不同掺量磷石膏混合土力学性能试验研究

张依杰王怡楠莫宇婷胡潼余圣杰

摘要：本论文介绍了磷石膏混合土在土木工程方面的性能与应用现状。通过一系列的土工试验（压缩试验、剪切试验、冲刷试验）探究质量比重为10%、30%、50%、70%的磷石膏混合土的压缩性能、抗剪强度、抗冲浊性等工程特性，可以为磷石膏混合土作道路建设材料提供相关依据。

关键词：磷石膏；混合土；试验；路基；边坡

我国关于磷石膏在道路工程中的利用方面的研究起步较晚，对磷石膏在道路工程中的利用方面的研究还未形成成熟、系统的理论，磷石膏的施工技术。检测技术也还未完善，工程应用实例更是少之又少。因而需对磷石膏在道路工程中的应用展开深入、系统的研究，具有经济价值、社会价值和环保意义。随着对磷石膏研究的不断深入，磷石膏混合土道路路基、边坡设计理论的不断完善，测试技术的不断提高，磷石膏在我国道路工程中将有着广阔的应用前景。

1试验的主要工作内容

1.1磷石膏综合利用问题

目前磷石膏的综合利用主要集中在三个方面：一是作为建筑原材料；二是农业上改良土壤；三是作为硫钙资源生产化工产品[1]。现今，法国、比利时、印度、前苏联、美国等都用磷石膏作筑路材料。如果在国内将磷石膏用于公路或边坡建设，那么不仅可以解决磷石膏废料占用空间、污染环境的问题，还能节约能源，净化环境。这就能将磷石膏废物利用，同时在工程建设中会带来巨大的经济效益。

1.2研究目的

通过剪切试验（直剪），固结试验，冲刷试验研究土体及不同含量磷石膏的混合土的工程性质。通过在土体中加入不同含量的磷石膏进行试验研究磷石膏混合土作为路基或者边坡填料的各种工程性质，为其作路基或边坡填料提供相应的理论依据。

2试验材料与过程

本文研究不同含量磷石膏混合土的压缩系数,沉降性,强度,体积稳定性。探究磷石膏减量化拓展新路径,磷石膏混合土作为非承载填方(比如路肩培植,边坡）的可能性。样本：磷石膏体积占比10%,30%,50%,70%。土体采挖自湖北襄阳湖北文理学院后山的坡体表面的黏土层，土粒的相对密度为2.72—2.73。因此，试验内容包括：土体和磷石膏混合土的固结试验、剪切试验（直剪）、冲刷试验。

2.1试验材料

黏土：取自湖北文理学院公路边坡外层土体。土体成黄褐色，经测土体天然含水率为5.6％。

磷石膏：取自湖北文理学院工科楼实验室磷石膏。磷石膏成灰色，经测磷石膏含水率为19.54％。

其它辅助设备：环刀，括土刀，钢丝锯，天平，含水率量测设备等。

2.2试验过程

首先试验准备阶段取2000g土体加入定量水629.6g，土体含水率为31.48％。保证之后磷石膏质量比重为10％、30％、50％、70％的混合土时，含水率依旧保持为31.48％，即本试验标准含水率标=31.48％。将2000g土体加入定量水后揉成大饼状，用事先标好号码并称重的环刀切取土体进行压缩试验和剪切试验。保证每个环刀切取土体的质量一定，环刀为内径61.8mm，高度20mm（忽略环刀间细微的差别），则环刀切取的土体密度为定值。土体体积V=π(L/2)2h约为60cm3，环刀切取土体质量m约为114g，则密度ρ=m/V=1.9g/cm3。

3试验结果与分析

3.1土体和磷石膏混合土压缩试验结果与分析

随着磷石膏含量的增加，磷石膏混合土的压缩系数先减少后增加，到最后再减少。当磷石膏含量为10%左右时，磷石膏混合土的压缩性最低。当磷石膏含量达到70%时，磷石膏混合土的压缩系数急剧减小，压缩性过小。所以通过试验数据表明加入磷石膏含量10%到30%之间呈现出良好的压缩性能。

3.2土体和磷石膏混合土剪切试验结果与分析

磷石膏质量比重10%-50%之间，土体中随着磷石膏含量的增加抗剪强度指标中的粘聚力是随之增加的，而内摩擦角的变化规律是不明显的。因为本试验所有试样的含水量均为31.48%是比较高的，内摩擦角和含水量有关，含水量过大时，土颗粒之间的结合水膜就会变厚，其中的水溶电解质浓度会相应降低，土体间的连结强度降低，土体间的摩擦强度就会降低，摩擦角就会相应减少，[2]所以本试验中土体的内摩擦角偏低属于正常现象。磷石膏本不具有塑性，本无粘聚力，但在一定含水量的情况下，存在一定的粘聚力[3]，所以当磷石膏含量偏高时达到70%，磷石膏混合土的粘聚力没有增大反而减小了，体现出磷石膏本身的特性。在磷石膏含量10%-30%之间，随着磷石膏含量的增加，磷石膏混合的内摩擦角是增大的，但是之后磷石膏混合土的摩擦角变化不明显，这可能也跟含水量过高有一定关系。因此可以发现磷石膏含量在10%-30%之间，土体中磷石膏含量越多，抗剪强度是越大的。

3.3土体和磷石膏混合土冲刷验结果与分析

磷石膏含量10%-30%时冲浊量是逐渐减少的，裸土试样的冲浊量最大，30%磷石膏混合土试样冲浊量最小，在磷石膏30%-70%混合土的冲浊量变化不明显，可能和磷石膏特性有关，磷石膏混合土随着冲刷含水量增加，其中内摩擦角减少，磷石膏混合土会出现软化性质。由试验可得，磷石膏混合土的抗冲浊能力是明显要比普通裸土试样的抗冲刷能力要好的，且可以选取10%-30%磷石膏含量的混合土进行路基或边坡建设。

4结论

（1）土体中加入一定量的磷石膏后，在100kPa-200kPa范围内，对比裸土试样压缩系数是减少的，但在磷石膏混合土中比较，磷石膏含量50%混合土的压缩系数最大，70%混合土的磷石膏混合土压缩系数最小。结合磷石膏特性，磷石膏本身压缩系数是偏低的，土体重加入过多的磷石膏，混合土最终可能呈现过多磷石膏的特性。所以在磷石膏含量10%-30%之间的混合土表现出良好的压缩性能。

（2）土体加入磷石膏后，混合土的抗剪指标C和是相应的提高的。表明磷石膏适合做混合料进行路基或者边坡建设。在10%-50%含量磷石膏混合土中，30%含量磷石膏混合土的内摩擦角最大，粘聚力也有相应的提升，表现出良好的抗剪强度。而70%含量的临石膏值在其中是最大的，C值却相应的减少了，可能也是过多的临石膏含量导致呈现出磷石膏的相应特性。

（3）对比冲刷试验冲浊量，10%-30%磷石膏含量的混合土表现出良好压缩特性和抗剪能力，抗冲刷能力也相应表现良好，所以在边坡和路基建设中可以考虑选择加入10%-30%含量的磷石膏。

参考文献:

[1]许泽友,卢延浩,王一博.改良磷石膏混合碎石料路用性能试验研究[J].常州学院学报,2008,21(3);61-64.

[2]陈敏涛,张文,丁坚平.磷石膏边坡稳定性分析及治理[J].山西建筑,2009,35(6):115-117.

[3]徐雪源,徐玉中,陈桂松,等.工业废料磷石膏的工程特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(12):2096-2099.

基金项目:湖北文理学院大学生创新创业训练项目（201810519131）

作者简介:张依杰，男，湖北文理学院在校本科生（学号：2016121243）