地质聚合物固化土研究现状及展望

随着对地质聚合物研究的不断深入,将其作为固化剂应用于土壤固化领域的研究受到了广泛关注。地质聚合物作为一种新兴的土壤固化剂,是一种以富硅铝酸盐矿物为前驱体,在碱激发剂作用下形成的绿色无机胶凝材料,具有力学性能良好、耐久性优异以及低碳环保等优点,能够有效克服水泥/石灰等传统土壤固化剂能耗高、污染大以及耐久性差等缺点,被普遍认为是传统土壤固化剂的理想替代品。为明确地质聚合物对土壤的加固机理和增强效果,回顾近年来地质聚合物固化土的研究进展,介绍地质聚合物固化土的反应机理,详述不同因素对地质聚合物固化土无侧限抗压强度和抗剪强度等力学性能的影响,讨论地质聚合物固化土在冻融循环、干湿循环以及化学离子侵蚀等作用下的耐久性,并对地质聚合物固化土技术未来发展方向进行展望。

减水剂对固化土强度影响的研究

为了探究聚羧酸、木质磺酸钙(木钙)两种减水剂对固化土强度的影响规律,在不同养护龄期下,对添加不同掺量减水剂的固化土开展了一系列无侧限抗压强度试验,从水化产物角度阐述了固化土强度随两种减水剂掺量的演变机理。试验结果表明:掺有两种减水剂的固化土强度均随着龄期的增加而增加,前期强度增长速度快,后期强度增长缓慢。固化土的强度随着聚羧酸掺量的增加呈现先增加后缓慢减小的趋势,当聚羧酸掺量为0.4%时,固化土强度达到最大值;固化土的强度随木钙掺量的增加逐渐减小,木钙减水剂提升强度的效果弱于聚羧酸减水剂。

水泥固化土固化机理及抗冲刷特性

为了完善水泥固化土抗冲刷性能方面的研究,使水泥固化土在水下结构防护中得到应用,在砂土和黏土中分别掺入水泥和与液体固化剂,采用土体冲刷函数测定仪(EFA)对水泥固化土开展了抗冲刷性能试验。在分析砂土和黏土的固化作用机理基础上,研究了固化剂和固化时间对水泥固化土抗冲刷性能的影响。研究结果表明:水泥固化土的强度随固化时间的增长而增大,黏土的强度快速增长阶段要早于砂土;固化剂可以有效提高土体的起动切应力,同时可以大幅减小土体的冲刷速率,明显提高了土体的抗冲刷强度;起动切应力的增长速率随固化时间增长逐渐减缓,存在临界最大值。根据起动切应力的变化特征提出了水泥固化土起动切应力预测模型,经试验数据对比,该模型可以较好地预测水泥固化土的起动切应力随固化时间的变化规律。

淤泥固化土动力特性及在直立护岸抗震分析中的应用

以大连临空产业园填海造地项目为背景,开展淤泥固化土动力特性试验研究。运用FLAC^(3D)有限元软件对不同地基处理方案的直立沉箱护岸在地震作用下进行动力响应模拟。从加速度响应、孔压与有效应力、残余变形等方面定量评价直立沉箱护岸结构的抗震安全性。动力特性试验结果表明:阻尼比与剪切应变和固化剂掺量呈正相关,且围压越高,阻尼越小。数值分析结果表明:在地震作用下,不同的地基条件下加速度放大系数呈现出不同的峰值;沉箱下方砂土层不液化;淤泥固化土地基上沉箱的残余变形小于原状淤泥地基且高水位能减小残余变形,提高沉箱的安全性。研究成果可为类似港口工程抗震设计提供参考。

预拌流态固化土的工程特性研究进展及应用

工程建设过程中废弃物堆积问题促使固化技术产生及发展,固体废弃材料制备成流态固化土得到二次利用。预拌流态固化土是具有高强度、低渗透性、高流动性、造价低廉的新型环保材料,在各种回填工程、桩基处理、路基工程等广泛应用;同时,土壤固化技术还被广泛应用于沿江及滨海地区淤泥固化工程。本文从流态固化土的固化机理出发,总结了现有固化剂类型;从影响因素出发,分析了固化土无侧限抗压强度、抗剪强度、抗渗性及流动性等物理力学性质,为提高流态固化土性能提供参考;梳理了现阶段流态固化土的研究进展,并对固化土在实际工程中的应用进行总结,阐明了流态固化土在工程应用中的优点及存在的不足,为流态固化土在后续的工程中的推广提出了发展方向。

深基坑狭窄肥槽预拌流态固化土回填施工技术

深圳市新华医院项目基坑肥槽具有深而狭长的特点,回填作用面狭窄,不便于机械设备夯实施工。为提高肥槽回填的施工效率和绿色低碳效益,提出采用预拌流态固化土进行回填施工,预拌流态固化土具有早期强度高、质量稳定和就地取材的特点,可采用溜槽的方式对肥槽进行分层浇筑,减少传统压实工序,快速完成回填。工程实践表明,预拌流态固化土回填施工技术有效解决了深基坑肥槽回填作业面受限的难题,保证了回填施工质量和安全,缩短了回填施工工期,具有显著的经济效益和环境效益。

基于现场湿度和损伤密度的固化土基层疲劳性能仿真

为了有效分析固化土基层在现场湿度分布下的疲劳性能,构建了考虑现场湿度的固化土路面结构数值仿真计算框架。首先基于平衡基质吸力的求解和回弹模量的预估,实现了固化土路面结构内部由于应力依赖和湿敏性引起的材料非线性力学性能的表征;然后基于能量力学法和损伤力学理论构建了非饱和固化土基层疲劳性能仿真理论建模方法;最后利用Comsol Multiphysics软件分析程序中的PDE⁃FE方法实现了在湿度场和应力场耦合作用下的非饱和固化土基层疲劳性能仿真计算。结果表明,该数值仿真计算框架可以较好地实现固化土路面结构的疲劳仿真分析,能够考虑现场湿度分布的影响,从而得到固化土路面结构内部真实力学响应。

湿陷性黄土红砂岩混合填料流态固化土的性能研究

采用湿陷性黄土、红砂岩作为流态固化土的原材料,对湿陷性黄土红砂岩混合填料流态固化土的力学性能及水理性进行试验研究。结果表明:用水量对湿陷性黄土红砂岩混合填料流态固化土的流动度及抗压强度的影响程度最大,最优配合比为m(湿陷性黄土):m(红砂岩)=65:35,水泥掺量13%,用水量40%;随养护龄期延长,最优配合比试件的抗压强度、黏聚力、内摩擦角均呈增长趋势,压缩系数、湿陷系数、渗透系数呈减小趋势;当龄期为28 d时,标准养护和自然养护试件的无侧限抗压强度分别为1.24、1.02MPa。根据力学强度及水理性能变化认为湿陷性黄土红砂岩混合填料流态固化土具有工程应用可行性。

桐油对固化土搅拌和易性及强度的影响研究

搅拌法在穿越黏土地层(塑性指数大于25)施工时,黏土容易黏附在搅拌桨和转杆上,形成团聚包裹,极大地影响搅拌的和易性和固化土工程性质。桐油是一种干性天然植物油,具有较好疏水和润滑性,在传统生土材料中得到了广泛应用。针对水泥固化土搅拌和易性和强度提升问题,系统地研究了桐油改性黏土的液塑限、固化土的经验黏附比和无侧限抗压强度的变化规律,开展了电子显微镜扫描(SEM)、压汞试验(MIP)和傅里叶红外光谱分析(FT-IR)试验,探究了桐油对固化土搅拌和易性和强度提升的微观机理。结果表明,桐油可显著提高固化土的搅拌和易性,最优掺量约为干土质量的4.0%左右;对均匀搅拌的水泥固化土而言,掺入桐油后28d无侧限抗压强度可提升约1/3。综合对搅拌和易性与强度的提升效果,桐油在黏土地层搅拌施工中具有良好的应用前景,成果可为理论研究和工程实践提供参考。

预先受荷对固化土抗海水侵蚀性能的影响

为研究受荷和海水侵蚀共同作用对工业废渣固化土强度的影响,对受到不同预先荷载水平的碱渣-矿渣-电石渣固化土进行海水侵蚀模拟,开展侵蚀试样无侧限抗压强度和X射线衍射等测试,并与水泥固化土和蒸馏水浸泡环境对比,重点探讨预先受荷水平和侵蚀龄期的影响规律及机理。结果表明:随着预先受荷水平的增加,固化土强度呈先增后减趋势,当预受荷载为40%或60%时强度达到最大,荷载为80%、海水侵蚀时强度降低;当预先受荷水平为60%、海水侵蚀120d时,碱渣-矿渣-电石渣和水泥固化土的强度分别为侵蚀前强度的60%和84%;较高荷载和海水长期侵蚀生成较多次生钙矾石和水化氯铝酸钙等物质导致固化土性质劣化,对固化土强度产生显著的不利影响。

三元工业废渣协同水泥固化土的基本特性和机理分析

为了资源化利用工业固废的胶凝活性以求减少水泥使用量,设置10%和20%两种固化剂总掺量,并以纯水泥固化土作为对照组,将赤泥、电石渣和磷石膏3种工业废渣部分代替35%、45%、55%的水泥。研究每种配比方案下固化土的强度、电阻率、抗渗性和浸出液pH值变化规律,并结合SEM、FTIR和XRD谱图揭示三元工业废渣协同水泥固化土的微观机理。结果表明:工业废渣代替水泥存在最优替代率问题,当固化剂总掺量为10%和20%,且三元废渣占比<45%时,力学性能优于零废渣纯水泥固化土,废渣占比达到55%时力学强度低于纯水泥固化土,且固化剂总掺量和养护龄期越大强度越高;无损化的电阻率测试技术对于强度的预测具有较高精度,浸出液的pH值随龄期的增大而降低,含废渣固化土的pH值低于零废渣固化土,不同掺量和龄期固化土的pH值均小于腐蚀性鉴别限值;三元废渣协同水泥固化土的抗渗性优于零废渣水泥固化土。微观试验结果表明固化土中生成了钙矾石、水化硅酸钙和碳酸钙等水化产物,三元工业废渣掺入能产生更多的胶结物,使固化土结构更加致密。

微生物固化土不排水剪切特性试验研究

微生物诱导碳酸钙沉淀为高效的土体加固技术,因其具有可快速增强土体强度和稳定性等特点逐渐在工程中得到应用。为探究围压和碳酸钙含量对微生物固化土力学性能的影响,对不同碳酸钙含量的饱和固化土进行不同围压作用下的三轴固结不排水剪切试验,研究固化土应力-应变、孔隙水压力-应变变化规律,分析碳酸钙含量对土体初始切线模量、破坏包络线和临界状态线的影响规律,并建立碳酸钙含量与试验参数之间的关系式。试验结果表明,碳酸钙可提高土体峰值强度,碳酸钙的填充作用使胶结后的土体残余强度高于未胶结土体。围压和碳酸钙含量对固化土孔隙水压力-应变关系的影响不同,随着围压的增大,孔隙水压力峰值增大,发生负孔隙水压力的轴向应变增大。随着碳酸钙含量的增加,孔隙水压力峰值增大,但发生负孔隙水压力的轴向应变减小,可知固化土更易发生剪胀。随着碳酸钙含量的增加,土体破坏包络线和临界状态线均发生上移。

黄土固化剂及固化土养护液的配方优化研究

为提高土体固化剂加固新疆伊犁州黄土的固化效果,通过正交试验及AHPCRITIC主客观综合赋权法,进行黄土土体固化剂及固化土养护液配方优化试验,优化结果为:得到土体固化剂及固化土养护液的配方及各组分的优属度,在12%水泥掺量条件下,MBER土体固化剂的最优配合比为9%石灰、2%石膏、0.3%硫酸钠、0.3%硅酸钠、0.3%明矾、1.2%减水剂,其7d龄期的饱水无侧限抗压强度为3.23MPa,干燥无侧限抗压强度为10.23MPa,软化系数为0.32;固化土养护液的最优配合比为0.10 mol/L碳酸氢钠溶液、0.04mol/L硫酸钠溶液、2%纳米二氧化硅溶胶,其3d、7d和14d的饱水无侧限抗压强度分别为1.88MPa、3.76MPa和5.22MPa,其7d无侧限抗压强度相较于标准养护及纯水养护分别提高16.43%和13.00%,具有明显效果。

基于固体废弃物的固化土研究综述

随着城市化进程的不断加快,固体废弃物的资源化利用引起了越来越多的关注。固体废弃物在土壤固化中的应用具有性能优异、节能环保和可持续发展等突出优势。介绍了基于固体废弃物的固化土固化机理,详细阐述了不同因素对固化土力学性能和耐久性的影响,评述了基于固体废弃物固化土技术现存的问题,并对其未来发展方向进行了展望。

强风化岩流态固化土抗压强度试验研究

为解决生态环境与工程投资效益之间的关系,以兰州某回填工程为依托,将开挖出的强风化岩与湿陷性黄土混合后添加适量的水泥、膨润土和泵送剂进行改良后作为流态填充材料,应用正交试验设计,对不同配比的强风化岩流态固化土进行无侧限抗压强度试验,得到各因素最佳配比,分析抗压强度的影响因素及其显著性大小,并研究强风化岩流态固化土的水稳定性和冻融循环作用下的微观结构。结果表明:对抗压强度影响最显著的因素是水泥,黄土次之;各因素对抗压强度影响的大小排序依次为:水泥掺量→黄土掺量→膨润土掺量→强风化岩粗骨料掺量→强风化岩细骨料掺量→泵送剂掺量。改良试样浸水后抗压强度随养护龄期增长下降幅度逐渐趋于平缓,说明其水稳定性得到了提高;在冻融循环作用下易发生硅含量损失,且改良试样的强度性能与硅元素有关。

矿渣基地聚物流态盾构固化土的性能研究

为实现对地下工程中的高含水率盾构土资源化利用,探究地聚物材料固化盾构土的可行性,本文采用矿渣基地聚物固化盾构土,通过研究碱激发剂模数、矿物配比、碱激发剂掺量、温度对不同种类盾构固化土无侧限抗压强度和工程性能的影响规律,确定固化土配合比设计,在此基础之上研究地聚物掺量对固化土水稳性的影响,并采用SEM对盾构固化土进行微观分析,揭示其固化机制。结果表明,在试验拟定的水固比下,两种不同土质流态盾构固化土均有良好的力学性能和工程性能,矿渣基地聚物产生了无定形凝胶,增强了土壤颗粒之间的胶结及密实度,其中固化剂掺量为干土质量22%的盾构固化土在标养条件下的28 d无侧限抗压强度可达5.38 MPa, 40℃条件下可达8.08 MPa,水稳系数达0.98。

固化土双向制样仪研发与制样效果多尺度对比

该文研发了一款电动双向固化土试样制样仪,通过与击实法及静压法制样的试样进行宏观、细观、微观对比,分析验证双向制样仪的可行性。结果表明:在宏观层面上,双向试样固化土无侧限抗压强度最高,静压试样次之,而击实试样最低;双向试样固化土整体外观颜色一致且破坏形式稳定,均为剪切破坏,均匀性优于击实法和静压法试样。在细观层面上,双向试样的表观孔隙最少且分布均匀。在微观层面上,双向试样内部微观结构最致密,进汞量最少,孔隙体积占比以直径较小的颗粒间孔隙为主。因此,多尺度对比研究表明,自主研发的双向制样仪的制样效果优于静压仪和三瓣模(或双瓣模),可在土工试验中推广应用。

激发剂对高掺量碱矿渣流态固化土基本性能的影响研究

选用无水Na_(2)SiO_(3)(简称W体系)、CaO+Na_(2)CO_(3)(摩尔比1∶1,简称C体系)和Na_(2)SO_(4)+普通硅酸盐水泥(质量比2∶1,简称Z体系)3种固态碱性激发剂制备碱矿渣流态固化土,研究水胶比和碱掺量对碱矿渣流态固化土流动性、无侧限抗压强度和微观结构的影响。结果表明:固化土的流动度随水胶比的增加而显著增大,其中,C体系碱掺量为10%,水胶比为0.9时,固化土的流动度可达204 mm,无离析现象,有利于泵送施工;碱掺量的增加会导致固化土的流动度下降,W体系影响最大;Z体系不具备抗压强度,只有C和W体系在10%碱掺量时才完整脱模并具有抗压强度;相较普通硅酸盐水泥,C和W体系具有低Ca/Si值,其C-S-H凝胶的聚合度更好,微观结构也越密实。

湿陷性黄土–砾石集料流态固化土工程特性试验研究

针对传统回填方法与回填材料存在的缺陷,结合湿陷性黄土地区特点,提出了一种基于湿陷性黄土–砾石集料的预拌流态固化土。通过开展流动性试验与无侧限抗压强度试验,对比分析了不同土石比、水固比和胶集比对该预拌流态固化土工作性和力学性能的影响;同时借助渗透性试验与黄土湿陷试验讨论了所提出材料固化后遇水的性能变化情况。主要得出以下结论:(1)胶凝材料用量固定时,拌合物为满足流动性要求所需用水量随着湿陷性黄土用量的增加而增大,但试样强度整体呈下降趋势;(2)胶凝材料用量的增大提高了试样强度,但降低了拌合物的流动性,且对土石比较大和水固比相对较低的配合比的流动性影响显著;(3)满足流动性和强度要求的湿陷性黄土–砾石集料预拌流态固化土,其抗渗性和湿陷性也均满足相关规范要求;(4)调整水固比满足基本流动性要求后,土石质量比取1.50~1.86,胶集质量比不小于0.06的湿陷性黄土–砾石集料流态固化土具有良好的工作性能和力学性能。

海上风电单桩基础防冲刷固化土施工质量控制

随着海上风电项目的大量投入使用,合理有效的地基防冲刷措施将直接关系到风机的安全性和稳定性。本项目以淤泥质海洋风电场为对象,开展基于淤泥质海底风机桩基的抗冲防护研究。最后,将该方法在山东半岛南海上风电V场址工程中进行了实际应用,取得了较好成果。