磷尾矿对玄武岩纤维加筋膨胀土工程特性影响研究

（焦作市公路管理局，河南焦作 454150）

膨胀土在我国大多数地区均有分布，多裂隙、水稳性差，遇水膨胀软化、失水收缩开裂[1-5]，其工程特性难以满足路基填料设计要求。近年来，随着我国基础设施建设力度逐渐加大，级配良好、优质合格的填料难以满足工程施工需求，且部分道路、铁路难免会穿越膨胀土区域。因此，通过对膨胀土进行处治来改善其工程特性对填筑路基具有重要意义。

一些学者针对此类问题展开了相关研究，例如，汪明武[6]、周葆春[7]等研究了石灰改良膨胀土力学强度变化规律。孙树林等[8-9]研究碱渣和高炉渣对膨胀土膨胀特性和力学强度的影响。杨俊等[2]通过水泥-石灰-粉煤灰复合改良膨胀土，研究了不同固化剂对膨胀土的力学强度的影响规律。徐洪钟[10]、张小平[11]等研究了纤维对膨胀土胀缩性、力学强度的影响，纤维掺量一定时，膨胀土胀缩性得到改善、力学强度得到提高。傅乃强等[12]研究了粉煤灰加筋土无侧限抗压强度变化规律，发现粉煤灰和纤维共同改良膨胀土的抗压强度高于同一掺量下的粉煤灰改良土或纤维改良土。以上成果无疑为膨胀土在路基填料中的应用与研究提供了理论支撑，为道路新材料的发展提供了方向。本文针对当前我国磷矿开采与加工中产生大量的磷尾矿没有得到科学利用的情况，通过室内试验采用磷尾矿改良玄武岩纤维加筋膨胀土，研究磷尾矿掺量对加筋膨胀土力学特性影响规律，优选磷尾矿最优掺量，为膨胀土工程应用提供新方法，实现道路产业绿色发展。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

土样取自合肥某路基施工现场，为中膨胀土。参照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）测得的土样物理性质见表1。磷尾矿主要化学成分见表2。纤维选用短切玄武岩纤维，技术性质见表3。

表1 膨胀土物理性质Table 1 Physical properties of expansive soil

表2 磷尾矿化学成分Table 2 Chemical constituents of phosphorus tailings

表3 玄武岩纤维技术性质Table 3 Technical properties of basalt fiber

1.2 试验方案

（1）研究玄武岩纤维掺量对加筋土胀缩特性影响规律，优选玄武岩纤维掺量。玄武岩纤维掺量指玄武岩纤维质量与干膨胀土质量之比。玄武岩纤维采用外掺法，拟掺量为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4% 和0.5%。拟压实度为95%、98%、100%，含水率分别为15%、17%和19%。

无荷膨胀率和膨胀力试验采用环刀取样，试样尺寸为Φ61.8×h20 mm，每组试验采用3 个平行试样。无荷膨胀率试验中，每隔2h 记录百分表读数，当连续两次读数低于0.1mm 时，认为试样不再膨胀，结束试验；膨胀力试验中，试样在某级荷载下间隔2h 无膨胀现象出现，认为试样在该级荷载下达到稳定，记录平衡荷载。

（2）研究磷尾矿掺量对玄武岩纤维加筋膨胀土力学强度影响规律，优选磷尾矿掺量。针对最优玄武岩纤维掺量加筋膨胀土，按JTG E40-2007 轻型击实试验方法确定的最佳含水率和最大干密度要求，磷尾矿采用外掺法，制备0%、4%、8%、12% 和16% 磷尾矿掺量的无侧限抗压强度试样和三轴剪切试样，尺寸为Φ39.1×h80 mm。磷尾矿掺量指磷尾矿干质量与干膨胀土质量之比。

无侧限抗压强度试验中，采用静压法成型试样；试样成型完毕后，放入温度（20±2）℃，湿度95% 的标准养护室养生7d、14d、28d，仪器采用液压伺服万能试验机WAW-100，每组试验采用6 个平行试件；三轴剪切试验中，采用击实法成型试样，选用固结不排水试验方法，围压分别为100kPa、200kPa、300kPa，仪器采用全自动三轴仪，每组试验采用3 个平行试件。

2 试验结果分析

2.1 玄武岩纤维加筋土胀缩特性

2.1.1 无荷膨胀率

玄武岩纤维加筋膨胀土无荷膨胀率试验结果如图1所示。

图1 玄武岩纤维掺量～加筋土无荷膨胀率关系Fig.1 Relationship between basalt fiber content and no-load expansion ratio of reinforced soil

由图1 可知，含水率和压实度一定时，加筋膨胀土无荷膨胀率随玄武岩纤维掺量增加逐渐降低，且19% 含水率的加筋膨胀土无荷膨胀率最小。同种压实度下，与含水率17% 和19% 相比，含水率21% 的加筋膨胀土无荷膨胀率降速随玄武岩掺量增加明显更快，其平均降速为8.4%；压实度分别为95%、98% 和100% 时，加筋膨胀土每增加0.1% 纤维掺量，其膨胀率分别平均下降5.3%、5.9% 和8.6%，说明加筋膨胀土压实度越高，玄武岩纤维掺量对其无荷膨胀率影响越显著，可通过在膨胀土中掺入适量的玄武岩纤维改善膨胀性。这是由于加筋膨胀土压实度越大，其土粒与纤维接触面积增大、摩阻力增强，纤维产生拉应力以抵消膨胀应力的发展，从而膨胀土膨胀量减小；而含水率较高时，对土粒和纤维具有一定的润滑作用，土粒与纤维的咬合力降低，受膨胀应力作用时，纤维产生的拉应力较小，致使膨胀土产生较大膨胀量。

2.1.2 膨胀力试验

玄武岩纤维加筋土膨胀力试验结果如图2 所示。

图2 玄武岩纤维掺量～加筋土膨胀力关系Fig.2 Relationship between basalt fiber content and expansive force of reinforced soil

由图2 可知，含水率与压实度一定时，加筋膨胀土膨胀力随玄武岩纤维掺量增加呈先减小后增大趋势发展，当含水率为21%、纤维掺量为（0.3±0.05）% 时，加筋膨胀土膨胀力最小。对于压实度为95%、98% 和100%的加筋膨胀土，玄武岩纤维掺量由0.1% 增加到0.3%，其膨胀力分别减小了43.5%、46.9% 和113%；玄武岩纤维掺量由0.1% 增加到0.5%，其膨胀力分别减小了41.6%、40.1% 和46.1%，说明0.3% 玄武岩纤维改善膨胀土膨胀性作用显著。对于加筋土中纤维掺量超过一定剂量后，其膨胀力略有增长是因为土体内纤维过多造成分布混乱，纤维与土粒之间的摩擦力和咬合力下降，对膨胀应力抵消作用较弱，致使加筋土改良效果较差、膨胀力上升。

综上可知，当玄武岩纤维掺量超过0.3% 后，加筋膨胀土无荷膨胀率变化不明显、膨胀力略有上升。对此，建议加筋膨胀土玄武岩纤维掺量为0.3%。

2.2 磷尾矿改良玄武岩纤维加筋土力学强度

2.2.1 无侧限抗压强度

磷尾矿改良加筋土无侧限抗压强度试验结果如图3～图4 所示。加筋土中玄武岩纤维掺量为0.3%。

图3 磷尾矿掺量～加筋土抗压强度关系Fig.3 Relationship between phosphorus tailings content and compressive strength of reinforced soil

图4 龄期～加筋土抗压强度关系Fig.4 Relationship between age and compressive strength of reinforced soil

由图3 可知，加筋膨胀土掺入磷尾矿后，其抗压强度随磷尾矿掺量增加先提高后减小；当磷尾矿掺量为12%时，加筋膨胀土抗压强度达到峰值，分别约为0%、4%、8%和16%磷尾矿掺量的加筋膨胀土抗压强度的3.8倍、2.5 倍、1.3 倍和1.1 倍，这是因为磷尾矿与土粒生成胶体颗粒，增加土粒之间的黏结作用，导致加筋土强度增长；当磷尾矿掺量超出某一值后，磷尾矿不能与土粒充分反应，发生团聚现象，阻碍土粒之间相互接触，削弱土体黏聚力与摩擦力，致使加筋土强度下降。

由图4 可知，磷尾矿掺量一定时，加筋膨胀土抗压强度随龄期延长逐渐增大，其7d 抗压强度约为28d 抗压强度的83.7%，说明养生龄期越长，磷尾矿中化学物质与土粒反应越充分，对加筋膨胀土强度提升效果越明显。

2.2.2 抗剪强度

磷尾矿改良加筋土三轴剪切试验结果如图5 所示。加筋土中玄武岩纤维掺量为0.3%。

图5 磷尾矿掺量～加筋土抗剪强度关系Fig.5 Relationship between phosphorus tailings content and shear strength of reinforced soil

由图5 可知，试样处于相同围压条件下，12% 磷尾矿掺量的加筋膨胀土主应力差峰值最大，且轴向变形抗变形能力良好，而4% 磷尾矿掺量的加筋膨胀土抗剪性能较差，且12% 磷尾矿掺量的加筋膨胀土主应力差峰值分别为4%、8%、16% 的磷尾矿掺量加筋膨胀土主应力差峰值的1.6 倍、1.1 倍和1.2 倍，说明12% 磷尾矿掺量对加筋膨胀土抗剪性能改良效果明显。这是因为磷尾矿化学成分与土粒发生离子交换反应及硬凝反应，土粒胶聚在一起，形成较粗颗粒，土粒之间及土粒与纤维之间摩擦力增大，使得改良加筋土抗剪性能增强；而当磷尾矿掺量超过一定掺量后，磷尾矿吸水导致土粒之间相对滑动，导致黏聚力与内摩擦力降低，从而抗剪性能出现下降。另外，同一磷尾矿掺量的加筋土抗剪强度随围压增大逐渐提高，这说明周围压力较高下改良加筋土具有较好的抗剪性能。

3 结论

（1）膨胀土中掺入玄武岩纤维后，可改善其胀缩特性。随玄武岩纤维掺量增加，一定含水率和压实度的加筋膨胀土无荷膨胀率逐渐降低、膨胀力先减小后增大，每增加0.1% 纤维掺量，加筋膨胀土膨胀率约下降5.3%～8.6%；玄武岩纤维掺量为0.3% 时，加筋膨胀土膨胀力达到最小值，当纤维掺量由0.1% 增加到0.3%，压实度100% 的加筋膨胀土膨胀力减小了113%。建议加筋土膨胀土玄武岩纤维掺量为0.3%。

（2）采用磷尾矿改良0.3% 玄武岩掺量的膨胀土，相同压实度与龄期的加筋膨胀土抗压强度随磷尾矿掺量增加呈抛物线趋势变化，12% 磷尾矿掺量的加筋膨胀土抗压强度达到峰值；同一围压条件下，12% 磷尾矿掺量对加筋膨胀土抗剪性能改良效果明显，其主应力差峰值分别为4%、8%、16% 的磷尾矿掺量加筋土主应力差峰值的1.6 倍、1.1 倍和1.2 倍。建议0.3% 玄武岩纤维加筋膨胀土磷尾矿掺量为12%。