磷石膏改性膨脹土工程特性演變規(guī)律試驗(yàn)研究

0 引言

中國(guó)是世界上膨脹土分布面積最廣的國(guó)家之一（超過(guò)10萬(wàn) km² ），對(duì)于修建在膨脹土地區(qū)的路基、邊坡，常常是“逢塹必滑，有堤必塌”，其具體的危害形式有滑坡、坍塌、溜坍、結(jié)構(gòu)物破壞、路面變形、開裂和斷板等[1-3]。鑒于土體膨脹對(duì)工程的巨大危害性，目前水利、交通和建筑工程相關(guān)行業(yè)規(guī)范中均嚴(yán)格限制膨脹性土料直接作為填筑料使用，必須進(jìn)行換土或改良。對(duì)于缺乏非膨脹土料的地區(qū)，膨脹土的改良成為了工程設(shè)計(jì)與施工必須解決的問(wèn)題，為此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都開展了相關(guān)研究[4-6]。早期的研究主要是采用水泥和石灰為主的化學(xué)改良方法[7-9]，但水泥、石灰的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的碳氧化合物，已不滿足低碳環(huán)保要求。在此基礎(chǔ)上也有較多的研究人員開展了包括微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積等在內(nèi)的新興環(huán)保型改良技術(shù)探索[10-13]。同時(shí)本著“以廢治廢”的原則，學(xué)者們還開展了稻殼灰-礦渣[14]、廢舊橡膠輪胎顆粒－水泥[15]]脫硫灰[16]等廢棄物改性膨脹土相關(guān)研究。

磷石膏作為一種大宗工業(yè)固廢，用作改良膨脹土可有效抑制高液限膨脹土的脹縮特性從而改良工程特性。磷石膏是濕法生產(chǎn)磷酸的副產(chǎn)品，當(dāng)前中國(guó)磷石膏堆存量已超7億t，年產(chǎn)量約8000萬(wàn)t，但磷石膏的綜合利用率不到 40% [17]。中國(guó)的基本國(guó)情決定了農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)所需磷肥的產(chǎn)量不可能大幅度壓縮，因此對(duì)磷石膏的消納和利用提出了更為迫切的要求。

本文通過(guò)室內(nèi)液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、崩解試驗(yàn)，對(duì)單摻磷石膏改性膨脹土的工程特性進(jìn)行研究，以期為類似固廢材料的消納利用提供參考。

1 原材料

磷石膏取自湖北省襄陽(yáng)市龍蟒磷制品有限公司的磷石膏尾礦庫(kù)，膨脹土取自引江濟(jì)淮Y003標(biāo)段的中膨脹土。土樣顏色為黃色，土質(zhì)均勻，土樣濕潤(rùn)，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，顆粒組成以粉質(zhì)黏土為主，黏聚性較強(qiáng)。磷石膏和膨脹土的基本物理特性見表1。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

按照磷石膏：膨脹土質(zhì)量比為 1：1，1：2，1：3，1：4 1：5 和 1：6 （對(duì)應(yīng)試驗(yàn)編號(hào)為 P₁C₁、P₁C₂、P₁C₃、P₁C₄， （2號(hào)P₁C₅，P₁C₆ ，對(duì)應(yīng)磷石膏摻量為50. 0% ，33. 3% ，25.0% ， 20.0% ， 16.7% 和 14.3% ）共配比6組試樣，分別進(jìn)行液塑限試驗(yàn)與擊實(shí)試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的最大干密度與最優(yōu)含水率，選取 P₁C₁?P₁C₃?P₁C₆ 混合土與素膨脹土共4組進(jìn)行直剪試驗(yàn)與崩解試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)均依照GB/T50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。其中直剪試驗(yàn)取4組配比下相同干密度（ 1.63g/cm³ ）與含水率的試樣，制樣完成后用飽和器進(jìn)行抽氣飽和。將飽和完成的試樣放入剪切盒內(nèi)于100kPa 下固結(jié) 12h ，進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，剪切速率取0.8mm/min ，垂直壓力取 100，200，300，400kPa 。分兩層擊實(shí)成 5cm 立方體試樣，于保濕缸內(nèi)（溫度22^°C ，濕度 90% ）養(yǎng)護(hù)1d后進(jìn)行崩解試驗(yàn)。為了更好地研究各個(gè)時(shí)間段崩解量的變化快慢，借鑒文獻(xiàn)[19]引入崩解速率 V_t 的概念：

式中： Φ_t 為時(shí)間， min ，取值為 為 A_tⁱ

下一個(gè)時(shí)刻的崩解量， mm 。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 液塑限試驗(yàn)

圖1為不同磷石膏摻量條件下磷石膏混合土的界限含水率變化曲線。由圖1可知，混合土的塑限、液限與塑性指數(shù)隨著磷石膏摻量的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)榱资嘞鄬?duì)于膨脹土顆粒較粗，隨著磷石膏摻量的增加，膨脹土中的親水性礦物不斷減少，降低了膨脹土的親水性能，而膨脹土的親水性能主要體現(xiàn)在塑性指數(shù)上，塑性指數(shù)越低說(shuō)明土顆粒中的親水礦物含量越低。 P₁C₁ 混合土的界限含水率最低，塑限為22.4% ，液限為 33.5% ，塑性指數(shù)僅為11.1。對(duì)比表1可知， P₁C₁ 混合土的液限較素膨脹土下降了19.7個(gè)百分點(diǎn)，塑性指數(shù)下降了20.3。磷石膏改性膨脹土的塑限與液限均小于素膨脹土，而大于磷石膏。除 P₁C₁ 組混合土外，磷石膏改性膨脹土的塑性指數(shù)也基本小于素膨脹土，而大于磷石膏。

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

圖2所示為不同磷石膏摻量條件下混合土的擊實(shí)曲線。由圖2可知，隨著磷石膏摻量的增加，混合土的最大干密度呈下降趨勢(shì)，由 P₁C₆ 的 1.87g/cm³ 下降至 P₁C₁ 的 1.63g/cm³ ;混合土的最優(yōu)含水率呈增大趨勢(shì)，由 P₁C₆ 的 11.1% 增大至 P₁C₁ 的 15.4% 。最大干密度降低的原因主要是磷石膏相對(duì)密度比膨脹土小。磷石膏摻量較多時(shí)雖然最大干密度有所減小，但是擊實(shí)曲線在最優(yōu)含水率附近區(qū)間內(nèi)更平緩，可以在較大的含水率區(qū)間上獲得較高的干密度，擊實(shí)性能得到改善。素膨脹土的最大干密度為 1.89g/cm³ ，磷石膏的最大干密度為 1.54g/cm³ ，磷石膏改性膨脹土的最大干密度介于二者之間。

3.3 膨脹率試驗(yàn)

圖3所示為不同磷石膏摻量條件下混合土自由膨脹率和無(wú)荷膨脹率變化曲線。由圖3可知，隨著磷石膏摻量的增加，混合土的自由膨脹率和無(wú)荷膨脹率均逐漸下降，其中自由膨脹率由最初的 60% （素膨脹土）降至 24% （ P₁C₁ ），而無(wú)荷膨脹率由最初的 8.87% 降至3.75% 。下降原因主要有以下兩點(diǎn)： ① 磷石膏在天然狀態(tài)下基本無(wú)膨脹性，而膨脹土的膨脹率較高，向高膨脹率的膨脹土中摻無(wú)膨脹率的磷石膏，整體膨脹率會(huì)降低； ② 磷石膏中粒徑小于 0.075mm 的細(xì)粒含量不到 10% ，隨著磷石膏摻量的增加，混合王中的黏性顆粒占比降低，內(nèi)摩擦角增大，進(jìn)而抑制了土顆粒間的移動(dòng)。 P₁C₁ 與 P₁C₂ 混合土的自由膨脹率低于 40% ，說(shuō)明磷石膏可以將中膨脹土改性為無(wú)膨脹土。

圖4所示為不同磷石膏摻量條件下混合土的有荷膨脹率變化曲線。由圖4可知，隨著磷石膏摻量的增加，改性膨脹土試樣的有荷膨脹率逐漸下降。原因是存在上覆壓力時(shí)，顆粒受到擠壓，磷石膏中粗顆粒的摩阻力增大，同時(shí)膨脹土中黏性顆粒吸水的部分也被垂直壓力抵消，共同抑制了膨脹土的膨脹潛勢(shì)。當(dāng)垂直壓力為零時(shí)，素膨脹土試樣的膨脹率為 8.87% ， P₁C₁ 試樣的膨脹率為 3.75% 。隨著垂直壓力的逐漸增大，改性膨脹土試樣的有荷膨脹率逐漸減小，當(dāng)垂直壓力為 200kPa 時(shí)，素膨脹土試樣的有荷膨脹率為 0.25% ，P₁C₁ 試樣的有荷膨脹率為 -0.06% 。

3.4 直剪試驗(yàn)

圖5為干密度 1.63g/cm³ 的素膨脹土與不同磷石膏摻量混合土直剪試驗(yàn)時(shí)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。由圖5可知，在垂直壓力 400kPa 條件下，4組配比試樣的剪應(yīng)力均出現(xiàn)硬化的現(xiàn)象。垂直壓力為100kPa 和 200kPa 時(shí)， P₁C₁ 試樣出現(xiàn)輕微應(yīng)變軟化現(xiàn)象。隨著磷石膏摻量的增加， 400kPa 垂直壓力下試樣剪應(yīng)力峰值不斷增大。在 400kPa 垂直壓力下，素膨脹土的剪應(yīng)力峰值為 131kPa，P₁C₁?P₁C₃?P₁C₆ 試樣的剪應(yīng)力峰值分別為226，189，141kPa，分別增加了95，58，10kPa 。

圖6所示為混合土的抗剪強(qiáng)度擬合曲線。由圖6可知，相同干密度條件下，隨著磷石膏摻量的增加，混合土的黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大。干密度為 1.63g/cm³ 條件下，素膨脹土的內(nèi)摩擦角最小，為15.1^° ，黏聚力最大，為 24kPa 。 P₁C₆Δ，P₁C₃Δ，P₁C₁ 試樣的黏聚力分別為 17.0，15.5，9.5kPa ，內(nèi)摩擦角分別為18.4^°，24.5^°，29.0^° 。膨脹土中摻入磷石膏后，試樣抗剪強(qiáng)度較素膨脹土均有一定提升。

3.5 崩解試驗(yàn)

對(duì)各個(gè)時(shí)刻試樣的崩解情況進(jìn)行了拍照記錄（圖7），4張圖片的崩解總時(shí)間從左到右依次是1，3，10，30min 。崩解形態(tài)是反映土樣崩解特點(diǎn)的最直觀體現(xiàn)。由圖7（a）可知，素膨脹土的崩解出現(xiàn)了兩個(gè)階段：第一階段為吸水階段，在土樣浸水 0～3min 內(nèi)，表層土粒逐漸脫落，提供了水分浸入的原始通道，土體孔隙中的氣體不斷被擠出，產(chǎn)生少量氣泡，表面裂隙較少；第二階段為土樣在非飽和情況下充分吸水后，表層王顆粒剝落，浸水通道增加，水的不斷浸入導(dǎo)致土體孔隙中的大量氣體排出體外，土體大量崩解。素膨脹土在 30min 后仍未完全崩解。 P₁C₆，P₁C₃，P₁C₁ 試樣分別在 10，10，30min 后全部崩解。這是由于磷石膏本身的黏性較小，磷石膏與膨脹土之間基本不發(fā)生反應(yīng)，兩者通過(guò)擊實(shí)成型后土顆粒間的黏聚力下降，試樣的密實(shí)性不如原狀土。

注：崩解時(shí)間從左到右依次是 1，3，10，30min □

崩解量是反映土體崩解狀態(tài)與時(shí)間關(guān)系的重要參數(shù)，將各種配合比下不同時(shí)間段內(nèi)試樣的崩解量匯總于表2。由表2可知：在 1min 時(shí)4種配合比下試樣的崩解量均較小，且素膨脹土的崩解量最小，僅為4.10% ，在 30min 時(shí)崩解量逐漸穩(wěn)定，素膨脹土的崩解量還是最小，為 63.92% 。 1～3min 時(shí)， P₁C₃ 試樣的崩解量迅速增大，在 10min 時(shí)基本完全崩解，崩解量達(dá)到 98.08% 。 P₁C₁ 和 P₁C₆ 試樣在 3～10min 時(shí)崩解量較大， 30min 時(shí)崩解量逐漸穩(wěn)定，分別為 90.92% 與84.23% ，說(shuō)明磷石膏的加入并不能改善膨脹土的崩解性能。為了更直接地比較不同配比下試樣的崩解快慢，根據(jù)公式（1）計(jì)算了不同時(shí)間的崩解速率，匯總于圖8。由圖8崩解速率曲線可知，崩解速率隨著崩解時(shí)間呈現(xiàn)先上升發(fā)展，短期內(nèi)達(dá)到峰值，然后迅速減小的趨勢(shì)。不同配合比下試樣的崩解速率都在 3min 時(shí)出現(xiàn)峰值，其中 P₁C₃ 試樣的崩解速率最大，達(dá)到了25.47mm/min ，其次為 P₁C₆，P₁C₁ 、素膨脹土，分別為12.29，8.63，5.32mm/min 。素膨脹土各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的崩解速率均較小，說(shuō)明磷石膏的加入加速了崩解進(jìn)程，工程應(yīng)用中應(yīng)注意其不利影響，可考慮摻入其他膠凝材料來(lái)改善崩解特性及水穩(wěn)定性。

4結(jié)論

（1）隨著磷石膏摻量的增加，混合土的界限含水率逐漸下降， P₁C₁ 混合土的塑限較 P₁C₆ 下降了6.5個(gè)百分點(diǎn)，液限下降了17.9個(gè)百分點(diǎn)，塑性指數(shù)下降了11.4。由于磷石膏的比重較低，磷石膏的摻入改善了混合土的擊實(shí)性能，混合土的最大干密度逐漸下降，最優(yōu)含水率逐漸增大。由于磷石膏本身不具有膨脹性，磷石膏的摻入降低了膨脹土的膨脹性， P₁C₁ 混合土的無(wú)荷膨脹率較素膨脹土降低了5.12個(gè)百分點(diǎn)，自由膨脹率較素膨脹土降低了36個(gè)百分點(diǎn)。

（2）相同干密度條件下，隨著磷石膏摻量的增加，混合土的黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大。但膨脹土中摻入磷石膏后試樣的抗剪強(qiáng)度較素膨脹土均有一定的提升。

（3）磷石膏單摻后改性膨脹土試樣的崩解性能較差，需要進(jìn)一步研究摻入其他膠凝材料以改善試樣的崩解性能和水穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]程展林，龔壁衛(wèi).膨脹土渠坡[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

[2]龔壁衛(wèi).膨脹土裂隙、強(qiáng)度及其與邊坡穩(wěn)定的關(guān)系［J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2022，39（10）：1-7.

[3]解林，張中印，艾東，等.干旱和局部滲水對(duì)膨脹土渠堤穩(wěn)定性影響研究[J].人民長(zhǎng)江，2024，55（1）：192-199.

[4]劉軍，黃斌，龔壁衛(wèi)，等.膨脹土水泥改性均勻性及長(zhǎng)期效果試驗(yàn)研究[J].西北地震學(xué)報(bào)，2011，33（增1）：204-208.

[5]邱歆平，楊明，陳善雄，等.皖西中膨脹土石灰改性試驗(yàn)研究［J].公路，2006（8）：30-33.

[6]王建立，張家銘，米敏，等.環(huán)氧樹脂-水泥復(fù)合改良加固膨脹土試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（10）：209-215.

[7]張藝，李永強(qiáng)，章定文，等.粉土改良膨脹土的路用性能與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J].巖土力學(xué)，2023，44（10）：2942-2952.

[8]王眾，樊曉軍，潘旋，等.粉土石灰聯(lián)合改良膨脹土路基填筑質(zhì)量控制[J].公路，2023（6）：171-176.

[9]艾密，張偉峰.不同摻加劑改性膨脹土的試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2017，48（增1）：229-231，252.

[10]肖建章，劉禹杉，王迪，等.采用微生物技術(shù)復(fù)合改良膨脹土的工程特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2023，45（增1）：97-101.

[11]魏然，張雅，肖智睿，等.基于MICP技術(shù)的膨脹土變形控制機(jī)理研究［J].巖土工程學(xué)報(bào)，2023，45（增1）：92-96.

[12]劉浩林，李丹，胡波，等.基于MICP技術(shù)改良的膨脹土膨脹特性試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2022，39（6）：150-156.

[13］溫靜宇，安夢(mèng)琪，秦天.壓實(shí)膨脹土入滲特征試驗(yàn)研究[J].水利水電快報(bào)，2025，46（1）：96-103.

[14]李麗華，黃暢，李文濤，等.稻殼灰-礦渣固化膨脹土力學(xué)與微觀特性研究[J].巖土力學(xué)，2023，44（10）：2821-2832，2842.

[15]王協(xié)群，張伊，彭琛，等.廢舊橡膠輪胎顆粒-水泥改性強(qiáng)膨脹土的長(zhǎng)期路用性能研究[J].公路，2023（6）：362-370.

[16]徐嘉祥，趙海陸，徐博會(huì)，等.脫硫灰改良膨脹土裂隙發(fā)育及演化機(jī)理[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2025，22（2）：664-676.

[17]李浩洋，胡波，童軍.磷石膏在工程填料上的研究現(xiàn)狀[J].長(zhǎng)江技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2024，8（1）：83-89.

[18]中華人民共和國(guó)水利部.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T50123—2019[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2019.

［19］吳能森.結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的特性及工程問(wèn)題研究［D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2005.

（編輯：胡旭東）

Experimental study on engineering characteristics evolution law of expansive soil modified by phosphogypsum

HU Bo1，LI Haoyang1，2，TONG Jun³ ，WANG Wei4 ，ZHA Heng4，XIA Rui4 （1.KeyLboratorofGeotechncalMechanicsndEngneeingofMinistryofWaterResources，ChangjangRierSientificearh Institute，Wuhan430l，China；2.Colegeof CiilEngineeringandArchitecture，China TheeGorgesUniversityYichang 44300，China；3.YangtzeEco-EnironmentEngineringResearch Center，China Tree Gorges CorporationBjing038， China；4.Anhui Provincial Group Limited for Yangtze-to-Huaihe Water Diversion，Hefei 231299，China）

Abstract：Using phosphogypsum to improve expansive soil can simultaneouslyachieve theresourceutlizationof phosphogypsumandtheimprovementof expansivesoil'sswellingcharacteristics.Taking theexpansivesoilfromsectionYO03of the Yangtze-to-Huaihe River Water Diversion Project asan example，we investigatedtheengineering properties evolution lawof phosphogypsum-modifidexpansivesoiltroughliquidlimit，plasticlimit，compaction，swelingrate，diectshear，ndisintegationtests.Theresultsshowed that：theliquidlimitandplasticityindexofthemodifiedsoilwerelowerthanthoseoftheuntreated expansive soil. When the phosphogypsum content was 50% （mass percentage），the liquid limit decreased by 19.7 percentage points，adtheplasticityindexdecreasedby2O.3comparedtotheuntreatedsoil.Theswelingrateof themodifiedsoilwasconsistently lower than that of the untreated soil. When the phosphogypsum content was 50% ，the free swelling rate decreased by 36 percentage pointsandtheload-freeswellingratedroppedby5.12 percentage points.Asthephosphogypsumcontentincreased， theinternalfrictionangleofthemodifiedsoil graduallrose，whilethecohesiongraduallydeclined.Theadditionof phosphogypsumreducedthesoil'sresistancetodisintegration，soothercementitiosmaterialswassuggestedtoaddinpracticalapplications. This research provides a reference for similar projects that use modified expansive soil.

Key words：expansivesoil；phosphogypsum；resource utilization;engineering properties；Yangtze-to-Huaihe River Water Diversion Project