干濕循環下磷石膏穩定紅黏土強度及水穩特性研究

摘要：針對紅黏土路基在干濕循環運營過程中出現的問題以及磷石膏固廢資源浪費和污染的現象，設計配合比為石灰∶磷石膏∶紅黏土=8∶46∶46，外加劑OTS-02型摻量10%，在最佳含水率下制備壓實度90%、93%和96%的混合料試件，在干濕循環下開展石灰磷石膏穩定紅黏土的無側限抗壓強度試驗、三軸試驗及水穩試驗。結果表明：無側限抗壓強度在前2～3次干濕循環次數下衰減最快，之后緩慢衰減并趨于穩定。摻有10% OTS-02型外加劑混合料的無側限抗壓強度明顯比未摻外加劑的大，且隨著循環次數的增大，差值越來越小。無側限抗壓強度隨齡期的增加而增大，養護7 d的無側限抗壓強度達到28 d的80%以上。混合料的內摩擦角隨著干濕循環次數的增加緩慢減小，黏聚力隨著干濕循環次數的增加顯著減小。未摻外加劑的混合料水穩性極差，摻10% OTS-02型外加劑后水穩性能顯著提高，且水穩系數隨著干濕循環次數的增加而降低。

關鍵詞：干濕循環；紅黏土；磷石膏；強度特性；水穩特性

中圖分類號：TU446;TU435文獻標志碼：A貴州省境內碳酸鹽巖分布地區的地表普遍分布著殘積紅黏土，覆蓋厚度一般5～7 m，最厚可達20 m以上，是一種典型的特殊性黏土，具有高天然含水量、高液限等不良物理性質，用于路基填筑時體現壓實困難、干縮開裂、水穩定性差等特點［1-2］。路基直接裸露在大氣環境中，受到大氣降水和陽光的照射作用，反復干濕循環導致路基土吸水膨脹和失水收縮，路基下沉。磷石膏作為一種化工副產品，每生產1 t磷胺就要排出5 t左右的磷石膏。以貴州每年生產100萬t的產量計算，排放磷石膏每年均為500萬t左右。到目前為止，磷石膏處理方法多采用陸地堆放和江、湖、海填埋，這些方法既侵占土地又破壞植被，而且酸性廢水的滲漏和部分放射性元素又給人類的生存造成污染，危害人類的健康［3］。針對紅黏土路基在干濕循環運營過程中出現的問題以及磷石膏固廢資源的浪費和污染現象，開展干濕循環下石灰磷石膏穩定紅黏土強度及水穩特性研究具有重要的學術意義和工程實用價值。

關于紅黏土的改良技術，國內外開展了大量研究，基本的方法是采用石灰、水泥、砂、聚合物、纖維等常見的化學改良、物理改良手段［4-7］。磷石膏穩定土強度來源主要是由水泥/石灰發生水化反應形成強度骨架以及磷石膏與水化產物反應生成的鈣礬石提供，最終在加固體內形成三維的網絡狀膠結。徐雪源等［8］探討磷石膏、粉煤灰、石灰、黏土混合料作為基層材料的干縮特性，認為從干縮特性這個角度來看這種混合料摻入石膏作為路面基層材料是可行的，并提出磷石膏-粉煤灰-石灰-黏土混合料的最佳配合比（磷石膏∶粉煤灰∶石灰∶黏土）為15∶20∶6∶59和15∶25∶8∶52。丁建文等［9-10］和俞同德［11］研究發現磷石膏可與石灰配合用于穩定土，但磷石膏用量過大會在富水環境下出現吸水膨脹，引發路基病害，在使用過程中應合理控制磷石膏劑量。克高果等［12］通過室內試驗測試了改性磷石膏廢料的承載比、無側限抗壓強度、水穩定性、干濕循環特性和膨脹性，結果表明，改性磷石膏廢料的強度、水穩定性、膨脹性滿足公路工程路基填料的要求。彭波等［13］采用磷石膏與石灰、水泥綜合穩定路基土，分別對石灰磷石膏穩定土與水泥磷石膏穩定土進行CBR試驗、抗壓回彈模量試驗和7 d無側限抗壓強度試驗，確定了磷石膏綜合穩定路基土的推薦配合比。

上述研究表明，紅黏土的常規改良技術和磷石膏在道路工程中的理論研究與應用已經取得了一些成果，但是針對干濕循環下磷石膏穩定紅黏土的基礎理論成果缺乏。因此，本文通過室內試驗開展了磷石膏穩定紅黏土力學性能的研究，對干濕循環下石灰磷石膏穩定紅黏土的無側限抗壓強度試驗、三軸試驗、水穩試驗的結果進行了分析。

1原材料性能

紅黏土取自福泉牛場至道坪公路改擴建工程K14+000—K16+000處，取土深度約為1.5 m，黃褐色，其基本物理指標見表1。磷石膏來源于貴州省福泉市甕福磷礦堆場，灰白色，其基本物理指標見表2。石灰為白色粉末狀，干燥，無結塊，其基本化學指標見表3。OTS-02型外加劑由佛山市藍葉環保科技有限公司生產，灰色粉末狀，微弱氣味，無毒、不燃不爆，產品檢出的重金屬浸出液中危害成分（銅、鉛、鎘、鉻、鋅、鎳、砷、汞）符合土壤外加劑技術要求，如表4所示。

2試驗方案

2.1試樣制備

《公路路面基層施工技術細則》［14］（JTG/T F20—2015）對石灰穩定材料的石灰劑量的規定為不低于10%。胡文華等［15］用石灰對江西高速公路紅黏土進行改良，得到石灰摻量在5%～10%時改良效果最佳。張英富等［16］對石膏粉煤灰和石灰結合料進行研究，得到石灰摻量在6%～8%時強度最優，可作路面底基層材料。楊和平等［17］利用生石灰改良高液限土，結果表明：石灰摻量在4%～6%時，高液限土路用性能良好，可滿足公路路基填料要求。因此，本文將石灰的摻量定為8%，按照磷石膏與土的質量比為1∶1進行配合比設計。外加劑選用OTS-02型，摻量10%。混合料配合比設計見表5。試樣制備過程：把紅黏土與磷石膏風干，粉碎后過2 mm孔徑篩。根據設計配合比和壓實度要求，稱量相應質量石灰、磷石膏、紅黏土，充分攪拌均勻后加入相應質量的水，悶料24 h，進行含水率測定。當目標含水率與實際含水率差值小于±1％方可進行試樣制備。采用靜壓法制樣，制樣時在模具內壁涂上適量凡士林，底部墊一層濾紙，混合料分3次進行壓實，每2次之間需刮毛處理，混合料全部倒入模具時需靜壓1 min，最后進行脫模。無側限抗壓強度試樣尺寸為50 mm×50 mm（直徑×高）。三軸試樣尺寸為39.1 mm×80 mm（直徑×高）。摻入OTS-02型外加劑的試樣制作只需在拌料時加入相應質量的外加劑即可。試樣制完后放入濕度≥95%、溫度（20±2） ℃養護箱中進行養護，無側限抗壓強度試驗試樣需養護7、14、28 d。三軸試驗試樣養護7 d，水穩試驗試樣養護6 d后泡水24 h再進行無側限抗壓強度試驗。

2.2試驗方法

2.2.1干濕循環試驗方法

課題組對某邊坡含水率進行了為期1年的現場監測，以部分監測數據繪制Ⅰ-Ⅰ剖面深度-含水率關系曲線，如圖1所示。由圖1可知，邊坡含水率為25%～50%。陳南等［18］對貴州余凱高速及凱羊高速6個標段共33處邊坡含水率開展測試，邊坡含水率為16%～45%。因此，根據現場監測數據、研究成果［19-20］，綜合考慮極端氣候，確定含水率干濕循環幅度為15%～50%。

干濕循環試驗方法如圖2所示。（a）坡腳（b） 坡中（c） 坡肩

傳統的加濕方式有浸泡加濕與灑水加濕。這2種加濕效果雖然明顯，但不好控制加濕后的質量，而且還會對試樣造成一定的損壞。本試驗采用加濕器（圖3）加濕。雖然加濕器的加濕效果相對緩慢，但加濕后試樣的質量容易控制，實驗精度比較高。為了增強加濕效果，將試樣放入定制的帶蓋容器，密封好容器后進行加濕。加濕過程中嚴格控制試樣質量，每隔一段時間取出試樣稱重，若達到目標含水率即停止加濕，靜置24 h，水分充分均勻后進行脫濕。脫濕過程中，每隔一段時間對35 ℃烘箱中的試樣進行稱重，質量與初始質量誤差在±2％以內即停止脫濕。脫濕到最低含水率后再加濕至初始含水率，然后再燜料24 h完成一次干濕循環過程。依此方法完成5次干濕循環過程。

2.2.2無側限抗壓強度試驗

試樣養護7 d、14 d、28 d后取出，進行無側限抗壓強度試驗。調整無側限儀承載板至水平，查看測力環內百分表讀數是否為0。若不為0，上下移動百分表使百分表讀數為0，固定并插上無側限儀電源，打開升降臺下降按鈕，待兩承載板間距離大于試樣高度，停止下降。把無側限儀平放在承載板正中央，開啟無側限儀上升按鈕，上升過程觀察百分表讀數變化，待讀數達到最大值時停止上升并記錄讀數，開啟無側限儀下降按鈕，取出試驗后的無側限試樣。

2.2.3三軸試驗

試樣在養護箱中養護7 d后用橡膠膜裹住，其兩端各墊上一層濾紙與透水石，并固定在壓力室底座上，用彈性較好的橡皮筋密封上下兩頭，防止水進入試樣內部。蓋緊壓力室外殼，擰緊螺絲，壓力室內絕對密封。打開閥門，水注滿壓力室后關閉閥門，并查看壓力室是否漏水。啟動上升按鈕，使壓力室平臺上升至壓力室上部自由端與儀器上部反力裝置接觸。在控制軟件上對各項數據進行清零后開始試驗。通過電腦控制系統加載相應的圍壓并固定圍壓值，試驗圍壓為50、100、150 kPa。當試樣破壞后，位移達到設定的標準便可停止試驗，記錄數據，排空壓力室的水，下降壓力室至初始位置，將試樣移除后可進行下一組試驗。

2.2.4水穩試驗

試樣養護6 d后，取出一組壓實度為90%、93%、96%試樣進行水穩試驗。試樣放入杯中，緩慢向杯中注水，待完全浸沒入水中開始計時。每隔一段時間進行觀察，24 h后取出進行無側限抗壓強度試驗。然后用這一組試樣摻入10% OTS-02外加劑進行0～5次干濕循環，再在燒杯中浸水24 h后取出進行無側限抗壓強度試驗。水穩系數為試樣干濕循環后浸水24 h的無側限抗壓強度與未經干濕循環、未浸泡試樣的無側限抗壓強度比值，即：

K=pn／p0

式中：K為水穩系數；pn為養護6 d的試樣經歷n次干濕循環后浸水24 h的無側限抗壓強度，MPa；p0為養護7 d，未經干濕循環、未浸泡處理試樣的無側限抗壓強度，MPa。

3結果分析

3.1無側限抗壓強度試驗結果

圖4是不同壓實度下，摻外加劑和未摻外加劑的混合料在不同齡期下，其無側限抗壓強度隨干濕循環次數變化的關系曲線。由圖4可知：摻有10% OTS-02型外加劑混合料無側限抗壓強度明顯比未摻外加劑混合料強度大，但隨著干濕循環次數的增大，差值越來越小。以標準養護14 d，90%、93%、96%壓實度的試樣為例，不加OTS-02型外加劑試樣初始強度分別為1.07、1.17、1.50 MPa，而加OTS-02型外加劑時，試樣強度分別為 2.22、2.75、3.11 MPa，強度約增加一倍。這是由于外加劑和土壤中的物質發生復雜改性反應，產生的共聚物分子膠狀黏粒和土粒結合起來，在土壤微粒間產生多維骨架結構，使土壤永久固化。固化劑中的活性成分與土壤顆粒發生反應，將土壤中的層狀結構、膠狀結構轉化為礦物晶格結構，土體力學性能大幅提高。

混合料無側限抗壓強度在前2～3次干濕循環過程中衰減幅度最大，之后衰減緩慢，最后趨于穩定。干濕循環對摻有10% OTS-02型外加劑混合料無側限抗壓強度的衰減影響更顯著。以14 d齡期無側限抗壓試驗為例，90%、93%、96%不加外加劑試樣，經過3次干濕循環后試樣強度分別下降了0.41、0.47、0.70 MPa，后2次干濕循環試樣強度分別下降了 0.15、0.17、0.20 MPa；而90%、93%、96%加OTS-02外加劑試樣，經過3次干濕循環后試樣強度分別下降了1.42、1.82、1.91 MPa，后2次干濕循環試樣強度分別下降了0.26、0.37、0.56 MPa。產生這一現象的原因是，在經歷初次干濕交替后，試樣內部即開始產生大量的微裂縫，造成土顆粒間的黏結作用變弱。土團粒分散成小的土顆粒，孔隙率增加，顆粒間的間距變大，故在外荷載作用下，土體抵抗變形的能力迅速降低。在經歷多次干濕循環后，土體的微裂縫數量、孔隙率大小及土顆粒間的間距已基本達到穩定，內部微觀顆粒結構達到了新的平衡狀態，此時土體的強度趨于穩定。

圖5和圖6分別是不同壓實度下未摻外加劑和摻外加劑的混合料在不同干濕循環次數下，其無側限抗壓強度隨齡期變化的關系圖。從圖5和圖6可知，混合料無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加而增長，養護7 d的強度達到養護28 d強度的80%以上。圖5（a）與圖6（a）顯示：在0次干濕循環下，未摻外加劑混合料7 d養護齡期無側限抗壓強度為1.02 MPa，養護28 d強度為1.22 MPa，7 d養護齡期試樣強度達28 d強度的83.6%；摻OTS-02型外加劑混合料養護7 d后強度為2.11 MPa，養護28 d強度為2.34 MPa，7 d養護齡期試樣強度達28 d的90.2%。這說明石灰的水化作用主要在前7 d完成，由于水化反應生成的水化硅酸鈣具有膠結作用，與周圍的小顆粒形成較大的粒團，粒團之間的相互連接形成骨架，骨架在前7 d已經基本成型。

3.2三軸試驗結果

圖7是不同壓實度下未摻外加劑和摻外加劑的混合料的抗剪強度指標隨干濕循環次數變化的關系圖。由圖7（a）可知，內摩擦角隨著干濕循環次數的增加緩慢減小。以93%壓實度為例，經過5次干濕循環后，摻外加劑試樣內摩擦角減小了2.29°，未摻外加劑試樣內摩擦角減小了1.22°。從圖7（b）可知，黏聚力隨著干濕循環次數的增加顯著減小。以96%壓實度為例，經過5次干濕循環后，摻加OTS-02型外加劑黏聚力由207.46 kPa減小到56.22 kPa，未摻外加劑的混合料黏聚力由155.22 kPa減小到41.13 kPa。

3.3水穩性試驗結果

圖8為未摻OTS-02型外加劑，石灰∶磷石膏∶紅黏土=8∶46∶46，壓實度分別為90%，93%和96%試樣浸水24 h照片。圖9為摻加10% OTS-02型外加劑，石灰∶磷石膏∶紅黏土=8∶46∶46，壓實度分別為90%，93%和96%試樣在不同干濕循環次數下在燒杯中浸水24 h的照片。

由圖8與圖9可知：未摻外加劑試樣浸水24 h后，試樣均出現不同程度的松散脫落，不具備強度，水穩性極差；摻10% OTS-02型外加劑混合料試樣，經過不同次數干濕循環，再浸水24 h，試樣表面出現裂縫和局部脫落，內部結構基本完整。

圖10為不同壓實度下摻10% OTS-02型外加劑混合料的水穩系數與干濕循環次數的關系曲線圖。從圖10可見：摻10% OTS-02型外加劑混合料水穩系數隨著干濕循環次數的增加而降低，90%、93%壓實度試樣經歷3次干濕循環后水穩系數為0，96%壓實度試樣經歷4次干濕循環后水穩系數為0，壓實度越大，水穩系數越大。

摻10% OTS-02型外加劑能明顯提高試樣水穩性。這是因為外加劑中的活性成分與土壤顆粒發生反應，將土壤中的層狀結構、膠狀結構轉化為礦物晶格結構，土壤顆粒及有機質經化學反應，其物理結構和化學性質均改變，降低了土體自身的親水性，土顆粒的排列更為密實，顆粒間斥力減小。壓實度越大，試樣越密實，內部空隙越小，浸泡時進入的水分越少，因此，降低了浸泡時水對其內部結構的破壞。

4結論

1）摻有10% OTS-02型外加劑混合料無側限抗壓強度明顯比未摻外加劑混合料強度大，但隨著干濕循環次數的增大，差值越來越小。

2）混合料無側限抗壓強度在前2～3次干濕循環過程中衰減幅度最大，之后衰減緩慢，最后趨于穩定。干濕循環對摻有10% OTS-02型外加劑混合料無側限抗壓強度的衰減影響更顯著。

3）混合料無側限抗壓強度隨齡期的增加而增加，養護7 d的強度達到養護28 d強度的80%以上。

4）混合料內摩擦角隨著干濕循環次數的增加緩慢減小。黏聚力隨著干濕循環次數的增加顯著減小。

5）未摻OTS-02型外加劑試樣浸水24 h后，試樣不具備強度，水穩性極差。摻10% OTS-02型外加劑混合料，經過不同次數干濕循環，再浸水24 h，試樣表面出現裂縫和局部脫落，內部結構基本完整。水穩系數隨著干濕循環次數的增加降低，壓實度越大，水穩系數越大。參考文獻：

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（責任編輯：周曉南）

Study on Strength and Water Stability Characteristics of

Phosphogypsum Stabilized Red Clay Under Dry and Wet Cycles

PENG Kaijun CHEN Kaisheng

（1.The Second Detachment of Guizhou Provincial Transportation Comprehensive Administrative Law Enforcement Unit， Zunyi 563000， China;

2. College of Civil Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： Aiming at the problems of red clay roadbed in the process of dry and wet cycle operation as well as the waste and pollution phenomenon of phosphogypsum solid waste resources， this paper designs the mix ratio as lime： phosphogypsum： red clay = 8∶46∶46， with 10% admixture of OTS-02， and prepares the specimens of the mixes of compaction degree of 90%， 93% and 96% under optimal water content， and carries out the unlimited compressive strength test， triaxial test and water stability test under dry and wet cycles. The results showed that the unlimited compressive strength decayed the fastest in the first 2-3 dry and wet cycles， and then slowly decayed and stabilized. The unlimited compressive strength of the mix with 10% OTS-02 admixture was obviously larger than that of the mixtures without admixtures， and the difference became smaller and smaller with the increase of the number of cycles. The unlimited compressive strength increases with age， and the unlimited compressive strength at 7 d of maintenance reaches more than 80% of that at 28 d. With the increase of the number of wet and dry cycles， the internal friction angle of the mix decreases slowly and the cohesion decreases significantly. The water stability of the mixtures without admixtures is very poor， the water stability performance is significantly improved by mixing 10% OTS-02 admixture， and the water stability coefficient decreases with the increase of the number of wet and dry cycles.

Key words： wet and dry cycle; red clay; phosphogypsum; strength characteristics; water stability