摘要
对改良磷石膏进行了击实试验、无侧限抗压强度试验和加州承载比试验.然后通过离心机模拟了不同压实度和填土高度的路基(某方案改良的磷石膏作为路基填料)的沉降情况,并通过室内压缩试验结合分层总和法计算路基顶面的最终沉降.最后得出满足路基强度要求的改良磷石膏最佳配合比为:半水石膏占风干磷石膏质量10%,液黏剂占风干磷石膏质量0.5%.85%、95%、100%压实度的填土高度不大于20 m的路堤可满足20 cm的沉降要求.
磷石膏是生产磷复肥时产生的固体废弃物,不仅占用土地地面资源,起风时也会增加空气中细颗粒物含量,危害人体健康.截至2017年底,中国磷石膏堆积量已达到5亿t,全国年产量约为0.75亿t,磷石膏的年产量远超年利用
国内对磷石膏的工程性能曾进行过一些初步研究.徐雪源
工业废料磷石膏粒径分布范围与粉土吻合,但其含水率较高,水稳定性较差,很难进行工程应用.故本文在已有研究基础上,采用针对德阳市磷石膏研发的2种改善水稳定性的液黏剂(还原剂和液黏剂等相结合),对掺加少量水泥、生石灰,半水石膏的工业废料磷石膏进行击实试验、UCS试验、CBR试验、压缩试验、离心机试验;并提出解决磷石膏堆积难题的方案.
磷石膏取自德阳市工业废料磷石膏,呈深灰色,风干之后呈灰白色,粒径在0.05~0.35 mm之间,呈正态分布,属于粉土,pH值在3.5~4.1之间,含水
研究所用改良工业废料磷石膏的掺加物有:Ⅰ型液黏剂(A)、Ⅱ型液黏剂(A)、M32.5砌筑水泥(C)、生石灰(L)、β型半水石膏(G).液黏剂成分配合比见专
各改良磷石膏试件配合比见
参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T 0804—1994方法进行击实试验,选择重型击实和干土法,仅对试件P、A3、AC1、ACL6、AG4进行击实试验.根据JTG E51—2009规程中T 0843—2009、T 0845—2009方法来确定磷石膏及改良磷石膏的最佳含水率和最大干密度.
无侧限抗压强度试验参照JTG E51—2009规程中T 0805—1994方法进行,试件采用静压法制作,为直径5 cm、高5 cm、体积98.2 c
为研究养护龄期对无侧限抗压强度的影响,对ACL3组的7个试件在标准养护7、14、21、28 d后进行无侧限抗压强度试验;另外7个试件在标准养护6、13、20、27 d后饱水养护1 d,再进行无侧限抗压强度试验.
参照JTG E40—2007《公路土工试验规程》中T 0134—1993方法,对试件G5、G6(掺加不同比例的Ⅱ型液黏剂与石膏组)与P(无掺加物的磷石膏),进行90%、95%、98%压实度下的CBR试验.
为了定量地模拟改良磷石膏路基竣工后5 a内不同压实度和不同填土高度下路基顶面沉降量,进行离心机试验.设计压实度85%、95%、100%,填土高度4、8、12、16、20 m的15组土样.试验采用西南交通大学土工离心机实验室TLJ‑2型离心机,离心加速度为100g,干密度比例尺为1∶1,土样压实度由干密度控制,因此压实度比例尺也为1∶1,几何比例尺为1∶100,以2 cm作为1个单位厚度(环刀高度),先用静压法制作高度为2 cm的土样,然后将环刀和其中的土样叠起来以达到各土样厚度,最后放入离心模型架的土样筒中.离心模型架见

图1 离心模型架
Fig.1 Centrifuge model bracket
为了通过分层总和法计算土样在自重作用下的总沉降,参照JTG E40—2007规程中T 0137—1993单轴固结仪法,对85%、95%、100%压实度的土样进行单轴压缩试验,测定其压缩模量Es.
试件P、A3、AC1、ACL6、AG4的击实曲线如

图2 试件P、A3、AC1、ACL6、AG4的击实曲线
Fig.2 Compaction curves of specimen P, A3, AC1, ACL6, AG4
各改良磷石膏试件的无侧限抗压强度测试结果列于
由
由
水泥先通过硅酸盐和铝酸盐水化形成水泥浆,然后水泥浆中的C
由
试件ACL3在不同龄期下的无侧限抗压强度见

图3 试件ACL3在不同龄期下的无侧限抗压强度
Fig.3 Unconfined compression strength of specimen ACL3 at different ages
各改良磷石膏试件的水稳定性系数K见
复掺水泥与生石灰改良磷石膏水稳定性较好的原因为:水泥与生石灰发生结晶硬化,与磷石膏形成共晶体,导致试件溶解度降低;火山灰作用的胶凝物在微小磷石膏团外围形成保护膜,减少了试件透水性;碳化作用形成的CaCO3等盐类对磷石膏颗粒起胶结作用,试件整体性加强.以上3种作用共同提高了改良磷石膏的水稳定性.
90%、95%、98%压实度下试件AG5、AG6和P的CBR试验结果见
CBR试验饱水4 d膨胀量结果见
综上所述:改良磷石膏A4、AGL3、AG3、AL、AG、AGL1、AGL2可以满足JTGT F20—2015《公路路面基层施工技术细则》石灰稳定土对二级及二级以下公路在路面基层及底基层的无侧限抗压强度要求(500~700 kPa);改良磷石膏ACL4、ACL5、ACL6、ACL4、ACL5、ACL6可以满足JTGT F20—2015细则对水泥稳定土二级及二级以下公路在路面底基层的无侧限抗压强度要求(1 000~3 000 kPa).JTG D30—2015《公路路基设计规范》中,高速公路、一级公路对路床CBR最小值的要求为8%,改良磷石膏AG5、AG6的CBR值均高于规范要求,可以作为各等级公路的路床;高速公路、一级公路对路堤CBR最小值的要求为4%,改良磷石膏AG5、AG6也可满足此要求.因此,对水稳定性要求较高的地区(南方)或强度要求较高的地区,推荐采用改良磷石膏ACL4、ACL5、ACL6、ACL4、ACL5、ACL6的配合比;对水稳定性和强度要求较低的地区推荐采用改良磷石膏AG5、AG6的配合比.在满足路基路面强度要求的前提下,考虑经济性因素后,选择性价比较高的改良磷石膏AG5来进行后续压缩试验和离心机试验.
对离心试验所得不同压实度、不同填土高度土样由于自重产生的沉降量数据进行整理并作几何比例尺转换,得到沉降量-时间(S‑t)曲线,见图

图4 85%压实度下路基顶面S‑t曲线
Fig.4 S‑t curves of subgrade under 85% degree of compaction

图5 95%压实度下路基顶面S‑t曲线
Fig.5 S‑t curves of subgrade under 95% degree of compaction

图6 100%压实度下路基顶面S‑t曲线
Fig.6 S‑t curves of subgrade under 100%degree of compaction
改良磷石膏AG5的压缩模量结果见

图7 85%压实度路基顶面最终沉降
Fig.7 Final settlement of subgrade under 85% degree of compaction

图8 95%压实度路基顶面最终沉降
Fig.8 Final settlement of subgrade under 95% degree of compaction

图9 100%压实度路基顶面最终沉降
Fig.9 Final settlement of subgrade under 100% degree of compaction
将离心机试验结果与分层总和法计算结果进行对比,可知试验结果与计算结果较为接近,数据可靠性较高.但由于分层总和法计算时忽略了路基最顶层的自重沉降,因此其相对于离心试验结果存在一定差值.粉土等一般路基容许工后沉降在公路路基设计规范中并未给出,参考DG/TJ 08‑2237—2017《道路路基设计规范》:高速公路、一级公路、城市快速路、城市主干路工后沉降要求不大于20 cm,其他道路工后沉降要求不大于30 cm.85%、95%、100%压实度的20 m及以下高度的路堤均可满足20 cm的工后沉降要求.
(1)工业废料磷石膏直接用于路基路面填料无法满足水稳定性要求,掺加液黏剂等可以改善其水稳定性.当水泥与生石灰等比例掺加时,试件水稳定性最好.随龄期延长,改良磷石膏未饱水时强度增长较饱水时更快.改良磷石膏吸水量随着压实度的增大而降低.
(2)水泥与生石灰以等质量掺加较主掺水泥效果更好,生石灰增加到风干磷石膏质量的2.5%时无侧限抗压强度到达峰值.经过改良的磷石膏可以满足路床路堤的强度要求,综合考虑经济因素后,半水石膏占风干磷石膏质量10%,液黏剂占风干磷石膏质量0.5%为最佳配合比.
(3)85%、95%、100%压实度的20 m及以下高度的路堤均可满足20 cm的工后沉降要求.
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