石灰磷石膏穩定紅黏土動力特性試驗研究

陳開圣,羅國夫,周 波,王 磊

(貴州大學 土木工程學院,貴州 貴陽 550025)

0 引 言

磷石膏是磷銨生產的副產物,每生產1 t磷銨就要排出5 t左右的磷石膏;以貴州每年生產100萬t磷銨的產量計算,每年排放磷石膏約為500萬t。目前,對磷石膏的處理多采用陸地堆放和江、湖、海填埋的方式進行,這些方法既侵占了土地又破壞了植被,而且酸性廢水滲漏會給自然環境帶來不利影響[1],故磷石膏回收利用成為了學界研究的熱點。

紅黏土是一種特殊黏土,具有高裂隙性、高收縮率、高水敏性等特點,但這些特性制約了紅黏土在公路工程中的應用[2]。近年來,國內外工程界通常采用固硫灰、納米碳酸鈣、納米石墨粉、玻璃纖維、粉煤灰等材料來改良紅黏土。如李勇輝等[3]將固硫灰摻入到紅黏土中,利用其游離氧化鈣含量高、火山灰特性、自硬性等特點,有效地降低了紅黏土的塑性指數、增強了壓實性和提高了承載比;陳學軍等[4]通過分析納米石墨粉對紅黏土力學性能的影響,得到了抗剪強度指標的變化規律,又通過掃描電子顯微鏡(SEM)得到了隨納米石墨粉摻量變化及抗剪強度指標的變化規律;萬友元等[5]通過固結試驗探究了玻璃纖維對紅黏土壓縮模量的影響,得出了紅黏土壓縮模量隨著纖維摻量和長度增加呈現先增大后減小的結論。

目前,石灰磷石膏改良紅黏土用于路基的研究主要集中在靜力特性上,而關于其動力特性的研究鮮有報道。高速公路、鐵路、城軌交通的路基在使用階段都會受到動荷載作用,當動荷載作用超過其抵抗變形能力或達到自身極限應力時,土體會被破壞,給工程帶來極大危害[6]。徐澤友等[7]通過二灰改良磷石膏與碎石在不同配比下的擊實、壓縮、膨脹、回彈試驗,得出了磷石膏含量在14%～15%時有最佳擊實性能、相對較低壓縮性及膨脹性的結論;克高果等[8]通過室內試驗證明了改性磷石膏廢料強度、膨脹和水穩性均能滿足路基填料的要求,改性磷石膏作為路基填料具有可行性。彭波等[9]使用生命周期評估方法分析了磷石膏石灰穩定土路基的環境影響,認為通過優化配比等方式,可有效減輕實際使用過程中對環境的影響。

基于此,筆者將石灰及磷石膏摻入紅黏土中,通過室內動三軸試驗研究了不同圍壓、固結比和振動頻率下素紅黏土和石灰磷石膏穩定紅黏土的動剪切模量和阻尼比變化規律,提出了動剪切模量和阻尼比的動本構關系。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 紅黏土

紅黏土取自貴州大學附近某自然邊坡,取土深度為0.5 m,土樣呈棕紅色,含水率較高,土質均勻,結構致密。紅黏土基本物理指標及化學成分如表1。

表1 紅黏土基本物理指標及化學成分

1.1.2 磷石膏

磷石膏取自貴州福泉甕福磷礦堆場,磷石膏為灰白色粉末,其基本指標如表2。

表2 磷石膏基本指標

1.1.3 石 灰

石灰購買于貴陽某廠家,石灰為白色粉末狀,干燥、無結塊,主要成分CaO占比97.95%。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗儀器

選用西安力創SDT-20型動三軸試驗機。其最大軸向激振動態荷載為20 kN,量程為20 mm,應變測量精度為10-4,平均荷載波動優于0.5%,荷載振幅波動度優于2%,變形精度優于0.5%,三軸壓力室最大圍壓為1 000 kPa,可模擬三角波、正弦波、正波、方波、梯形波、斜波等波形,可提供軸向和側向激振頻率范圍為0～20 Hz。

1.2.2 試樣制備

將石灰摻量初定為4%、 6%,石灰與磷石膏比例均為1:3。使用素紅黏土作對照組,用于評價改良前后的效果。根據文獻[10]規定:三、四級公路以上的填方下路堤壓實度需大于等于90%,故選擇壓實度為90%的最佳含水率試樣,其尺寸為Φ39.1× 80 mm。

將材料按配比混合,分為3層擊實,每層試樣質量均勻,每層接觸面進行刨毛處理;然后按標準養護7 d(溫度20±2 ℃,濕度≥95%),進行動三軸試驗。試樣配比設計如表3。

表3 配比設計

1.2.3 動三軸試驗方案

試驗荷載為正弦波荷載,逐級遞增,每級振動次數取10次,固結比取1.0、 1.5、 2.0,振動頻率取1、 2、 4 Hz,圍壓取50、100、150、200 kPa。

1.2.4 SEM試驗方案

取表3中的A、C組,通過靜力壓實制備環刀試樣,標養7 d,并進行SEM試驗。將試樣掰成2 cm3大小,用砂紙打磨成接近0.5 cm3的土片。掃描之前進行噴金鍍膜,增加樣品導電性能。

2 結果與分析

2.1 動剪切模量與應變關系

2.1.1 圍壓影響

圖1為固結比1.0、 頻率1 Hz時,不同圍壓下的Gd-γd圖像。由圖1可知:素紅黏土與石灰磷石膏穩定土的動剪切模量均隨動剪切應變的增大而減小,隨圍壓增大而增大。隨著圍壓增大,混合料內部更為密實,抗剪切變形變強,動剪模量增大。

圖1 不同圍壓磷石膏穩定土動剪切模量與動剪切應變關系Fig. 1 Relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different confining pressure

2.1.2 固結比影響

圖2為頻率1 Hz、 圍壓100 kPa時,不同固結比下的Gd-γd圖像。由圖2可知:素紅黏土和石灰磷石膏穩定土的動剪切模量隨固結比增加而增加,隨動剪切應變的增大而減小。隨著固結比增大,預固結壓力增大,混合料變密實,孔隙變小,固結階段混合料發生大變形,抵抗剪切變形能力增強,動剪切模量變大。

圖2 不同固結比磷石膏穩定土動剪切模量與動剪切應變關系Fig. 2 Relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different consolidation ratio

2.1.3 振動頻率影響

圖3為固結比1.0、 圍壓100 kPa時,不同振動頻率下的Gd-γd圖像。由圖3可知:素紅黏土和石灰磷石膏穩定土的動剪切模量隨振動頻率增大而增加,隨動剪切應變的增大而減小。1、4 Hz相比,A組動剪切模量最大下降了15.08%,B組最大下降了12.96%,C組最大下降了16.29%。隨著振動頻率增大,降低了動荷載作用在混合料中的時間,混合料在短時間內被壓密,變形減弱,孔隙減小,動剪切模量變大。

圖3 不同振動頻率磷石膏穩定土動剪切模量與動剪切應變關系Fig. 3 Relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different vibration frequencies

2.1.4 石灰、磷石膏摻量影響

圖4為固結比1.0、 頻率2 Hz、圍壓100 kPa時,不同石灰含量磷石膏穩定土的Gd-γd圖像。由圖4可知:素紅黏土和石灰磷石膏穩定土的動剪切模量隨石灰、磷石膏含量增加而顯著增大。

圖4 不同石灰、磷石膏含量穩定土動剪模量與動剪應變曲線Fig. 4 Relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of stabilized soil with different lime and phosphogypsum contents

綜上,素土和石灰磷石膏穩定土的最大動剪切模量均隨著圍壓、固結比、振動頻率增加而緩慢增大,隨著石灰含量的增加顯著增加。在相同條件下,石灰磷石膏穩定土的最大動剪切模量比素紅黏土大得多。以圍壓100 kPa、固結比1.0、振動頻率1 Hz為例,A組最大動剪切模量為35.513 MPa,B組最大動剪切模量為84.341 MPa,C組最大動剪切模量為95.567 MPa。隨著石灰與磷石膏含量增加,A→B→C這3組的變化過程中,動剪切模量增加了93.19%～169%;這說明在素紅黏土中加入石灰與磷石膏能增強混合料的強度和抵抗變形能力,石灰磷石膏穩定土的改良效果較好。

限于篇幅,筆者僅展示部分試驗數據及擬合圖像,其余條件下的規律類似,故不再贅述。

2.1.5 動剪切模量與應變的動本構關系模型

動剪切模量與動剪切應變的關系模型主要有B．O．HARDIN等[11]所建立的H-D模型和P．P．MARTIN等[12]所建立的Davidenkov模型。筆者通過嘗試發現H-D模型適于描述磷石膏穩定土動剪切模量與動剪切應變的關系,如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中:Gd為動剪切模量;τd, max為最大動剪切應力;Gd,max為最大動剪切模量;γr為參考動剪切應變;γd為動剪切應變。

所擬合的γr、Gd,max曲線如圖1～圖3。擬合曲線相關系數R2見表4。限于篇幅,表4僅顯示了擬合曲線R2的最小值,如A組不同圍壓下擬合曲線R2分別為0.991、0.994、0.995、0.995,僅顯示0.991。圖像擬合效果良好,且R2≥0.99,故Gd與γd的關系可用H-D模型表達。

表4 Gd-γd擬合曲線相關系數R2最小值

2.2 阻尼比與動剪切應變關系

2.2.1 圍壓影響

圖5為固結比1.0、 頻率1 Hz時,不同圍壓下素紅黏土和磷石膏穩定土的λ-γd曲線。由圖5可知:素紅黏土和磷石膏穩定土的阻尼比均隨著動剪切應變增大而增大,隨圍壓增加而降低。圍壓變大,混合料變得更致密,孔隙減小,應力波在混合料內部能量耗散減小,阻尼比減小。

圖5 不同圍壓磷石膏穩定土阻尼比與動剪切應變關系Fig. 5 Relationship between damping ratio and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil under different confining pressure

2.2.2 固結比影響

圖6為圍壓100 kPa、 頻率1 Hz時,不同固結比下素紅黏土和磷石膏穩定土的λ-γd曲線。由圖6可知:素紅黏土和磷石膏穩定土的阻尼比均隨著動剪切應變增大而增大,隨固結比增加而降低。固結比增大,即軸向固結壓力變大,混合料內部變得更密實,孔隙變小,應力波在混合料中能量損失減小,阻尼比減小。

圖6 不同固結比磷石膏穩定土阻尼比與動剪切應變關系Fig. 6 Relationship between damping ratio and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different consolidation ratio

2.2.3 振動頻率影響

圖7為圍壓100 kPa、固結比1.0時,不同振動頻率下素紅黏土和磷石膏穩定土的λ-γd曲線。由圖7可知:素紅黏土和磷石膏穩定土的阻尼比均隨著動剪切應變增大而增大,隨頻率升高而降低。增大振動頻率,動荷載在混合料內部的作用時間變短,能量耗散變小,阻尼比變小。

圖7 不同振動頻率磷石膏穩定土阻尼比與動剪切應變關系Fig. 7 Relationship between damping ratio and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different vibration frequencies

2.2.4 石灰、磷石膏摻量影響

圖8為固結比1.0、頻率1 Hz、圍壓50 kPa時,不同摻量的石灰、磷石膏含量穩定土的λ-γd曲線。由圖8可知:隨著石灰摻量增大阻尼比減小。當γd<0.02%時,石灰摻量對阻尼比影響不大;γd>0.02%時,曲線出現明顯分離。混合料內部膠結情況較好,膠結物提高了混合料整體性,變形小,能量耗散小。

綜上,素紅黏土和磷石膏穩定土的最大阻尼比均隨著圍壓、固結比、頻率和石灰含量增大而緩慢減小。在相同條件下,石灰磷石膏穩定土最大阻尼比比素紅黏土小得多。以圍壓100 kPa、固結比1.0、振動頻率1 Hz為例,A組素紅黏土最大動阻尼比為0.144,B組最大阻尼比為0.118,C組最大阻尼比為0.094。隨著石灰與磷石膏含量增加,A→B→C這3組的變化過程中,阻尼比下降了21.78%～34.72%。阻尼比反映了土體動剪應力與動剪應變關系的滯后特性,其原因是土體在循環荷載作用下發生變形時,土體內部摩擦阻力消耗能量。以上結果表明:石灰混合料在波傳播過程中能量耗散低于素紅黏土。這是由于石灰與磷石膏混合紅黏土會生成膠結物質,混合料內部更得更密實,孔隙變小,應力波在混合料中能量損失減小。

限于篇幅,筆者僅僅展示部分試驗數據及擬合圖像,其余條件下的規律類似,故不再贅述。

2.2.5 阻尼比與動剪切應變的動本構關系模型

阻尼比與動剪切應變的關系經驗模型主要有B．O．HARDIN等[11]所建立的H-D模型,ZHANG Jianfeng等[13]所建立的Zhang-Andrus模型及陳國興模型[14]。筆者通過嘗試發現H-D模型適合描述磷石膏穩定土阻尼比與動剪切應變關系,如式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中:λ為阻尼比;λmax為最大阻尼比。

所擬合的γd、λmax曲線的相關系數R2見表5。限于篇幅,表5僅顯示擬合曲線R2的最小值,如A組不同圍壓下擬合曲線R2為0.994、0.986、0.991、0.990,僅顯示0.986。圖像擬合效果良好,且R2≥0.98,故λ與γr的關系可用H-D模型表達。

表5 λ-γd擬合曲線的相關系數R2的最小值

3 機理討論

土體動剪切模量表征材料抵抗切應變的能力。摻入石灰、磷石膏后動剪切模量發生變化,微觀原因是土體的微結構發生變化,密實程度及顆粒連接方式發生改變。

3.1 石灰作用機理

3.1.1 離子交換作用

張蓓等[15]得出了石灰在與黏土拌合中會產生離子交換作用的結論。石灰遇水產生的Ca(OH)2在水中離解出Ca2+,Ca2+與紅黏土表面吸附的K+、Na+進行離子交換使得膠體顆粒發生聚集,促進了黏土團聚化,改善了黏土的顆粒級配,使得土體相對致密,顆粒間相互作用增強,從而土體強度得以提高。

3.1.2 Ca(OH)2結晶及碳酸化作用

Ca(OH)2在水作用下會由原來的膠體狀變為晶體狀Ca (OH)2·nH2O,然后又與紅黏土顆粒結合成為共晶體。此外,石灰遇水生成Ca(OH)2后還會不斷吸收空氣中的CO2繼續作用生成CaCO3,而CaCO3是一種較為堅硬的晶體,有較高強度;同時CaCO3的膠結作用也使得土體得以加固。

3.2 磷石膏作用機理

圖9(a)為素紅黏土的SEM圖像,圖9(b)為6%石灰、18%磷石膏的混合料SEM圖像;由圖9可知:混合料結構比素土結構更為致密,圖9(b)中可明顯見到層狀和針狀結構。這是由于紅黏土中的活性SiO2和Al2O3與石灰遇水后生成的Ca(OH)2反應,生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣或水化硫鋁酸鈣等反應產物。這些產物填充孔隙使得土體更加致密,達到提高強度的效果。

圖9 試樣20 000倍SEM圖像Fig. 9 20 000 times SEM image of sample

生成物水化硅酸鈣將進一步與磷石膏中的主要成分二水硫酸鈣CaSO4·2H2O發生反應,生成鈣礬石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O。其化學反應式為:

3CaO·Al2O3·nH2O+3CaSO4·2H2O+(26n)H2→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

生成的鈣礬石進一步填充部分孔隙,降低了土體的孔隙率,起到支撐孔隙作用,其強度得到大大提升。

綜上可知,石灰磷石膏穩定紅黏土強度來源主要有石灰與土的離子交換作用,Ca(OH)2的結晶及碳酸化作用,磷石膏加入生成的鈣礬石進一步提高了土體強度。微觀機理分析僅對石灰與磷石膏摻入作用進行了定性說明,不足以定量分析其作用規律。所建立的動力參數與微觀變化之間的數學聯系還需要進行大量微觀試驗,這是今后研究的方向。

4 結 論

1)素紅黏土和石灰磷石膏穩定紅黏土動剪切模量隨著動剪切應變增大而增大,隨圍壓、固結比、頻率、石灰含量的增大而增大。與素紅黏土相比,石灰磷石膏穩定紅黏土的動剪切模量增加了93.19%～169%。

2)素紅黏土和石灰磷石膏穩定紅黏土阻尼比隨動剪切應變增大而增大,隨圍壓、固結比、頻率、石灰含量的增大逐漸減小。與素紅黏土相比,石灰磷石膏穩定紅黏土的阻尼比下降了21.78%～ 34.72 %。

3)素紅黏土和石灰磷石膏穩定紅黏土動剪切模量、阻尼比與動剪切應變的本構關系符合H-D模型。

4)石灰磷石膏穩定紅黏土強度來源主要有石灰與土的離子交換作用,Ca(OH)2的結晶及碳酸化作用;磷石膏的加入生成鈣礬石進一步提高了土體強度,增加土體抵抗動剪切變形性能,降低能量損耗。