饱和软土高效固化剂及固化土强度特性研究

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 8次 | 上传用户:shijun3541
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饱和软土存在含水率高、强度低、压缩性大及常规无机胶凝材料固化处理效果欠佳等问题,工程中常用的解决方法是加大固化剂(水泥)掺量,导致工程成本增加,同时不利于环境友好。软土固化处理后,工程师常根据现场检测和经验公式计算得到的预期力学性能制订后续施工方案。但目前常用的固化土强度计算公式,准确度较低且同一公式无法适用于不同类型的土,从而引发因固化土强度估算不准确导致的工程安全隐患等问题。本文从软土固化处理的基础理论出发,研究高效水泥基软土固化剂,对固化剂各组分作用开展量化分析,并提出了软土有机质的反活性系数,借助固化土体基本物理性质指标的测试、分析结果,建立固化有机质土强度综合计算模型。基于以上研究,获得的主要创新性成果如下:(1)以上海饱和软黏土为对象研究一种水泥与外加剂复合无机高效软土固化剂及其作用机理:在提高土pH值、改善固化土早期强度和中后期火山灰效应的基础上,结合化学沉淀理论,选定水玻璃、氯化钙与氢氧化钠作为外加剂改善饱和黏土及淤泥土的固化效果,确定氯化钙与氢氧化钠比例为1:1的复合激发剂,通过正交试验得到水泥基高效固化剂的基准配比为水泥:助剂:复合激发剂=5:1:2。掺入12%高效固化剂的固化土强度,基本与掺入20%水泥的固化土的各龄期强度相当。掺入高效固化剂的固化土中有更多的蜂窝状水化硅酸钙凝胶(C-S-H)生成,说明C-S-H的形态、数量及结构对固化土强度均有较大影响。(2)提出外加剂的火山灰系数,量化分析外加剂对固化土强度的作用:将外加剂(助剂和复合激发剂)看作火山灰物质并定义其火山灰系数,其作用相当于外掺一定量的水泥。当量水泥量可由火山灰系数与外加剂掺量的乘积获得。基于水土灰比模型,多元拟合得到各龄期的助剂火山灰系数(k1)和复合激发剂火山灰系数(k2)。发现外加剂火山灰系数随养护龄期不断变化,k1随龄期的增加而降低,k2随龄期的增加而增大,其原因为助剂主要起早强作用,而复合激发剂的中后期火山灰作用更显著。外加剂作用的量化分析为改善水泥固化土的效果提供设计参考,建立固化土强度综合计算模型提供理论依据。(3)研究粉煤灰的作用机理,基于分散与填充(P&D)系数分析粉煤灰对固化土强度的作用:固化土中难觅粉煤灰微米级以下微球体,证实了粉煤灰的火山灰与填充作用。此外,粉煤灰还将胶凝水化产物-土颗粒的大团簇分散为一些小团簇,有利于形成更多、更稳定的骨架结构,因此可知粉煤灰在固化土中的作用与水化产物生成量密切相关。将粉煤灰看作外掺一定量的高效固化剂,当量固化剂量可由P&D系数与粉煤灰掺量的乘积获得,其大小与固化剂用量和龄期密切相关,随龄期的增加大体呈现增加趋势,但增加速率有所降低。(4)量化腐殖酸对固化土强度的影响,考察固化材料用量与腐殖酸含量对固化土体物性指标的影响,建立固化有机质土的强度综合计算模型:基于腐殖酸反活性系数的计算,可得到固化有机质土的当量水泥总量(Cfh)与有效固化剂掺量(Cec)。固化土体一定龄期孔隙比(etH)可表示为土体初始物性指标、Cec和养护龄期的函数。分析固化有机质土强度与etH/Cfh的关系,最终建立基于土体基本物性参数的固化有机质土强度计算模型;测试了高效固化剂混掺粉煤灰固化滩涂淤泥各龄期的强度,同经固化有机质土强度计算模型得到的计算结果对比,可知强度计算模型用于滩涂淤泥仍具有较高的准确性。
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