固废基胶凝材料固化页岩土制备流态回填材料的试验研究

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岩土工程中狭窄或异形空间(如地下空洞、管线、基坑、公路“三背”等)的回填质量是多年来的行业痛点问题。近年来,采用具有自密实、自硬化等特点的流态固化土回填技术被认为是一项先进而有价值的措施。另一方面,稻壳灰、脱硫灰、钢渣等低品质固废长期难以得到有效利用,占用土地且污染环境。开发利用这些低品质固废用于制备流态固化土,可探索一条可行的资源化技术路径,具有显著的经济、环境效应。本文将稻壳灰-脱硫灰-钢渣按比例复合,辅以适当的激发剂,利用固废间的协同效应,制备出新型特种低碳胶凝材料,用于固化页岩土,并实现流态化浇筑式施工。主要研究内容及成果如下:(1)选取稻壳灰的掺量10%~20%,脱硫灰的掺量40%~60%,钢渣的掺量20%~50%,外掺8%的激发剂,进行正交试验。采用XRD、SEM分析固废基胶凝材料的水化产物、微观结构。宏观和微观层面均反映出稻壳灰-脱硫灰-钢渣复合后的胶凝材料具有较好的胶凝性能,将其用于固化页岩土制备流态回填材料具有可行性。(2)考虑到胶凝材料在岩土和标准砂两个体系中的强度形成机制存在明显差异,选取正交试验中力学性能优异的3组胶凝材料进行固化页岩土试验。基于固化土的力学性能试验结果,确定固废基胶凝材料的质量组成为稻壳灰:脱硫灰:钢渣=1:6:3(外掺8%的激发剂)。(3)开展固废基胶凝材料的掺量对固化土的无侧限抗压强度、干燥收缩、孔结构、重金属浸出性能的影响研究。结果表明:采用固废基胶凝材料制备的流态固化土,能够满足一般回填工程的强度要求,且服役期间不存在重金属浸出的环境风险;相较于水泥固化土,固废基胶凝材料的水化产物以钙矾石晶体为主,固化土具有更低的干燥收缩。(4)采用XRD、SEM-EDS等手段进行固废基胶凝材料固化土的水化机理研究。试验表明:相较于素土(页岩土)结构,固化土中颗粒的团聚化程度明显提高,水化产物填充固化土的孔隙,改变了土颗粒间联结方式。微观结构和矿物组成反映出固化土水化进程主要包括固废基胶凝材料的水化、颗粒间阳离子交换、黏土矿物中活性成分的火山灰反应、养护过程中的硬凝反应以及胶凝材料的填充效应。(5)采用机械力对固废基胶凝材料的性能进行提升。试验结果表明:机械力下固废基胶凝材料的粒度分布曲线、标准稠度用水量、凝结时间、水化进程、砂浆强度、砂浆的收缩等发生不同程度变化。将其用于制备流态固化土,拌合物的初始流动扩展度随粉磨时间增加而增加,经时损失加快;机械激发对固化土的早期强度影响不显著,后期强度则呈现先增加后降低的趋势。(6)考虑到固废基胶凝材料的组成和土的性质的差异性。本文基于流动扩展度和强度双指标约束,探索性提出了流态固化土的配合比设计流程,以期快速获得满足性能要求的流态固化土配比。
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