100 mm的模具，準(zhǔn)確稱量CaSO4·2H2O、木質(zhì)生物炭、Na2SiO3·9H2O等藥劑。并將磷石膏、生物炭、水泥等干料放在攪拌器中，加入適量去離子水在攪拌器中混合，得到低碳固化土，并對(duì)其進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

2試驗(yàn)方法

水灰比與生物炭摻量相同時(shí)，低碳固化土基體與生物炭中的孔含量相同。利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀測(cè)生物炭與低碳固化土的情況，SEM觀測(cè)情況如下圖1所示。

如圖1所示，（a）中泊松分布期望為0.5，水灰比為0.2；（b）中泊松分布期望為3，水灰比為0.2；（c）中泊松分布期望為0.5，水灰比為0.4；（d）中泊松分布期望為3，水灰比為0.4。生物炭與低碳固化土交界位置存在的氣孔較多，低碳固化土中的氣孔較少。在水灰比為0.2時(shí)，泊松分布期望為0.5，SEM觀測(cè)到的氣孔較少[5]。因此，選擇（a）作為試驗(yàn)生物炭。在磷石膏摻量與生物炭摻量不同時(shí)，設(shè)計(jì)6種不同的試驗(yàn)方案，如下表1所示。

如表1所示，用50 mm×100 mm模具制1#～6#低碳固化土，初膨脹壓力分別為1.25～400 kPa。加水飽和時(shí)施加各向壓力，分析1#～6#壓縮應(yīng)變。裝固結(jié)盒，保鮮膜隔離。1#～3#加載1.25～640 kPa；4#～6#加載50～1 600 kPa。在1#～6#的初始含水率一致的條件下，計(jì)算6個(gè)試樣的壓縮指數(shù)，公式如下[A12] 。

式（1）中；為固化土壓縮指數(shù)，lt;0.2，為低壓縮性固化土；當(dāng)0.2≤lt;0.4時(shí)，為中壓縮性固化土；當(dāng)gt;0.4時(shí)，為高壓縮性固化土；、為不同摻量的固化土孔隙比；、為固化土屈服壓力。在固化土的實(shí)際壓縮過(guò)程中，存在塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變，塑性應(yīng)變計(jì)算公式如下。

式（2）、式（3）中：為固化土壓縮有效應(yīng)力；為固化土試驗(yàn)材料單位面積上所受的壓力；為受壓損傷變量；為固化土有效塑性形變。由此得到低碳固化土受壓后的塑性應(yīng)變，公式如下。

式（4）中，為低碳固化土受壓后的總壓縮應(yīng)變。通過(guò)1#～6#的孔隙比、壓縮指數(shù)、壓縮應(yīng)變等變化情況，分析磷石膏與生物炭摻量，對(duì)低碳固化土壓縮性狀的影響。

3試驗(yàn)結(jié)果

在上述試驗(yàn)條件下，分析1#～6#的孔隙比變化情況，如下圖2所示。

如圖2所示，孔隙比越大，固化土內(nèi)部孔隙體積越大，受到外部壓力時(shí)，固化土更容易出現(xiàn)壓縮變形，導(dǎo)致地基沉降量增加。在1#～6#中，3#、6#的孔隙比處于較小狀態(tài)，1#、4#的孔隙比處于較大的狀態(tài)。由此可見(jiàn)，孔隙比在磷石膏摻量為20%、生物炭摻量為15%時(shí)，土體壓縮性狀較弱，低碳固化土處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。壓縮指數(shù)影響情況如下圖3所示。

如圖3所示，固化土的測(cè)量值與其壓縮性狀正相關(guān)，壓縮指數(shù)越大，土體在受到相同壓力作用時(shí)產(chǎn)生的壓縮變形越大，壓縮性狀越強(qiáng)，地基穩(wěn)定性越弱。在1#～6#中，2#、3#、5#、6#的壓縮指數(shù)處于較小的狀態(tài)，1#、4#的壓縮指數(shù)相對(duì)較大。由此可見(jiàn)，在磷石膏摻量為10%、20%、生物炭摻量為10%、15%時(shí)，土體壓縮性狀壓縮性狀較小，低碳固化土處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。壓縮應(yīng)變影響情況，如下圖4所示。

如圖4所示，固化土測(cè)量值反映壓縮變形能力，測(cè)量值大則壓縮顯著，易致地基失穩(wěn)。1#～6#中，3#、5#、6#壓縮應(yīng)變小，1#、2#、4#較大。磷石膏20%、生物炭10%或15%時(shí)，土體壓縮弱，處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。綜合圖2、圖3、圖4，當(dāng)磷石膏20%、生物炭15%時(shí)，固化土最穩(wěn)定，滿足使用需求，保證了地基的穩(wěn)定。

4結(jié)語(yǔ)

本文研究的磷石膏與生物炭摻量對(duì)低碳固化土壓縮性狀的影響這一課題中，以試驗(yàn)分析的形式，分別分析了磷石膏摻量為5%、10%、20%、生物炭摻量為5%、10%、15%時(shí)，低碳固化土壓縮性狀變化情況。通過(guò)孔隙比變化、壓縮指數(shù)變化情況、壓縮應(yīng)變變化情況，全面分析了不同摻量下低碳固化土的壓縮變化情況，為提升土體穩(wěn)定性提供了理論支撐。

參考文獻(xiàn)

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