磷石膏改良膨胀土室内试验研究

蔡磊1,2，胡向宇1,2，赵艳1,2

2.湖北楚晟科路桥技术开发有限公司，襄阳441100

摘 要：为推进磷石膏综合利用，本文探讨了磷石膏与膨胀土掺配后用于路基填料的可能性，研究主要通过磷石膏、膨胀土的材料试验、击实试验、CBR试验等室内试验，确定合理的掺配比例，进而研究磷石膏改良膨胀土的力学性质，探讨磷石膏改良膨胀土用于路基填筑的边坡稳定性问题。研究结果表明：磷石膏用于改良膨胀土路基填筑，合适的掺配比例应为20%～30%之间，可以改善膨胀土的膨胀性，适当提高膨胀土的CBR值，不仅能够满足路基填料要求，还可以实现磷石膏的综合利用。

关键词：磷石膏；膨胀土；路面基层；材料组成；

引言

襄阳市磷化工企业每年生产磷酸时产生大量磷石膏，但是磷石膏的利用率不高，大量堆放不仅仅浪费了大量的土地资源，同时磷石膏中的杂质也会对环境造成污染。襄阳市污染防治攻坚战指挥部办公室发文要求推进磷石膏综合利用，提出在交通领域将磷石膏用于交通工程建设，达到废物利用目的。

襄阳市范围内分布有大量的膨胀土，导致公路工程建设的路基工程缺乏合适的路基填料，一般情况下采用石灰对膨胀土进行改良，工程成本较高。为了满足磷石膏在交通建设领域大消耗量应用要求，最好的方式是用于路基填料。一是路基填料用量大，可达到大规模消耗固体废物的目的；二是磷石膏用于路基填筑相当于固体废物填埋，用于公路工程不需要另外征地，可节约大量土地资源。

本文研究了磷石膏和膨胀土的材料特性，在此基础上提出了合理的磷石膏和膨胀土掺配比例，分析了其力学性质，探明了其材料强度C、ф值和压缩模量ES，进而通过数值分析的方法，探讨了磷石膏改良膨胀土用于路基填筑的边坡稳定性问题。为路基填筑的工程设计提供参考借鉴，为研究项目推广应用奠定坚实的技术基础。

一、磷石膏和膨胀土的材料试验

1.颗粒分析

本研究项目室内试验膨胀土取自襄阳市国道207改建工程取土场，磷石膏取自襄阳丰利化工厂。为了解磷石膏和膨胀土的材料性质，分别进行颗粒分析、界限含水率和自由膨胀率试验。

表1膨胀土颗粒分析

颗粒分析结果	膨胀土
孔径(mm）	5	2	1.0	0.5	0.025	0.075
小于该孔径的质量比/ %	100	99	98.7	97.9	97.4	97

表2磷石膏颗粒分析

颗粒分析结果	磷石膏
孔径(mm）	5	2	1.0	0.5	0.025	0.075
小于该孔径的质量比/ %	100	100	100	99.9	98.7	92

图1磷石膏和膨胀土颗粒级配图

试验结果表明，膨胀土小于0.075mm颗粒含量为97%，磷石膏小于0.075mm颗粒含量为92%，根据《公路工程土工试验规程》（JTG 3430-2020）3.4.1条“试样中细粒组土粒质量大于或等于总质量50%的土称细粒土”[1]，磷石膏和膨胀土均属于细粒土。

2.界限含水率

界限含水率试验采用《公路工程土工试验规程》T0118-2007液限和塑限联合测定法，圆锥质量为100g，锥角为30°，试验结果见下表3。

表3磷石膏和膨胀土界限含水率试验

界限含水率试验结果	液限WL（%）	塑限Wp（%）	塑性指数Ip（%）
膨胀土	46.6	25.9	20.7
磷石膏	27.7	9.6	18.1

根据试验结果和《公路工程土工试验规程》（JTG 3430-2020）3.4章节“细粒土分类”，膨胀土和磷石膏均属于低液限粘土（CL）。但是磷石膏的液限和塑限均远低于膨胀土，带有一定的粉土性质。

3.自由膨胀率试验

为了解掺配磷石膏对膨胀土膨胀性的改善效果，按照磷石膏掺配量（干重量比）0%、20%、30%、40%、50%、100%制备土样，采用《公路工程土工试验规程》T 0124-1993 方法测定自由膨胀率，试验结果见下表4。

表4不同磷石膏掺配比例的自由膨胀率试验

样品	磷石膏含量（%）	自由膨胀率（%）
膨胀土	0	46
20%磷石膏+80%膨胀土	20	41
30%磷石膏+70%膨胀土	30	36
40%磷石膏+60%膨胀土	40	33
50%磷石膏+50%膨胀土	50	27
磷石膏	100	-35

图2不同磷石膏掺量膨胀土自由膨胀率

从试验结果可以看出，膨胀土的自由膨胀率为46%，根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）表8.3.4[2]，本试验膨胀土土样的自由膨胀率40≤FS＜60，塑性指数IP为20.7，15≤IP＜28，为弱膨胀土。磷石膏的自由膨胀土率为-35%，不具有吸水膨胀的性质。随着磷石膏掺配比例的增加，自由膨胀率降低，磷石膏掺配比例在20%以上时，可将弱膨胀土改善为非膨胀土。

二、不同磷石膏掺配比例的击实试验

为得到不同磷石膏掺配比例的土样最佳含水量和最大干密度，按照磷石膏掺配量（干重量比）0%、20%、30%、40%、50%制备土样，采用《公路工程土工试验规程》T 0131-2019 方法进行土工击实试验，击实试验方法采用重型Ⅱ-1，锤质量4.5kg，试筒内径10cm，高12.7cm，分5层击实，每层击数27击。试验结果见下表5。

表5不同磷石膏掺配比例的土工击实试验

土样	磷石膏含量（%）	最佳含水率（%）	最大干密度（g/cm3）
膨胀土	0	15.4	1.852
20%磷石膏+80%膨胀土	20	15.4	1.786
30%磷石膏+70%膨胀土	30	12.1	1.758
40%磷石膏+60%膨胀土	40	11.8	1.718
50%磷石膏+50%膨胀土	50	11.0	1.642
磷石膏	100	14.6	1.524

图3不同磷石膏掺配比例的最佳含水量

图4不同磷石膏掺配比例的最大干密度

试验结果表明，随着磷石膏掺量比例的增加，最佳含水量减小，最大干密度减小。磷石膏的最大干密度小于膨胀土的最大干密度，说明磷石膏是一种较为轻质的材料。

三、不同磷石膏掺配比例的CBR试验

采用《公路工程土工试验规程》T 0314-2019 方法进行承载比（CBR）试验，按照击实试验得到的最佳含水量和最大干密度，采用压样法按照93%的压实度进行CBR试件制件，每种磷石膏掺配量（0%、20%、30%、40%、50%）制备3个试件，试件浸水4昼夜，测试膨胀量和承载比。试验结果见下表6。

表6不同磷石膏掺配比例的承载比试验

压实度	磷石膏含量（%）	CBR（2.5mm）	CBR（5.0mm）	CBR	干密度	膨胀量
压实度93%	0	2.8	2.4	2.8	1.70	4.41
	20	3.5	3.4	3.5	1.65	1.94
	30	3.2	3.5	3.5	1.62	3.08
	40	3.9	4.1	4.1	1.59	2.52
	50	2.6	2.8	2.8	1.50	2.36

图5不同磷石膏掺配比例的膨胀量

图6不同磷石膏掺配比例的CBR值

试验结果表明，随着磷石膏掺配比例增加，试件的膨胀量是降低的，磷石膏掺配比例在20～40%之间时，可以提高承载比（CBR），提高幅度在0.7～1.3之间。

四、不同磷石膏掺配比例的直接剪切试验

为进一步探明不同磷石膏掺配比例对土体强度的影响，采用《公路工程土工试验规程》T 0140-2019 方法，按照最佳含水量和93%压实度采用压样法制备试件，用直接剪切试验快剪试验，测试土样在这种含水量和密实状态下的剪切强度。试验结果见下表7。

表7不同磷石膏掺配比例土样直接剪切试验

土样（%）	磷石膏含量（%）	粘聚力（kPa）	内摩擦角（°）
压实度93%	0	83.2	12.8
	20	46.7	24.3
	30	7.7	30.8

图7不同磷石膏掺配比例的粘聚力

图8不同磷石膏掺配比例的内摩擦角

试验结果表明，随着磷石膏掺配比例的增加，在最佳含水率和93%压实度状态下的土样黏聚力C值减小，内摩擦角ф值增加。在试验过程中，40%掺配比例磷石膏土样压样后，用环刀难以切取完整的剪切试验试样，说明磷石膏掺配比例超过40%以后，黏聚力进一步降低，材料用于路基工程填筑时难以碾压成型。

五、磷石膏改良膨胀土路基填筑边坡稳定性数值分析

根据室内直接快剪实验结果，依据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）[3]进行填方路基边坡稳定性分析。仅考虑磷石膏改良膨胀土用于路堤部分（压实度为93%）填筑，路基横断面按照双向4车道布置，填方边坡坡率取1：1.5，填筑高度8m，土的压缩模量根据经验取值Es=36MPa。汽车荷载换算等代均布土层厚度计算（《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015 4.3.3条[4]）。

用Midas gts软件建立边坡稳定数值分析模型，材料采用莫尔-库伦本构模型，采用强度折减法SRM计算边坡稳定系数，磷石膏含量0%，20%，30%填方路基边坡稳定安全系数如图9～12所示：

图9边坡稳定性计算模型

图10  0%磷石膏含量边坡稳定性FOS=6.0

图11  20%磷石膏含量边坡稳定性FOS=4.2

图12  30%磷石膏含量边坡稳定性FOS=1.875

由填方路基数值分析的结果可知，随着磷石膏掺量的增加，边坡稳定安全系数降低，但都满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）3.6.11条正常工况下边坡稳定安全系数≥1.45（二级及二级以上公路）要求。

六、结语

本研究通过室内试验和综合分析的方法，检测了磷石膏、膨胀土和混合料的材料性能，研究分析确定了磷石膏改良膨胀土用于路基填筑材料的合理掺配比例，有如下结论：

（1）磷石膏的液限和塑限远低于膨胀土，通过不同磷石膏掺配比例膨胀土的自由膨胀率试验，随着磷石膏掺配比例增加，自由膨胀率降低，当掺配比例达到20%以上时，可改善弱膨胀土为非膨胀土。

（2）合适的磷石膏掺配比例，可以适当提高弱膨胀土的CBR值，磷石膏掺配比例在20～40%之间时，提高幅度在0.7～1.3之间，磷石膏掺配比例超过40%时候，CBR值反而会降低。

（3）土工剪切试验表明，随着磷石膏掺配比例的增加，在最佳含水率和93%压实度状态下的土样黏聚力C值减小，内摩擦角ф值增加。在试验过程中，40%掺配比例磷石膏土样压样后，用环刀难以切取完整的剪切试验试样，说明磷石膏掺配比例超过40%以后，黏聚力进一步降低，材料用于路基工程填筑时难以碾压成型。

（4）磷石膏改良膨胀土路基填筑边坡稳定性数值分析结果表明，随着磷石膏掺量的增加，正常工况下边坡稳定安全系数降低，但磷石膏掺配比例在0%～30%时，都能满足《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）3.6.11条正常工况下边坡稳定安全系数≥1.45（二级及二级以上公路）要求。

综上，磷石膏用于改良膨胀土路基填筑，合适的掺配比例应为20%～30%之间，不仅可以改善膨胀土的膨胀性，还可以适当提高膨胀土的CBR值。虽然磷石膏掺配降低了土体的抗剪强度，但磷石膏在30%掺配比例时，仍具有一定的内聚力，用于路基填筑时候可以碾压成型，并且边坡坡率1：1.5，填筑高度在8m以内时，边坡稳定安全系数也是满足要求的。

参考文献

[1]JTG 3430-2020公路土工试验规程[S].

[2]JTG C20-2011公路工程地质勘察规范[S].

[3]JTG D30-2015公路路基设计规范[S].

[4]JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范[S].

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