水泥固化硫酸盐渍土盐胀机理和性能调控研究

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随着西部大开发战略的深入实施以及“一带一路”建设的提出,迫切需要提升和完善西部公路铁路等工程建设。然而西部地区盐渍土广泛分布,土体由于盐分流失溶陷、盐胀、冻胀引起地表隆起、开裂,导致稳定性大大降低,其中硫酸盐渍土的破坏尤其严重,威胁到公路、铁路的正常使用。水泥固化土由于材料分布广泛、易于开采,并具有较好的强度、刚度及水泥稳定性,在基层材料中广泛应用。然而水泥固化硫酸盐渍土会发生化学反应生成钙矾石等膨胀性产物,使土体同时产生物理膨胀和化学膨胀,亟需在水泥作为固化材料的基础上继续开发研究,增加盐渍土路基的稳定性和耐久性。本文研究了矿物组成、盐的含量和盐的种类、压实度对水泥固化土水分传输的影响以及矿物组成和压实度对水泥固化土硫酸根离子传输的影响。其次,采用有限差分法对干燥的水泥固化土中水分的传输和非饱和水泥固化土材料中硫酸盐的传输进行数值模拟。此外,建立了改良硫酸盐渍土材料在降温过程中的体积应变模型。最后,在水泥固化硫酸盐渍土的基础上,掺加石灰和粉煤灰进行性能调控,进行了无侧限抗压强度试验和盐胀试验。主要结论如下:(1)采用多种微观测试方法,研究了水泥固化土的一维水分传输规律,结果表明,高岭土为絮状结构,结合水含量少,蒙脱土由于具有明显的层状结构,结合水含量多而自由水含量少,蒙脱土吸水高度远大于高岭土;随着水泥固化土密实度的增加,毛细吸水率逐渐增加;对于掺入不同种类硫酸盐及不同硫酸盐含量下的毛细吸水结果,主要是受表面张力的作用,含硫酸钠盐试样的表面张力大,吸水速率更快。另外,研究了水泥固化土的硫酸盐传输规律,硫酸根离子传输速率与土体分形维数密切相关。压实度越小,土样分形维数越大,离子渗入时所受阻力越大,硫酸根离子传输速率越慢;含蒙脱土试样分形维数值最低,蒙脱土由于分散性好,整体孔隙率较小,颗粒的团粒化程度也小,离子传输的阻力小,内部硫酸根离子浓度最高。高岭土粘度过大,团粒化程度较大,具有更大的比表面积,因而分形维数值最大。(2)建立干燥条件下水分在水泥固化土材料中的传输模型,并利用Cs Cl增强X-CT方法对水泥固化土水分传输进行实时观测,从而对水分传输公式进行验证;利用有限差分方法模拟硫酸根离子在非饱和水泥固化土材料中的传输,将分形维数引入离子传输模型,实现孔隙曲折度的定量化。模型结果与试验结果进行对比,二者吻合较好。(3)基于多孔介质力学理论,建立了硫酸钠结晶作用下线弹性材料的本构方程,确定出固化硫酸盐渍土材料在降温过程中的体积应变模型,提出临界饱水度判据,将盐胀率与过饱和度关系定量化,并与宏观试验进行对比,二者吻合度很高,验证了模型的可靠性,实现硫酸盐侵蚀控制指标由经验确定转向定量计算。(4)通过正交试验得出抗盐胀固化剂的最佳配比,试验结果表明,石灰和粉煤灰的加入有助于减少水泥加固硫酸盐渍土产生的盐胀问题,水泥石灰粉煤灰通过离子交换作用、火山灰作用、物理填充和化学胶凝作用、氢氧化钙碳化作用、减少钙矾石生成等多种作用复合,提高硫酸盐渍土的密实度,降低盐胀率,提高盐渍土路基的耐久性,改良硫酸盐渍土的最佳掺量为水泥掺量8%、粉煤灰掺量15%、石灰掺量6%。
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