磷尾礦對玄武巖纖維加筋膨脹土工程特性影響研究

（焦作市公路管理局，河南焦作 454150）

膨脹土在我國大多數(shù)地區(qū)均有分布，多裂隙、水穩(wěn)性差，遇水膨脹軟化、失水收縮開裂[1-5]，其工程特性難以滿足路基填料設(shè)計要求。近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度逐漸加大，級配良好、優(yōu)質(zhì)合格的填料難以滿足工程施工需求，且部分道路、鐵路難免會穿越膨脹土區(qū)域。因此，通過對膨脹土進行處治來改善其工程特性對填筑路基具有重要意義。

一些學(xué)者針對此類問題展開了相關(guān)研究，例如，汪明武[6]、周葆春[7]等研究了石灰改良膨脹土力學(xué)強度變化規(guī)律。孫樹林等[8-9]研究堿渣和高爐渣對膨脹土膨脹特性和力學(xué)強度的影響。楊俊等[2]通過水泥-石灰-粉煤灰復(fù)合改良膨脹土，研究了不同固化劑對膨脹土的力學(xué)強度的影響規(guī)律。徐洪鐘[10]、張小平[11]等研究了纖維對膨脹土脹縮性、力學(xué)強度的影響，纖維摻量一定時，膨脹土脹縮性得到改善、力學(xué)強度得到提高。傅乃強等[12]研究了粉煤灰加筋土無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和纖維共同改良膨脹土的抗壓強度高于同一摻量下的粉煤灰改良土或纖維改良土。以上成果無疑為膨脹土在路基填料中的應(yīng)用與研究提供了理論支撐，為道路新材料的發(fā)展提供了方向。本文針對當(dāng)前我國磷礦開采與加工中產(chǎn)生大量的磷尾礦沒有得到科學(xué)利用的情況，通過室內(nèi)試驗采用磷尾礦改良玄武巖纖維加筋膨脹土，研究磷尾礦摻量對加筋膨脹土力學(xué)特性影響規(guī)律，優(yōu)選磷尾礦最優(yōu)摻量，為膨脹土工程應(yīng)用提供新方法，實現(xiàn)道路產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

土樣取自合肥某路基施工現(xiàn)場，為中膨脹土。參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）測得的土樣物理性質(zhì)見表1。磷尾礦主要化學(xué)成分見表2。纖維選用短切玄武巖纖維，技術(shù)性質(zhì)見表3。

表1 膨脹土物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of expansive soil

表2 磷尾礦化學(xué)成分Table 2 Chemical constituents of phosphorus tailings

表3 玄武巖纖維技術(shù)性質(zhì)Table 3 Technical properties of basalt fiber

1.2 試驗方案

（1）研究玄武巖纖維摻量對加筋土脹縮特性影響規(guī)律，優(yōu)選玄武巖纖維摻量。玄武巖纖維摻量指玄武巖纖維質(zhì)量與干膨脹土質(zhì)量之比。玄武巖纖維采用外摻法，擬摻量為0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4% 和0.5%。擬壓實度為95%、98%、100%，含水率分別為15%、17%和19%。

無荷膨脹率和膨脹力試驗采用環(huán)刀取樣，試樣尺寸為Φ61.8×h20 mm，每組試驗采用3 個平行試樣。無荷膨脹率試驗中，每隔2h 記錄百分表讀數(shù)，當(dāng)連續(xù)兩次讀數(shù)低于0.1mm 時，認為試樣不再膨脹，結(jié)束試驗；膨脹力試驗中，試樣在某級荷載下間隔2h 無膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)，認為試樣在該級荷載下達到穩(wěn)定，記錄平衡荷載。

（2）研究磷尾礦摻量對玄武巖纖維加筋膨脹土力學(xué)強度影響規(guī)律，優(yōu)選磷尾礦摻量。針對最優(yōu)玄武巖纖維摻量加筋膨脹土，按JTG E40-2007 輕型擊實試驗方法確定的最佳含水率和最大干密度要求，磷尾礦采用外摻法，制備0%、4%、8%、12% 和16% 磷尾礦摻量的無側(cè)限抗壓強度試樣和三軸剪切試樣，尺寸為Φ39.1×h80 mm。磷尾礦摻量指磷尾礦干質(zhì)量與干膨脹土質(zhì)量之比。

無側(cè)限抗壓強度試驗中，采用靜壓法成型試樣；試樣成型完畢后，放入溫度（20±2）℃，濕度95% 的標準養(yǎng)護室養(yǎng)生7d、14d、28d，儀器采用液壓伺服萬能試驗機WAW-100，每組試驗采用6 個平行試件；三軸剪切試驗中，采用擊實法成型試樣，選用固結(jié)不排水試驗方法，圍壓分別為100kPa、200kPa、300kPa，儀器采用全自動三軸儀，每組試驗采用3 個平行試件。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 玄武巖纖維加筋土脹縮特性

2.1.1 無荷膨脹率

玄武巖纖維加筋膨脹土無荷膨脹率試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維摻量～加筋土無荷膨脹率關(guān)系Fig.1 Relationship between basalt fiber content and no-load expansion ratio of reinforced soil

由圖1 可知，含水率和壓實度一定時，加筋膨脹土無荷膨脹率隨玄武巖纖維摻量增加逐漸降低，且19% 含水率的加筋膨脹土無荷膨脹率最小。同種壓實度下，與含水率17% 和19% 相比，含水率21% 的加筋膨脹土無荷膨脹率降速隨玄武巖摻量增加明顯更快，其平均降速為8.4%；壓實度分別為95%、98% 和100% 時，加筋膨脹土每增加0.1% 纖維摻量，其膨脹率分別平均下降5.3%、5.9% 和8.6%，說明加筋膨脹土壓實度越高，玄武巖纖維摻量對其無荷膨脹率影響越顯著，可通過在膨脹土中摻入適量的玄武巖纖維改善膨脹性。這是由于加筋膨脹土壓實度越大，其土粒與纖維接觸面積增大、摩阻力增強，纖維產(chǎn)生拉應(yīng)力以抵消膨脹應(yīng)力的發(fā)展，從而膨脹土膨脹量減小；而含水率較高時，對土粒和纖維具有一定的潤滑作用，土粒與纖維的咬合力降低，受膨脹應(yīng)力作用時，纖維產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小，致使膨脹土產(chǎn)生較大膨脹量。

2.1.2 膨脹力試驗

玄武巖纖維加筋土膨脹力試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 玄武巖纖維摻量～加筋土膨脹力關(guān)系Fig.2 Relationship between basalt fiber content and expansive force of reinforced soil

由圖2 可知，含水率與壓實度一定時，加筋膨脹土膨脹力隨玄武巖纖維摻量增加呈先減小后增大趨勢發(fā)展，當(dāng)含水率為21%、纖維摻量為（0.3±0.05）% 時，加筋膨脹土膨脹力最小。對于壓實度為95%、98% 和100%的加筋膨脹土，玄武巖纖維摻量由0.1% 增加到0.3%，其膨脹力分別減小了43.5%、46.9% 和113%；玄武巖纖維摻量由0.1% 增加到0.5%，其膨脹力分別減小了41.6%、40.1% 和46.1%，說明0.3% 玄武巖纖維改善膨脹土膨脹性作用顯著。對于加筋土中纖維摻量超過一定劑量后，其膨脹力略有增長是因為土體內(nèi)纖維過多造成分布混亂，纖維與土粒之間的摩擦力和咬合力下降，對膨脹應(yīng)力抵消作用較弱，致使加筋土改良效果較差、膨脹力上升。

綜上可知，當(dāng)玄武巖纖維摻量超過0.3% 后，加筋膨脹土無荷膨脹率變化不明顯、膨脹力略有上升。對此，建議加筋膨脹土玄武巖纖維摻量為0.3%。

2.2 磷尾礦改良玄武巖纖維加筋土力學(xué)強度

2.2.1 無側(cè)限抗壓強度

磷尾礦改良加筋土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如圖3～圖4 所示。加筋土中玄武巖纖維摻量為0.3%。

圖3 磷尾礦摻量～加筋土抗壓強度關(guān)系Fig.3 Relationship between phosphorus tailings content and compressive strength of reinforced soil

圖4 齡期～加筋土抗壓強度關(guān)系Fig.4 Relationship between age and compressive strength of reinforced soil

由圖3 可知，加筋膨脹土摻入磷尾礦后，其抗壓強度隨磷尾礦摻量增加先提高后減小；當(dāng)磷尾礦摻量為12%時，加筋膨脹土抗壓強度達到峰值，分別約為0%、4%、8%和16%磷尾礦摻量的加筋膨脹土抗壓強度的3.8倍、2.5 倍、1.3 倍和1.1 倍，這是因為磷尾礦與土粒生成膠體顆粒，增加土粒之間的黏結(jié)作用，導(dǎo)致加筋土強度增長；當(dāng)磷尾礦摻量超出某一值后，磷尾礦不能與土粒充分反應(yīng)，發(fā)生團聚現(xiàn)象，阻礙土粒之間相互接觸，削弱土體黏聚力與摩擦力，致使加筋土強度下降。

由圖4 可知，磷尾礦摻量一定時，加筋膨脹土抗壓強度隨齡期延長逐漸增大，其7d 抗壓強度約為28d 抗壓強度的83.7%，說明養(yǎng)生齡期越長，磷尾礦中化學(xué)物質(zhì)與土粒反應(yīng)越充分，對加筋膨脹土強度提升效果越明顯。

2.2.2 抗剪強度

磷尾礦改良加筋土三軸剪切試驗結(jié)果如圖5 所示。加筋土中玄武巖纖維摻量為0.3%。

圖5 磷尾礦摻量～加筋土抗剪強度關(guān)系Fig.5 Relationship between phosphorus tailings content and shear strength of reinforced soil

由圖5 可知，試樣處于相同圍壓條件下，12% 磷尾礦摻量的加筋膨脹土主應(yīng)力差峰值最大，且軸向變形抗變形能力良好，而4% 磷尾礦摻量的加筋膨脹土抗剪性能較差，且12% 磷尾礦摻量的加筋膨脹土主應(yīng)力差峰值分別為4%、8%、16% 的磷尾礦摻量加筋膨脹土主應(yīng)力差峰值的1.6 倍、1.1 倍和1.2 倍，說明12% 磷尾礦摻量對加筋膨脹土抗剪性能改良效果明顯。這是因為磷尾礦化學(xué)成分與土粒發(fā)生離子交換反應(yīng)及硬凝反應(yīng)，土粒膠聚在一起，形成較粗顆粒，土粒之間及土粒與纖維之間摩擦力增大，使得改良加筋土抗剪性能增強；而當(dāng)磷尾礦摻量超過一定摻量后，磷尾礦吸水導(dǎo)致土粒之間相對滑動，導(dǎo)致黏聚力與內(nèi)摩擦力降低，從而抗剪性能出現(xiàn)下降。另外，同一磷尾礦摻量的加筋土抗剪強度隨圍壓增大逐漸提高，這說明周圍壓力較高下改良加筋土具有較好的抗剪性能。

3 結(jié)論

（1）膨脹土中摻入玄武巖纖維后，可改善其脹縮特性。隨玄武巖纖維摻量增加，一定含水率和壓實度的加筋膨脹土無荷膨脹率逐漸降低、膨脹力先減小后增大，每增加0.1% 纖維摻量，加筋膨脹土膨脹率約下降5.3%～8.6%；玄武巖纖維摻量為0.3% 時，加筋膨脹土膨脹力達到最小值，當(dāng)纖維摻量由0.1% 增加到0.3%，壓實度100% 的加筋膨脹土膨脹力減小了113%。建議加筋土膨脹土玄武巖纖維摻量為0.3%。

（2）采用磷尾礦改良0.3% 玄武巖摻量的膨脹土，相同壓實度與齡期的加筋膨脹土抗壓強度隨磷尾礦摻量增加呈拋物線趨勢變化，12% 磷尾礦摻量的加筋膨脹土抗壓強度達到峰值；同一圍壓條件下，12% 磷尾礦摻量對加筋膨脹土抗剪性能改良效果明顯，其主應(yīng)力差峰值分別為4%、8%、16% 的磷尾礦摻量加筋土主應(yīng)力差峰值的1.6 倍、1.1 倍和1.2 倍。建議0.3% 玄武巖纖維加筋膨脹土磷尾礦摻量為12%。