磷石膏–水泥改良黃土動(dòng)力特性試驗(yàn)

艾志軍

（呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

黃土是一類具有吸附、膨脹、收縮等特性的多孔性黃色粉土沉積物，廣泛分布于中緯度干旱及半干旱地區(qū)，我國(guó)黃土主要集中于甘肅、寧夏、山西、陜西等地。在“一帶一路”倡議下，國(guó)家加大了西北地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一大批高速鐵路項(xiàng)目在這些地區(qū)規(guī)劃修建[1?2]。但是，由于原狀黃土具有強(qiáng)水敏性和動(dòng)力易損性，黃土地區(qū)修建的鐵路路基易出現(xiàn)震陷、坍塌等工程地質(zhì)災(zāi)害，路基填料改良已成為路基設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一[3?5]。

在高速鐵路運(yùn)行過(guò)程中，由于列車行駛速度極高，對(duì)路基的沉降變形要求也越嚴(yán)格。黃土高原地區(qū)大部分處于高地震烈度區(qū)，尤其是在列車荷載周期往復(fù)（動(dòng)荷載）作用下，極易造成土顆粒及土體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力損傷，因此，對(duì)黃土的動(dòng)力特性進(jìn)行研究具有十分重要的工程意義[6?7]。為了滿足工程需要，常采用加筋[8?9]、摻粉煤灰[10]、摻水泥[11?12]等方式對(duì)原狀黃土進(jìn)行改良處理，并通過(guò)試驗(yàn)獲得了不同改良方式下的黃土動(dòng)力特性。其中，水泥改良方式最為常用，且改良加固效果相對(duì)較好，但是水泥改良黃土也存在成本高、高水灰質(zhì)量比、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。磷石膏作為磷酸生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，若不加以處理，則對(duì)大氣、土壤和地下水系統(tǒng)等環(huán)境將造成嚴(yán)重污染，由于我國(guó)磷石膏產(chǎn)量十分巨大，但綜合利用率不足30%，若能通過(guò)特殊手段將磷石膏應(yīng)用于黃土路基的改良工程中，可以實(shí)現(xiàn)磷石膏的變廢為寶，同時(shí)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。相關(guān)研究表明，磷石膏與水泥搭配使用，可以有效改善路面基層的水穩(wěn)性，同時(shí)極大提高淤泥質(zhì)軟土的強(qiáng)度特性[13?15]。

鑒于水泥+磷石膏混合材料擁有良好的改良特性，但目前應(yīng)用于黃土改良的試驗(yàn)還比較少見(jiàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)不同配比磷石膏–水泥改良黃土并進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)，相關(guān)研究成果可為黃土路基改良工程提供新的思路，也可為實(shí)現(xiàn)磷石膏的資源化利用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)黃土取自甘肅天水地區(qū)，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得原狀黃土的塑限為15.4%，液限為28.7%，塑性指數(shù)為13.3，天然含水率為13.3%，天然密度為1.44 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.1%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.85 g/cm3，黏粒、粉粒、砂粒的占比分別為18.5%、72.5%和8%。

試驗(yàn)水泥采用峨眉山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為2.84 g/cm3，細(xì)度為3.1%，燒失量為3.25%，主要化學(xué)成分為CaO和SiO2，占比分別為62.6%和23.7%。

試驗(yàn)磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O（其中CaO含量約為25.6%，SO3含量約為41.3%），重金屬含量約為4.7%，含水率為13.3%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)采用GDS高精度雙向振動(dòng)三軸儀，該試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括制動(dòng)單元、三軸壓力室、控制器、平衡器以及數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)裝置等。儀器動(dòng)態(tài)頻率最大值為10 Hz；荷載最大值為60 kN，適合試樣尺寸38～150 mm，也可定制試件尺寸（見(jiàn)圖1）。

圖1 GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)儀

1.3 試驗(yàn)方案及步驟

試驗(yàn)步驟：（1）將野外取得的黃土進(jìn)行風(fēng)干、碾碎，然后過(guò)2 mm篩；（2）按一定配比將水泥、磷石膏和黃土進(jìn)行均勻拌和；（3）將各組土樣制成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d；（4）將試件放入三軸室，經(jīng)反壓飽和后，進(jìn)行動(dòng)三軸測(cè)試（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)設(shè)置為10000次，若中途發(fā)生震陷破壞，則終止試驗(yàn)）。

試驗(yàn)方案：試驗(yàn)圍壓均為10 kPa，固結(jié)比Kc（Kc=σ1/σ3）值為2.5，振動(dòng)頻率選取5 Hz；試驗(yàn)配比分為5組，包括素土對(duì)比試驗(yàn)組和摻水泥+磷石膏試驗(yàn)組，水泥+磷石膏為黃土質(zhì)量的20%，水泥/磷石膏質(zhì)量比分為1∶4、1∶3、1∶2和1∶1共4組；試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)力幅值分別為50.9 kPa、101.8 kPa、152.7 kPa、203.6 kPa和254.5 kPa，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 累積塑性應(yīng)變–振次關(guān)系

試驗(yàn)得到的不同試驗(yàn)組的累積塑性應(yīng)變與振次的關(guān)系見(jiàn)圖2。從圖2中可以看到：在相同配比下，隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大，改良黃土的累積塑性應(yīng)變（動(dòng)應(yīng)變）隨振次的變化呈不同的變化特征；在較低動(dòng)應(yīng)力下（50.9 kPa和101.8 kPa）時(shí)，試件經(jīng)過(guò)10000次動(dòng)荷載作用后未發(fā)生加速應(yīng)變特征，即累積塑性應(yīng)變包括衰減變形和穩(wěn)態(tài)變形兩個(gè)階段，此時(shí)試件處于硬化作用階段，主要為原始孔隙和微裂紋被壓密閉合，土顆粒受到擠壓被重新排列，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力適中時(shí)（152.7 kPa），累積塑性應(yīng)變速率加快，試件內(nèi)部逐漸產(chǎn)生損傷，但不足以使試件發(fā)生總體破壞；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力較大時(shí)（203.6 kPa和254.5 kPa），不同配比下的應(yīng)變發(fā)展情況不同，A組和B組在10000次振次內(nèi)均發(fā)生了加速應(yīng)變變形，試件發(fā)生失穩(wěn)破壞，C、D、E組在203.6 kPa下有向加速應(yīng)變變形發(fā)展的趨勢(shì)，但在10000次振次內(nèi)并未發(fā)生整體破壞，C和D組在254.5 kPa下發(fā)生了失穩(wěn)破壞，而E組未發(fā)生破壞；相同動(dòng)應(yīng)力下，磷石膏–水泥改良試驗(yàn)組的應(yīng)變變形小于素土試驗(yàn)組（即震陷量變?。译S水泥含量的提升逐漸減??；水泥摻量的增加，提升了黃土抵抗動(dòng)力變形的能力，增加了自身的強(qiáng)度和脆性，使得黃土試件從塑性變形破壞向脆性變形破壞轉(zhuǎn)變（即加速變性特征越不明顯）。

圖2 累積塑性應(yīng)變–振次關(guān)系曲線

從整體上來(lái)看，磷石膏–水泥有助于黃土動(dòng)力特性的改良，這主要得益于以下3個(gè)原因：（1）磷石膏–水泥與黃土中物質(zhì)成分相互反應(yīng)，生成方解石等比較堅(jiān)硬的物質(zhì)，而伊利石和綠泥石這些相對(duì)較軟的成分減少；（2）在硫酸根離子濃度足夠的情況下，水泥會(huì)與之產(chǎn)生大量的鈣礬石，鈣礬石具有很強(qiáng)的膨脹特性，可以起到填充黃土顆?？紫督Y(jié)構(gòu)的作用；（3）鈣礬石還會(huì)與水化硅酸鈣反應(yīng)生成一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，在黃土孔隙之間起到“連接繩”作用，增加了受力面積，對(duì)于試件的動(dòng)力學(xué)性能有利。

2.2 動(dòng)彈性模量–動(dòng)應(yīng)力關(guān)系

每振動(dòng)1000次計(jì)算一次動(dòng)彈性模量，然后對(duì)所計(jì)算的動(dòng)彈性模量取平均值，得到不同試驗(yàn)組的動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)力的變化曲線（見(jiàn)圖3）。從圖3中可以看到：磷石膏–水泥改良黃土的動(dòng)彈性模量較素土試驗(yàn)組明顯提高，提升幅度約為2～3倍，水泥的摻量越高，提升幅度越大，這是因?yàn)樵诹资嗪孔銐虻那闆r下，能夠提供足量的硫酸根離子與水泥進(jìn)行反應(yīng)并生成鈣礬石，鈣礬石的膨脹填充作用使得試件本身更加致密，因而動(dòng)彈性模量隨水泥摻比增大而增大；隨著動(dòng)應(yīng)力的逐漸增大，同一試驗(yàn)組的黃土動(dòng)彈性模量總體呈先增加后減小的變化特征，在低動(dòng)應(yīng)力下，試件在試驗(yàn)振次內(nèi)被逐漸壓密，試件強(qiáng)度不斷提高，因而動(dòng)彈性模量增大，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力達(dá)到一定幅值后，試件在經(jīng)歷短暫的壓密變形后隨即進(jìn)入剪脹損傷，試件整體結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)，強(qiáng)度遭到破壞，因而動(dòng)彈性模量降低。

圖3 動(dòng)彈性模量變化曲線

2.3 阻尼比–動(dòng)應(yīng)力關(guān)系

同理，每振動(dòng)1000次計(jì)算一次動(dòng)阻尼比，然后對(duì)所計(jì)算的阻尼比取平均值，得到不同試驗(yàn)組的阻尼比隨動(dòng)應(yīng)力的變化曲線（見(jiàn)圖4）。從圖4中可以看到：經(jīng)磷石膏–水泥改良過(guò)后的黃土的阻尼比明顯小于素土組，表明其抗震性能明顯提升，這是因?yàn)榱资啜C水泥改良過(guò)后，黃土試件結(jié)構(gòu)更加致密，試件內(nèi)部的架空孔隙減小、顆粒間間距減小，使得在震動(dòng)作用下，顆粒不易發(fā)生錯(cuò)位變動(dòng)（擠壓錯(cuò)位），因而阻尼比減??；隨著動(dòng)應(yīng)力的增大，阻尼比呈先減后增變化特征，這表明試件內(nèi)部經(jīng)歷一個(gè)從結(jié)構(gòu)致密到結(jié)構(gòu)松散破壞的變化過(guò)程，這與上文分析原因類似，不再贅述。

圖4 阻尼比變化曲線

2.4 動(dòng)應(yīng)變–動(dòng)應(yīng)力關(guān)系

試驗(yàn)得到的各試驗(yàn)組動(dòng)應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力的變化關(guān)系見(jiàn)圖5。從圖5中可以看到：動(dòng)應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力的增大逐漸增大，相同動(dòng)應(yīng)力下，素土組的動(dòng)應(yīng)變明顯大于改良試驗(yàn)組，這表明磷石膏–水泥改良黃土的震陷性得到明顯改善，根據(jù)動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系，可用Hardin-Drnevich雙曲線模型[16]對(duì)其進(jìn)行描述：

圖5 動(dòng)應(yīng)變–動(dòng)應(yīng)力關(guān)系曲線

式中：σd為動(dòng)應(yīng)力，kPa；εd為動(dòng)應(yīng)變，%；a、b為試驗(yàn)常數(shù)，a的倒數(shù)為初始最大動(dòng)彈性模量Edmax，MPa，b的倒數(shù)為初始最大動(dòng)應(yīng)力σdmax。

通過(guò)數(shù)值分析軟件計(jì)算得到的Hardin-Drnevich模型參數(shù)情況見(jiàn)表2。從表中可以看到：計(jì)算得到的不同試驗(yàn)組初始最大動(dòng)彈性模量Edmax隨著水泥摻比的增加不斷增大，而初始最大動(dòng)應(yīng)力的增幅不是特別明顯，而且在E組下時(shí)還略有降低，這可能與水泥摻量增大后，與磷石膏反應(yīng)生成的鈣礬石過(guò)量，形成膨脹損傷有關(guān)；從整體上來(lái)看，磷石膏–水泥改良過(guò)后的黃土動(dòng)力特性參數(shù)均有不同程度提高，表明其抗震性能越來(lái)越優(yōu)越。

表2 Hardin-Drnevich雙曲線模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.5 疲勞動(dòng)應(yīng)力門檻值

參照蠕變?cè)囼?yàn)中等時(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線確定長(zhǎng)期強(qiáng)度的方法，對(duì)不同試驗(yàn)組作等振次應(yīng)力–應(yīng)變曲線（見(jiàn)圖6）。等時(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線法的原理為將不同應(yīng)力等級(jí)下的蠕變曲線在同一時(shí)間點(diǎn)下的蠕變應(yīng)變值取出，繪制所得的應(yīng)力–應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)處即為材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度，由于累積塑性應(yīng)變隨振次的變化規(guī)律與蠕變曲線形似，因此，通過(guò)選取不同振次下的應(yīng)變也可作相應(yīng)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線；從圖6中可以看到，在素土情況下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到100 kPa左右時(shí)，黃土等振次應(yīng)力–應(yīng)變曲線已出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)變拐點(diǎn)，而經(jīng)過(guò)磷石膏–水泥改良后，黃土的等振次應(yīng)力–應(yīng)變曲線拐點(diǎn)較素土有所提高，且拐點(diǎn)均在150 kPa左右，表明磷石膏–水泥改良黃土的動(dòng)力特性有明顯改善，疲勞動(dòng)應(yīng)力門檻值有較大提升。

但是，從試驗(yàn)結(jié)果中也可以看到，雖然磷石膏–水泥對(duì)黃土的疲勞動(dòng)應(yīng)力有所提升，但水泥摻比對(duì)疲勞動(dòng)應(yīng)力門檻值的影響并不明顯，分析可能原因包括：①本次試驗(yàn)的應(yīng)力等級(jí)設(shè)置偏少，使得拐點(diǎn)并不清晰，這將在今后研究中做進(jìn)一步改善；②水泥的摻入雖然能增加試件的強(qiáng)度，同時(shí)使試件由延性往脆性轉(zhuǎn)變，其增加了在同一動(dòng)應(yīng)力下抵抗變形的能力，但只要振次夠多，試件仍會(huì)發(fā)生震陷破壞，水泥的摻入只是起到延緩作用；③水泥摻比過(guò)高后，反而會(huì)因?yàn)殁}礬石的過(guò)量膨脹性對(duì)試件產(chǎn)生損傷（應(yīng)力反噬），使得試件的抗震性能提升效果減弱。

3 結(jié)論

（1）磷石膏–水泥的摻入能夠顯著提升黃土的動(dòng)力特性，水泥摻比越高，動(dòng)彈性模量越大、阻尼比越小，震陷變形越小。

（2）隨著動(dòng)應(yīng)力的增大，動(dòng)彈性模量呈先增加后減小的變化特征，阻尼比則與之相反，呈先減小后增大的變化特征。

（3）磷石膏–水泥，對(duì)于提升黃土的初始動(dòng)彈性模量較為顯著，而對(duì)于初始動(dòng)應(yīng)力的提升不明顯，水泥摻比越高，初始動(dòng)彈性模量越大。

（4）提出采用等振次應(yīng)力–應(yīng)變曲線法進(jìn)行疲勞動(dòng)應(yīng)力門檻值的初步確定；磷石膏–水泥改良黃土的疲勞動(dòng)應(yīng)力門檻值較素土有較大的提升，但與材料配比的關(guān)系不明顯，這可能與試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)力等級(jí)設(shè)置較少、鈣礬石膨脹應(yīng)力反噬等因素有關(guān)，有關(guān)結(jié)論將在今后做進(jìn)一步深入探討和分析。