水泥磷石膏稳定土变形特性及裂缝扩展规律研究

水泥 磷石膏稳定土变形特性及裂缝扩展规律研究

胡涛 陈开圣 * 王惠琳 叶永远

（贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025）

摘要: 以水泥为固化剂，按照水泥与磷石膏、磷石膏和红黏土的不同配比，通过膨胀试验和快速固结试验及干湿循环下的裂隙扩展试验探明磷石膏稳定红黏土土变形特性及裂缝扩展规律研究。结果表明，水泥磷石膏稳定土膨胀率与含水率和与压实度呈相同趋势变化，与磷石膏含量增呈相反趋势变化。压缩变形量随含水率的增加而增加,随压实度的增加而减少,随磷石膏的含量增加而降低。干湿循环过程中，增大磷石膏和水泥含量可以抑制红黏土裂隙的发育，当磷石膏：红黏土=1:1时，裂隙最少。在保证技术指标和安全条件下，以节省水泥的量为原则，提出了5%的建议。红黏土：磷石膏=1:1~1:3。

关键词：水泥；磷石膏稳定土；变形特性；裂缝扩展规律

Study on deformation characteristics and crack propagation law of cement phosphogypsum stabilized soil

Hu Tao Chen Kaisheng Wang huilin Ye yongyuan

(Guizhou University, School of Civil Engineering, Guiyang 550025, Guizhou)

Abstract: taking cement as curing agent, according to the different proportions of cement and phosphogypsum, phosphogypsum and red clay, the deformation characteristics and crack propagation law of phosphogypsum stabilized red clay soil are proved through expansion test, rapid consolidation test and crack propagation test under dry wet cycle. The results show that the expansion rate of cement phosphogypsum stabilized soil changes with the same trend as the moisture content and compaction degree, and the opposite trend with the increase of phosphogypsum content. The compression deformation increases with the increase of moisture content, decreases with the increase of compactness, and decreases with the increase of phosphogypsum content. During the dry wet cycle, increasing the content of phosphogypsum and cement can inhibit the development of red clay cracks. When phosphogypsum: red clay = 1:1, the cracks are the least. Under the guarantee of technical indexes and safety conditions, and based on the principle of saving the amount of cement, a proposal of 5% is put forward. Red clay: phosphogypsum = 1:1 ~ 1:3.

Key words:Cement; Phosphogypsum stabilized soil; Deformation characteristics; Crack propagation law

0 引言

据近十年的调查统计，我国红土分布面积约达200万平方公里，主要分布于南方，如广西、贵州、云南、广东及湖南等省份，其中红粘土占108万平方公里，讷红色或棕红色红粘土为74万平方公里，黄色或黄褐色红粘土占34万平方公里[1]。红黏土是碳酸盐岩类岩石在特殊的湿热交替作用下经历化学风化作用和红土化作用形成的高塑性黏土，主要分布在云贵高原、四川东部、两湖两广部分地区和江西、江苏等部分地区[2]。红粘土的工程地质特征与普通土层不同，其特征是：它具有高的水分、高的可塑性、大的孔隙比、低的密度和较低的压实度，同时也具有较高的强度、较好的可压缩性。红粘土地基的主要问题是由于在施工中出现了由于收缩而导致的裂缝。红粘土路基存在的主要问题是施工过程中表面因收缩而产生了开裂现象。开裂的大小不均，裂缝形状各异，最宽裂缝长度可达4～6 cm，深度可达20 cm[3]。由于裂缝的存在，将会影响路基的强度和稳定性能[4]。2019年云南、贵州、四川、湖北等产磷省的磷肥产量占总产量84%，排名前10位的企业磷肥产量占全国总产量67%。这些地区和企业的磷石膏堆存压力较大，问题较为突出[5]。从国内来看,主要用于建材、化工产品及土壤调理剂,国内磷化工企业均从这三个方向开展了大量工作,但受市场、资金等因素影响仍存在较多问题[6]。磷矿作为重要的化工原料，在化学工业和农业生产中具有重大作用[7]。大量的未利用的磷石膏被作为固体废弃物进行堆存，磷石膏的堆存不仅占用了大量土地，对环境安全带来了一定的风险，同时影响了磷化工企业和行业的可持续发展[8]。磷石膏的大量堆存不仅占用土地、浪费资源,存在巨大的环境和安全风险,更与我国无废城市发展理念相违背[9]。水泥稳定磷石膏土（CSPS）在公路工程中的应用具有很大的经济效益和社会效益[10]。因此，将磷石膏与红黏土混合形成良好的路基填料，实现循环利用、变废为宝的途径仍然是长期以来广泛关注的问题。针对磷石膏资源丰富和对环境的危害性和红黏土工程特性问题，通过文献、室内试验和理论分析等方法，对水泥-磷石膏改良红黏土的裂隙扩展性能进行系统的可行性、探索性研究，揭示其改性机理，判定磷石膏用作道路填料对于周围环境的危害性，为磷石膏和红黏土在道路工程中的应用提供一定的科学依据，解决磷石膏堆放占用场地、污染问题和公路建设中的筑路材料需求，实现磷石膏的循环利用。

1 原材料性能

红粘土产于贵州大学林业学院天然边坡中的红壤，与坡面顶部海拔约为4.0~5.0 m，其基本物理及力学指标如表1所示；磷石膏产于贵州省福泉市瓮福磷矿的磷矿，主要为灰色，大部分为粉体，基本物理力学性能如表2所示，水泥基本物理及力学指标如表3所示。

表1 红粘土基本参数指标

表2 磷石膏基本参数指标

表3 水泥基本参数基本参数指标

2 试验方案

2.1 配合比设计

目前，国内外已有大量的学者对以水泥为添加剂的磷石膏进行了大量的研究。掺入适量的磷石膏、水泥后,红粘土的无侧限强度与不掺任何添加剂的纯红黏土相比有明显提高,水泥的掺量在3%-7%，且水泥与磷石膏质量的比值在1:2.25-1:2.75时,无侧限强度和最大干密度均为最大；随着磷石膏水泥掺入量的增大，其最佳含水量和最大干重均增大;混合料的液限与液限指数随着磷石膏的增加逐渐降低，塑限随着磷石肴的增加总体呈缓慢减小的趋势[11]。因此水泥含量初定为3%、5%和7%。红黏土与磷石膏之比全部稳定在1:1~1:3之间，得到水泥9组配合比编号分别为1~9，进行水泥和磷石膏稳定土的膨胀变形试验和快速固结试验及干湿循环下的裂隙扩展试验。

表4 磷石膏稳定土配合比设计表

2.2.1 无荷载膨胀实验

根据《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）试验时分别将红黏土和磷石膏过2mm筛后，按表4的配比称取相应质量红黏土、水泥和磷石膏并混合均匀，再根据相应含水率加入一定质量的水，将混合料拌制均匀，焖料一夜。焖料完成后即可开始制样，制样采用静力压实法在一小时内完成，试样的尺寸为高20mm，直径30mm的圆柱体。压实度分别取85%、90%、95%，放入温度20℃±2℃，相对湿度95%以上的养护箱中养护7天，本试验将不同初始含水量和不同压实度和不同配比下土样在室温条件下，浸入水中至饱和，当饱和膨胀至稳定后，测量最终高度。

2.2.2 快速固结试验

试验时分别将红黏土和磷石膏过2mm筛后，按表4的配比称取相应质量红黏土、水泥和磷石膏并混合均匀，再根据相应含水率加入一定质量的水，将混合料拌制均匀，焖料一夜。焖料完成后即可开始制样，制样采用静力压实法在一小时内完成，试样的尺寸为高20mm，直径30mm的圆柱体。压实度分别取85%、90%、95%，放入温度20℃±2℃，相对湿度95%以上的养护箱中养护7天，本试验将不同初始含水量和不同压实度和不同配比下土样在室温条件下，进行快速固结，当固结至稳定后，测量最终高度。

2.2.3 干湿循环下的裂隙扩展试验

试验通过对不同含水率和不同压实度和不同配比下的磷石膏稳定土的环刀试样进行干湿循环下的裂隙扩展试验，研究在不同含水量及不同压实度和不同配比下，土样裂隙扩展宽度及规律，对裂隙扩展宽度及规律进行比较分析。本试验采取80℃的温度対试件进行烘干24h，然后在室温下进行吸水24h的方法进行干湿循环下的裂隙扩展试验，然后观察其裂隙扩展的规律，本试验进行5次干湿循环。

3结果分析

（a）水泥掺量L=3% （b）水泥掺量L=5%

（c）水泥掺量L=7%

图1 水泥磷石膏稳定土不同含水率下膨胀变形试验

（a）水泥掺量L=3% （b）水泥掺量L=5%

（c）水泥掺量L=7%

图2 水泥磷石膏稳定土不同压实度下膨胀变形试验

图3 水泥磷石膏稳定土不同配合比下膨胀变形试验

由图1、图2和图3可知，泥磷石膏稳定土膨胀率与含水率和与压实度呈相同趋势变化，与磷石膏含量增呈相反趋势变化。

1. 水泥掺量L=3% （b）水泥掺量L=5%

2. 水泥掺量L=7%

图4 水泥磷石膏稳定土不同含水率下压缩变形试验

1. 水泥掺量L=3% （b）水泥掺量L=5%

（c）水泥掺量L=7%

图5 水泥磷石膏稳定土不同压实度下压缩变形试验

图6 水泥磷石膏稳定土不同配合比下压缩变形试验

由图4、图5和图6可知，水泥磷石膏稳定土的压缩变形量随着含水率的增加而增加,随着压实度的增加而减少,随着磷石膏的含量增加而降低。当磷石膏：土=1:1,水泥：3%、压实度为95%、含水率为最优含水率时压缩变形量最小。

(a)磷石膏：土=1:1、水泥：3%

(b)磷石膏：土=1:2、水泥：5%

(c)磷石膏：土=1:1、水泥：7%

图7 80℃下干湿循环裂隙扩展规律试验

注：上图从左到右分别为第一次、第二次、第三次、第四次和第五次

图7表明，当水泥含量不变的情况下，经过多次循环，随着磷石膏含量的增大周围掉块数量减少，当磷石膏：红黏土=1:1时，裂隙最少。说明增大磷石膏可以抑制红黏土裂隙的发育。当磷石膏含量不变的情况下，经过多次循环，随着水泥含量的增大掉块量减少，当水泥含量为7%，裂隙最少。说明增大水泥含量可以抑制红黏土裂隙的发育。

4 结论

（1）泥磷石膏稳定土膨胀率与含水率和与压实度呈相同趋势变化，与磷石膏含量增呈相反趋势变化。

（2）水泥磷石膏稳定土压缩变形量随含水率的增加而增加,随压实度的增加而减少,随磷石膏的含量增加而降低。

（3）干湿循环过程中，增大磷石膏和水泥含量可以抑制红黏土裂隙的发育，当磷石膏：红黏土=1:1时，裂隙最少。

（4）在满足规范要求和安全性的前提下，从节约水泥用量的角度出发，推荐水泥掺量为5%，红黏土：磷石膏=1:1~1:3。

参考文献

1. 穆锐. 贵阳地区红黏土动力特性及其动本构关系研究[D].贵州大学,2019.

2. 刘强.红粘土路基改良施工技术[J].建筑技术开发,2019,46(12):128-129.

3. 蒲黍絛.含水率对不同状态红黏土抗剪强度的影响研究[J].贵州大学学报(自然科学版),2019,36(04):93-100.DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2019.04.17.

4. 褚卫军. 干湿循环作用下红粘土胀缩变形特性及裂缝扩展规律研究[D].贵州大学,2015.

5. 白海丹.2019年我国磷石膏利用现状、问题及建议[J].硫酸工业,2020(12):7-10.

6. 欧志兵,杨文娟,何宾宾.国内外磷石膏综合利用现状[J].云南化工,2021,48(11):6-9.

7. 李纯,薛鹏丽,张文静,孙晓峰,高涵.我国磷石膏处置现状及绿色发展对策[J].化工环保,2021,41(01):102-106.

8. 于慧梅,何欢,孟博.辽宁某磷铁矿中回收磷灰石浮选试验研究[J].贵州大学学报(自然科学版),2021,38(03):48-53+61.DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2021.03.07.

9. 夏举佩．磷石膏用作建筑材料的瓶颈与关键技术[J]．磷肥与复肥，2020,35(11):6-7.

10. Peng Bo,Zhang Jing,Peng Jing-wen. Water expansion performance standard for cement stabilized phosphogypsum soil[J]. Journal of Physics: Conference Series,2021,1904(1):

11. 张颖,陈开圣.磷石膏稳定红粘土最优掺量研究[J].中国水运(下半月),2021,21(06):161-163.

第一作者简介：胡涛，男，2000年2月，本科，学生。

通讯作者简介：陈开圣(1975-)，男，教授，博士，主要从事道路工程和岩土工程教学与科研工作。

基金项目：贵州省大学生创新创业训练计划项目(S202110657074),贵州省科技支撑计划项目(黔科合支撑[2020]4Y038)。