石灰磷石膏稳定红黏土动力特性试验研究

陈开圣,罗国夫,周 波,王 磊

(贵州大学 土木工程学院,贵州 贵阳 550025)

0 引 言

磷石膏是磷铵生产的副产物,每生产1 t磷铵就要排出5 t左右的磷石膏;以贵州每年生产100万t磷铵的产量计算,每年排放磷石膏约为500万t。目前,对磷石膏的处理多采用陆地堆放和江、湖、海填埋的方式进行,这些方法既侵占了土地又破坏了植被,而且酸性废水渗漏会给自然环境带来不利影响[1],故磷石膏回收利用成为了学界研究的热点。

红黏土是一种特殊黏土,具有高裂隙性、高收缩率、高水敏性等特点,但这些特性制约了红黏土在公路工程中的应用[2]。近年来,国内外工程界通常采用固硫灰、纳米碳酸钙、纳米石墨粉、玻璃纤维、粉煤灰等材料来改良红黏土。如李勇辉等[3]将固硫灰掺入到红黏土中,利用其游离氧化钙含量高、火山灰特性、自硬性等特点,有效地降低了红黏土的塑性指数、增强了压实性和提高了承载比;陈学军等[4]通过分析纳米石墨粉对红黏土力学性能的影响,得到了抗剪强度指标的变化规律,又通过扫描电子显微镜(SEM)得到了随纳米石墨粉掺量变化及抗剪强度指标的变化规律;万友元等[5]通过固结试验探究了玻璃纤维对红黏土压缩模量的影响,得出了红黏土压缩模量随着纤维掺量和长度增加呈现先增大后减小的结论。

目前,石灰磷石膏改良红黏土用于路基的研究主要集中在静力特性上,而关于其动力特性的研究鲜有报道。高速公路、铁路、城轨交通的路基在使用阶段都会受到动荷载作用,当动荷载作用超过其抵抗变形能力或达到自身极限应力时,土体会被破坏,给工程带来极大危害[6]。徐泽友等[7]通过二灰改良磷石膏与碎石在不同配比下的击实、压缩、膨胀、回弹试验,得出了磷石膏含量在14%～15%时有最佳击实性能、相对较低压缩性及膨胀性的结论;克高果等[8]通过室内试验证明了改性磷石膏废料强度、膨胀和水稳性均能满足路基填料的要求,改性磷石膏作为路基填料具有可行性。彭波等[9]使用生命周期评估方法分析了磷石膏石灰稳定土路基的环境影响,认为通过优化配比等方式,可有效减轻实际使用过程中对环境的影响。

基于此,笔者将石灰及磷石膏掺入红黏土中,通过室内动三轴试验研究了不同围压、固结比和振动频率下素红黏土和石灰磷石膏稳定红黏土的动剪切模量和阻尼比变化规律,提出了动剪切模量和阻尼比的动本构关系。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

1.1.1 红黏土

红黏土取自贵州大学附近某自然边坡,取土深度为0.5 m,土样呈棕红色,含水率较高,土质均匀,结构致密。红黏土基本物理指标及化学成分如表1。

表1 红黏土基本物理指标及化学成分

1.1.2 磷石膏

磷石膏取自贵州福泉瓮福磷矿堆场,磷石膏为灰白色粉末,其基本指标如表2。

表2 磷石膏基本指标

1.1.3 石 灰

石灰购买于贵阳某厂家,石灰为白色粉末状,干燥、无结块,主要成分CaO占比97.95%。

1.2 试验方法

1.2.1 试验仪器

选用西安力创SDT-20型动三轴试验机。其最大轴向激振动态荷载为20 kN,量程为20 mm,应变测量精度为10-4,平均荷载波动优于0.5%,荷载振幅波动度优于2%,变形精度优于0.5%,三轴压力室最大围压为1 000 kPa,可模拟三角波、正弦波、正波、方波、梯形波、斜波等波形,可提供轴向和侧向激振频率范围为0～20 Hz。

1.2.2 试样制备

将石灰掺量初定为4%、 6%,石灰与磷石膏比例均为1:3。使用素红黏土作对照组,用于评价改良前后的效果。根据文献[10]规定:三、四级公路以上的填方下路堤压实度需大于等于90%,故选择压实度为90%的最佳含水率试样,其尺寸为Φ39.1× 80 mm。

将材料按配比混合,分为3层击实,每层试样质量均匀,每层接触面进行刨毛处理;然后按标准养护7 d(温度20±2 ℃,湿度≥95%),进行动三轴试验。试样配比设计如表3。

表3 配比设计

1.2.3 动三轴试验方案

试验荷载为正弦波荷载,逐级递增,每级振动次数取10次,固结比取1.0、 1.5、 2.0,振动频率取1、 2、 4 Hz,围压取50、100、150、200 kPa。

1.2.4 SEM试验方案

取表3中的A、C组,通过静力压实制备环刀试样,标养7 d,并进行SEM试验。将试样掰成2 cm3大小,用砂纸打磨成接近0.5 cm3的土片。扫描之前进行喷金镀膜,增加样品导电性能。

2 结果与分析

2.1 动剪切模量与应变关系

2.1.1 围压影响

图1为固结比1.0、 频率1 Hz时,不同围压下的Gd-γd图像。由图1可知:素红黏土与石灰磷石膏稳定土的动剪切模量均随动剪切应变的增大而减小,随围压增大而增大。随着围压增大,混合料内部更为密实,抗剪切变形变强,动剪模量增大。

图1 不同围压磷石膏稳定土动剪切模量与动剪切应变关系Fig. 1 Relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different confining pressure

2.1.2 固结比影响

图2为频率1 Hz、 围压100 kPa时,不同固结比下的Gd-γd图像。由图2可知:素红黏土和石灰磷石膏稳定土的动剪切模量随固结比增加而增加,随动剪切应变的增大而减小。随着固结比增大,预固结压力增大,混合料变密实,孔隙变小,固结阶段混合料发生大变形,抵抗剪切变形能力增强,动剪切模量变大。

图2 不同固结比磷石膏稳定土动剪切模量与动剪切应变关系Fig. 2 Relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different consolidation ratio

2.1.3 振动频率影响

图3为固结比1.0、 围压100 kPa时,不同振动频率下的Gd-γd图像。由图3可知:素红黏土和石灰磷石膏稳定土的动剪切模量随振动频率增大而增加,随动剪切应变的增大而减小。1、4 Hz相比,A组动剪切模量最大下降了15.08%,B组最大下降了12.96%,C组最大下降了16.29%。随着振动频率增大,降低了动荷载作用在混合料中的时间,混合料在短时间内被压密,变形减弱,孔隙减小,动剪切模量变大。

图3 不同振动频率磷石膏稳定土动剪切模量与动剪切应变关系Fig. 3 Relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different vibration frequencies

2.1.4 石灰、磷石膏掺量影响

图4为固结比1.0、 频率2 Hz、围压100 kPa时,不同石灰含量磷石膏稳定土的Gd-γd图像。由图4可知:素红黏土和石灰磷石膏稳定土的动剪切模量随石灰、磷石膏含量增加而显著增大。

图4 不同石灰、磷石膏含量稳定土动剪模量与动剪应变曲线Fig. 4 Relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of stabilized soil with different lime and phosphogypsum contents

综上,素土和石灰磷石膏稳定土的最大动剪切模量均随着围压、固结比、振动频率增加而缓慢增大,随着石灰含量的增加显著增加。在相同条件下,石灰磷石膏稳定土的最大动剪切模量比素红黏土大得多。以围压100 kPa、固结比1.0、振动频率1 Hz为例,A组最大动剪切模量为35.513 MPa,B组最大动剪切模量为84.341 MPa,C组最大动剪切模量为95.567 MPa。随着石灰与磷石膏含量增加,A→B→C这3组的变化过程中,动剪切模量增加了93.19%～169%;这说明在素红黏土中加入石灰与磷石膏能增强混合料的强度和抵抗变形能力,石灰磷石膏稳定土的改良效果较好。

限于篇幅,笔者仅展示部分试验数据及拟合图像,其余条件下的规律类似,故不再赘述。

2.1.5 动剪切模量与应变的动本构关系模型

动剪切模量与动剪切应变的关系模型主要有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。笔者通过尝试发现H-D模型适于描述磷石膏稳定土动剪切模量与动剪切应变的关系,如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中:Gd为动剪切模量;τd, max为最大动剪切应力;Gd,max为最大动剪切模量;γr为参考动剪切应变;γd为动剪切应变。

所拟合的γr、Gd,max曲线如图1～图3。拟合曲线相关系数R2见表4。限于篇幅,表4仅显示了拟合曲线R2的最小值,如A组不同围压下拟合曲线R2分别为0.991、0.994、0.995、0.995,仅显示0.991。图像拟合效果良好,且R2≥0.99,故Gd与γd的关系可用H-D模型表达。

表4 Gd-γd拟合曲线相关系数R2最小值

2.2 阻尼比与动剪切应变关系

2.2.1 围压影响

图5为固结比1.0、 频率1 Hz时,不同围压下素红黏土和磷石膏稳定土的λ-γd曲线。由图5可知:素红黏土和磷石膏稳定土的阻尼比均随着动剪切应变增大而增大,随围压增加而降低。围压变大,混合料变得更致密,孔隙减小,应力波在混合料内部能量耗散减小,阻尼比减小。

图5 不同围压磷石膏稳定土阻尼比与动剪切应变关系Fig. 5 Relationship between damping ratio and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil under different confining pressure

2.2.2 固结比影响

图6为围压100 kPa、 频率1 Hz时,不同固结比下素红黏土和磷石膏稳定土的λ-γd曲线。由图6可知:素红黏土和磷石膏稳定土的阻尼比均随着动剪切应变增大而增大,随固结比增加而降低。固结比增大,即轴向固结压力变大,混合料内部变得更密实,孔隙变小,应力波在混合料中能量损失减小,阻尼比减小。

图6 不同固结比磷石膏稳定土阻尼比与动剪切应变关系Fig. 6 Relationship between damping ratio and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different consolidation ratio

2.2.3 振动频率影响

图7为围压100 kPa、固结比1.0时,不同振动频率下素红黏土和磷石膏稳定土的λ-γd曲线。由图7可知:素红黏土和磷石膏稳定土的阻尼比均随着动剪切应变增大而增大,随频率升高而降低。增大振动频率,动荷载在混合料内部的作用时间变短,能量耗散变小,阻尼比变小。

图7 不同振动频率磷石膏稳定土阻尼比与动剪切应变关系Fig. 7 Relationship between damping ratio and dynamic shear strain of phosphogypsum stabilized soil with different vibration frequencies

2.2.4 石灰、磷石膏掺量影响

图8为固结比1.0、频率1 Hz、围压50 kPa时,不同掺量的石灰、磷石膏含量稳定土的λ-γd曲线。由图8可知:随着石灰掺量增大阻尼比减小。当γd<0.02%时,石灰掺量对阻尼比影响不大;γd>0.02%时,曲线出现明显分离。混合料内部胶结情况较好,胶结物提高了混合料整体性,变形小,能量耗散小。

综上,素红黏土和磷石膏稳定土的最大阻尼比均随着围压、固结比、频率和石灰含量增大而缓慢减小。在相同条件下,石灰磷石膏稳定土最大阻尼比比素红黏土小得多。以围压100 kPa、固结比1.0、振动频率1 Hz为例,A组素红黏土最大动阻尼比为0.144,B组最大阻尼比为0.118,C组最大阻尼比为0.094。随着石灰与磷石膏含量增加,A→B→C这3组的变化过程中,阻尼比下降了21.78%～34.72%。阻尼比反映了土体动剪应力与动剪应变关系的滞后特性,其原因是土体在循环荷载作用下发生变形时,土体内部摩擦阻力消耗能量。以上结果表明:石灰混合料在波传播过程中能量耗散低于素红黏土。这是由于石灰与磷石膏混合红黏土会生成胶结物质,混合料内部更得更密实,孔隙变小,应力波在混合料中能量损失减小。

限于篇幅,笔者仅仅展示部分试验数据及拟合图像,其余条件下的规律类似,故不再赘述。

2.2.5 阻尼比与动剪切应变的动本构关系模型

阻尼比与动剪切应变的关系经验模型主要有B．O．HARDIN等[11]所建立的H-D模型,ZHANG Jianfeng等[13]所建立的Zhang-Andrus模型及陈国兴模型[14]。笔者通过尝试发现H-D模型适合描述磷石膏稳定土阻尼比与动剪切应变关系,如式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中:λ为阻尼比;λmax为最大阻尼比。

所拟合的γd、λmax曲线的相关系数R2见表5。限于篇幅,表5仅显示拟合曲线R2的最小值,如A组不同围压下拟合曲线R2为0.994、0.986、0.991、0.990,仅显示0.986。图像拟合效果良好,且R2≥0.98,故λ与γr的关系可用H-D模型表达。

表5 λ-γd拟合曲线的相关系数R2的最小值

3 机理讨论

土体动剪切模量表征材料抵抗切应变的能力。掺入石灰、磷石膏后动剪切模量发生变化,微观原因是土体的微结构发生变化,密实程度及颗粒连接方式发生改变。

3.1 石灰作用机理

3.1.1 离子交换作用

张蓓等[15]得出了石灰在与黏土拌合中会产生离子交换作用的结论。石灰遇水产生的Ca(OH)2在水中离解出Ca2+,Ca2+与红黏土表面吸附的K+、Na+进行离子交换使得胶体颗粒发生聚集,促进了黏土团聚化,改善了黏土的颗粒级配,使得土体相对致密,颗粒间相互作用增强,从而土体强度得以提高。

3.1.2 Ca(OH)2结晶及碳酸化作用

Ca(OH)2在水作用下会由原来的胶体状变为晶体状Ca (OH)2·nH2O,然后又与红黏土颗粒结合成为共晶体。此外,石灰遇水生成Ca(OH)2后还会不断吸收空气中的CO2继续作用生成CaCO3,而CaCO3是一种较为坚硬的晶体,有较高强度;同时CaCO3的胶结作用也使得土体得以加固。

3.2 磷石膏作用机理

图9(a)为素红黏土的SEM图像,图9(b)为6%石灰、18%磷石膏的混合料SEM图像;由图9可知:混合料结构比素土结构更为致密,图9(b)中可明显见到层状和针状结构。这是由于红黏土中的活性SiO2和Al2O3与石灰遇水后生成的Ca(OH)2反应,生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等反应产物。这些产物填充孔隙使得土体更加致密,达到提高强度的效果。

图9 试样20 000倍SEM图像Fig. 9 20 000 times SEM image of sample

生成物水化硅酸钙将进一步与磷石膏中的主要成分二水硫酸钙CaSO4·2H2O发生反应,生成钙矾石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O。其化学反应式为:

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

生成的钙矾石进一步填充部分孔隙,降低了土体的孔隙率,起到支撑孔隙作用,其强度得到大大提升。

综上可知,石灰磷石膏稳定红黏土强度来源主要有石灰与土的离子交换作用,Ca(OH)2的结晶及碳酸化作用,磷石膏加入生成的钙矾石进一步提高了土体强度。微观机理分析仅对石灰与磷石膏掺入作用进行了定性说明,不足以定量分析其作用规律。所建立的动力参数与微观变化之间的数学联系还需要进行大量微观试验,这是今后研究的方向。

4 结 论

1)素红黏土和石灰磷石膏稳定红黏土动剪切模量随着动剪切应变增大而增大,随围压、固结比、频率、石灰含量的增大而增大。与素红黏土相比,石灰磷石膏稳定红黏土的动剪切模量增加了93.19%～169%。

2)素红黏土和石灰磷石膏稳定红黏土阻尼比随动剪切应变增大而增大,随围压、固结比、频率、石灰含量的增大逐渐减小。与素红黏土相比,石灰磷石膏稳定红黏土的阻尼比下降了21.78%～ 34.72 %。

3)素红黏土和石灰磷石膏稳定红黏土动剪切模量、阻尼比与动剪切应变的本构关系符合H-D模型。

4)石灰磷石膏稳定红黏土强度来源主要有石灰与土的离子交换作用,Ca(OH)2的结晶及碳酸化作用;磷石膏的加入生成钙矾石进一步提高了土体强度,增加土体抵抗动剪切变形性能,降低能量损耗。