电石渣-稻壳灰固化铜污染土抗压强度及环境特性研究

为解决铜污染土劣化土体强度及破坏生态环境等问题,提出利用电石渣(CCR)和稻壳灰(RHA)2种固体废弃物对重金属铜污染土进行固化/稳定化。基于无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验(TCLP)及微观结构分析,研究不同固化剂配比、龄期及污染物浓度等因素对固化土抗压强度和浸出性影响规律,并分析其微观结构变化。研究结果表明,电石渣−稻壳灰可以显著提升污染土强度和降低铜浸出率,固化前期电石渣−稻壳灰配比为3︰7时固化强度最高,当养护龄期为60 d时,固化剂配比为5︰5时提高固化样力学效果最优,且抗压强度随铜含量增加而先略有升高后大幅降低,高铜含量对固化土强度劣化明显。当初始铜含量为10000 mg/kg以下时,固化后铜浸出浓度低于安全浸出标准。固化剂配比对铜离子固化效果在低初始铜含量下无明显差异,在高初始铜含量下,电石渣和稻壳灰配比为4︰6固化效果更优。经固化剂处理后污染土pH值显著增大,且随着pH升高,浸出浓度呈现先减小后增大的趋势,与氢氧化铜理论溶解度曲线趋势大致相同。电石渣−稻壳灰固化污染土主要产物呈现为硅酸钙水合矿物,有利于降低铜的浸出率,填充土壤孔隙,提高骨架结构,对铜离子具有吸附和离子置换作用。

稻壳灰水泥固化淤泥土试验研究

为拓宽稻壳灰和淤泥土等固废资源处理途径,基于传统水泥固化处理方法,提出稻壳灰-水泥固化处理淤泥土技术。通过室内击实、无侧限抗压强度(UCS)和电镜扫描(SEM)试验,分析稻壳灰-水泥土强度特性及微观机理。结果表明:稻壳灰对淤泥固化土强度增强效果显著,并且15%稻壳灰+8%水泥掺量效果最佳,稻壳灰加入显著提高淤泥固化土韧性,其破坏应变在3%~5%左右,变形系数E_(50)与抗压强度近似呈线性递增关系,E_(50)可取(19~50)q_(u)。微观分析表明:水化硅酸钙生成是稻壳灰-水泥固化淤泥强度提高的主要来源,其填充孔隙、胶结作用使土体更加密实,提高强度。基于试验结果,提出了稻壳灰-水泥固化淤泥微观演变机制分析模型。

赤泥复合物固化/稳定化镉污染土特性研究

赤泥是工业生产氧化铝产出的固体废渣,产量庞大且具有较强碱性的特点。尝试将赤泥作为碱性激发剂与粉煤灰、粒化高炉矿渣(GGBS)结合用于固化/稳定镉污染土,对养护7、14、28 d试样的无侧限抗压强度特性、剪切特性、重金属浸出特性和微观结构进行研究。研究结果表明:土中镉离子会降低土体强度,掺入赤泥、GGBS和粉煤灰后土体强度相应增强;镉离子初始浓度会对赤泥基固化土强度造成影响,当初始值高于临界浓度值,土体强度开始逐渐降低;土中镉浓度的增加会降低土体剪切强度和黏聚力,同时增大摩擦角;赤泥-GGBS固化土有较高的强度和较低的重金属浸出率,相较于赤泥-粉煤灰有更好的固化/稳定效果。

稻壳灰固化重金属污染土力学性能及微观结构研究

为研究废弃物稻壳灰处理重金属镉污染土的固化/稳定化效果,开展低水泥掺量作用下稻壳灰固化镉污染土无侧限抗压强度及微观试验,研究养护龄期、稻壳灰掺量和镉含量对固化污染土应力-应变特性、抗压强度、破坏应变和变形模量的影响规律以及探讨参数间关系,并分析不同污染条件下固化土微观结构变化。研究结果表明:固化土应力-应变过程分为压密阶段、弹性变形阶段和破坏阶段。随着龄期增加,固化土峰值应力和破坏应变分别增大和减小,应力-应变曲线上升和突降变化明显,固化土脆性增大。峰值应力随稻壳灰掺量和镉含量增加均先增大后减小,稻壳灰掺量和镉含量较高时固化土峰值应力大幅降低。低水泥掺量下,5%~10%稻壳灰掺量有助于提高固化土强度。镉含量对固化土强度存在临界值,随着龄期增加,临界值由1 000 mg/kg转变为100 mg/kg,且高镉含量下土体强度劣化显著。固化土破坏应变和变形模量随抗压强度增加分别减小和增大,破坏应变和变形模量存在线性关系。固化土体在未污染条件下生成大量针棒状和絮凝状产物,形成空间网状结构,共同支撑土体并提高强度。重金属镉作用下反应产物减少,固化作用被抑制。

护坡植物的生态性能及根系力学性能

通过建立三个坡度(37°、45°、53°)的生态护坡模型,观测各坡度下4年期护坡植物的各项生态指标,并采用抗拉试验测定4年期护坡植物根系的抗拉强度,与2年期护坡植物根系抗拉强度进行对比分析,研究4年期护坡植物的生态性能及边坡坡度、植物龄期对护坡植物根系的力学性能的影响。研究结果表明:4年期护坡模型生态稳定性良好,边坡坡度越缓,边坡水土保持效果及植物生长状态越好;边坡坡度对根系抗拉强度无明显影响;同一直径下,4年期根系抗拉强度比2年期根系抗拉强度大30~40MPa;同一龄期下,根系抗拉强度与直径成显著的幂函数递减关系,且随着根系直径增大,4年期根系抗拉强度比2年期的根系抗拉强度降低得更快。

固化重金属污染土电阻率与强度特性试验研究

为研究固化重金属污染土电阻率与强度关系特征,对稻壳灰-水泥固化镉污染土开展电阻率测试及无侧限抗压强度试验,通过单轴压缩-电阻率联合试验得到固化土单轴应力-应变-电阻率关系,分析了初始电阻率影响因素及其与强度的关联性,建立了基于电阻率的强度预测与力学损伤模型。研究结果表明:固化土应力-应变和电阻率-应变曲线呈一定负相关关系;初始电阻率随稻壳灰掺量增加而先升后降,在稻壳灰掺量为5%时初始电阻率达到峰值,水泥掺量较高时初始电阻率持续降低;固化土初始电阻率随其龄期增加而持续增加,随镉含量增加而波动式增大后减小,在镉含量为2000 mg/kg时降为最低;基于初始电阻率的强度预测模型可对固化土抗压强度进行预测;基于实时电阻率的力学损伤模型可对固化土单轴压缩过程中土体破坏前的损伤发展进行预测。

稻壳灰-水泥固化镉污染土性能及影响机制

为实现污染土和稻壳灰资源化利用,解决水泥固化材料高排放问题,采用稻壳灰-水泥为固化剂对重金属镉污染土进行固化处理。开展不同养护龄期、固化剂类型及镉含量下固化镉污染土无侧限抗压强度、毒性浸出、X射线衍射及扫描电镜试验,通过分析抗压强度、浸出质量浓度、破坏形态、微观形貌及矿物组成等宏微观特性,揭示稻壳灰-水泥固化镉污染土微观作用机制。结果表明:稻壳灰可以加速水泥水化过程,提高固化土无侧限抗压强度,低水泥掺量时加入5%~10%稻壳灰改善效果较优;固化土强度随镉含量增加而先升后降,存在临界值100~400 mg/kg;稻壳灰掺入后,土体脆性破坏特征减弱,镉污染下土体裂纹较多且破坏面不规则;固化土浸出质量浓度随龄期增加而降低,在镉含量为100 mg/kg时满足标准限值,稻壳灰部分替代水泥后浸出质量浓度相差不大;稻壳灰-水泥主要以水化硅铝酸钙聚合物凝胶(C-A-S-H)和钙矾石(AFt)共同支撑土体孔隙,不断团聚、胶结形成空间网状结构,形成骨架结构并吸附镉离子。

固废基材料固化铜污染土的强度及浸出特性

为研究工业固废“赤泥、碱渣、高炉矿渣”作为复合固化剂固化重金属污染土的强度及固化效果,通过无侧限抗压强度试验、冻融循环试验以及毒性浸出试验,研究了不同龄期、铜浓度、掺量比、冻融循环周期下固废基材料固化铜污染土的强度变化及固化效果。结果表明:固化土强度随着龄期增长而增加,随着铜浓度升高而降低;掺量比G5S3R2养护28 d后,强度为1279 kPa,整体优于G5S2R3、G2S1R1且强度特性变化稳定;强度随冻融循环次数增加而逐渐降低,冻融循环初期(4次),强度折损最大,强度折损率高达40%;掺量G5S3R2固化铜离子浸出浓度值均低于G5S3R2和G2S1R1,铜浓度越高,差异越明显,浸出率均达到99%,且远低于标准限值100 mg/kg。

移动荷载作用下既有高速铁路路基拓宽计算分析

通过有限元软件PLAXIS对土工合成材料加筋既有高速铁路路基的加筋效果和动态响应特性进行分析,以具体拓宽道路为例,对比有限元仿真模型计算结果与典型试验结果,验证了有限元模型的准确性,并对比了三维与二维模型的差异,研究了既有高速铁路加宽路基在移动荷载作用下的动态响应特性。结果表明:在列车动荷载作用下,变形不仅发生于荷载正下方路基,路基两侧的坡面上也伴随变形发生,且靠近加宽路基一侧的坡面变形更明显,相对整体而言,加宽路基处更容易发生过大的变形而导致失稳破坏。路基表面应力变化有一定滞后性,动应力衰减系数与列车速度呈正相关。相较于列车静载,列车动荷载产生的路基表面峰值应力更大。路基沉降与路基高度总体上呈现出正相关趋势,随着高度的降低,沉降减少。路基坡面横向变形随列车的运动响应较快,最大横向变形发生在路基上部。利用土工格栅对既有高速铁路加宽路基加筋,可显著改善路基变形特性,结合经济效益分析,在中上部进行加筋效果较优。

碱渣-矿渣固化铜污染土力学及浸出特性

为研究固废碱渣-矿渣复合固化重金属铜污染土的相关力学性能及浸出特性,通过对固化土进行无侧限抗压强度与毒性浸出试验,对不同龄期、初始铜含量(质量分数)、固化剂掺量比对固化土的抗压强度、应力-应变特性、变形模量及破坏应变的影响变化规律展开研究,并对固化土的浸出特进行分析。结果表明:固化土的抗压强度随龄期不断增强;铜含量对固化土抗压强度的劣化影响存在临界值,初始铜含量低于0.2%时对固化土抗压强度有促进作用,铜含量为2.0%条件下,固化土养护28 d后抗压强度依然高于规范所要求的标准限值350 kPa;固化土应力-应变过程分为弹塑性变形阶段、屈服阶段及破坏阶段;变形模量E 50及破坏应变随强度的增加分别升高和降低,变形模量最高折损29%,破坏应变在养护28 d后主要集中在3%~8%;固化土养护28 d后,其浸出液中铜含量低于标准限值100 mg/kg,固化效率达到99%以上。

稻壳灰固化重金属污染土的环境特性

为研究稻壳灰固化重金属污染土的环境特性,对稻壳灰和水泥固化镉污染土开展毒性浸出试验和pH值测试,研究稻壳灰和水泥掺量、养护龄期、镉含量对固化污染土环境特性的影响规律以及探讨参数间关系。结果表明:1)镉浸出浓度随着养护龄期增加而不断降低,稻壳灰掺入使得镉浸出浓度总体上先降低后升高,稻壳灰掺量为5%~10%时固化效果较优;镉含量为100 mg/kg时镉浸出浓度满足标准限值;2)固化污染土pH值随着稻壳灰掺量和养护龄期增加先升后降,不同养护龄期下固化土pH值随着镉含量增加均有所降低;3)浸出液pH值随着稻壳灰掺量增加而先升后降,在5%~10%稻壳灰掺量时达到峰值;浸出液pH值随着养护龄期增加而降低;4)镉浸出浓度随着浸出液pH值增大而减小,与pH值较大时固化污染土固化效果较好的结论相一致。

基于生命周期评价法的挡土墙环境影响分析

挡土墙作为建筑领域常见构造物,合理优化与控制其生命周期内能源消耗及污染物排放,对发展低碳经济、控制全球变暖意义重大。针对挡土墙开展生命周期评价,研究3种挡土墙对环境的影响,对其特征化指标、加权综合指标以及墙高对其指标结果及变化率的影响规律进行对比分析。结果表明,重力式挡土墙对环境造成的负面影响最大,悬臂式挡土墙次之,加筋土挡墙最小,其中原材料生产阶段对3种挡土墙加权综合指标贡献最大。当墙高大于4 m时,重力式挡土墙与悬臂式挡土墙加权综合指标均大于加筋土挡墙,选择加筋土挡墙对环境的负面影响更小。通过对挡土墙生命周期评价,可以定量化分析其对环境的影响,并可选取最佳墙高,有助于挡土墙设计低碳的可持续性发展。

直根系根-土复合体抗剪强度简易计算方法

为了简化直根系根-土复合体抗剪强度的计算,基于根-土相互作用机理,考虑复合土体中根系的破坏模式,对直根系根-土复合体进行受力分析,推导了根-土复合体抗剪强度计算公式,将计算结果与现场实测值进行对比,并对折减系数、含根量、植物种类根-土复合体抗剪强度的主要影响因素进行了参数分析。结果表明:根-土复合体黏聚力是土层深度的指数函数;法向应力不变时,复合土体的抗剪强度随折减系数的增大而增大,折减系数在0.84~0.86之间取值时,结果较接近实测值;且复合土体的抗剪强度随含根量的增大呈先增大后减小的趋势,存在一个使复合土体抗剪强度最大的最优含根量;法向应力增大时,直根系复合土体的抗剪强度也随之增大,采用理论公式计算的抗剪强度值与实测值相对误差在10%以内。研究成果可为边坡生态防护的设计和计算提供理论参考。

不同加筋方式下碎石桩复合地基承载性能试验研究

制作一套碎石桩复合地基室内模型试验装置,开展11组加筋碎石桩复合地基室内模型试验和2组未加筋对比试验,以研究不同包裹长度、加筋间距及加筋组合方式下复合地基承载能力、桩土应力比、承载能力改善率和桩体鼓胀变形情况。试验结果表明:相比较传统碎石桩,筋材的加入对复合地基承载力有明显提升,全长包裹的垂直加筋提升效果最为显著;复合地基承载力提升较大的加筋方式对应的承载能力改善率和桩土应力比值较大,承载能力改善率随加筋长度和加筋间距的增加而增大;复合地基的桩土应力比值随沉降增加呈现出一定幅度的波动,并随加筋间距缩小和加筋长度增加而增大;不同加筋方式下桩身变形规律存在一定差异,采用全长包裹的垂直加筋方式下,桩体鼓胀变形较为均匀且变形量小,对复合地基承载能力的提升以及桩体鼓胀变形的抑制效果更佳。

土工格栅加筋细粒含量土循环剪切特性分析

为探究加筋角度与结构剪切特性之间的关系,采用大型循环剪切仪开展多角度土工格栅加筋土循环剪切试验,探究加筋角度和循环荷载对加筋细粒含量土剪切特性的影响,分析循环剪切过程中及加筋循环后直剪加筋细粒含量土的剪切性能变化。结果表明:不同角度土工格栅加筋细粒含量土剪切应力具有差异性,单向直剪试验中,30°加筋角度下,加筋细粒含量土剪切强度最大;法向应力为300 kPa时,6种角度(30°、60°、90°、120°、150°、180°)加筋界面均呈现循环剪切硬化的特征,180°加筋角度下,循环剪切应力峰值最大;剪切应力和剪切刚度随循环次数呈正相关关系,界面阻尼比随循环周期发展变化趋于平缓;不同循环幅值和法向应力下,30°加筋角度下细粒含量土呈现弱剪切硬化现象,随循环幅值或法向应力增加,土工格栅开始受力拉动上下土体,剪切应力增幅提高。

电渗法联合化学固化法改良淤泥试验

为使淤泥快速排水减量并提高其强度,进行单一电渗、电渗-固化联合试验,研究通电电压、电极距、固化剂掺量和养护龄期等因素对淤泥加固效果的影响。通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)试验观察典型微观结构,进一步探究淤泥加固机理。结果表明:较高的通电电压下,含水率下降幅度较大;采用阳极跟进法后,土体处理效果更加均匀,平均含水率降至56%;电渗-固化联合处理后,淤泥强度提升明显;固化土强度并非与固化剂掺量呈正相关关系,最优掺量下,养护龄期有助于水化产物和土颗粒之间更好地胶凝,形成土体骨架,提高土体强度。

加筋土石混合体动力特性

为探究土石混合体在循环荷载作用下的动力特性,采用大型动三轴试验仪,研究两种不同粒径类型土石混合体永久变形规律以及不同加筋方式下土石混合体滞回圈演变、动弹性模量及阻尼比发展规律。研究结果表明:不同动应力幅值下试样轴向应变(ε)-振动次数(N)曲线符合安定理论,且更符合双曲线模型发展规律,加筋作用能显著提高土石混合体试样动力稳定性;动应力幅值较大时,掺入大粒径砾石(GL)土石混合体试样较掺入小粒径砾石(GS)土石混合体试样咬合摩擦作用更显著,累积塑性变形更小。土石混合体作为非均质工程材料,循环加载过程中,滞回圈在低循环次数下呈现“锯齿状”,30次加载循环前后,格栅加筋试样动弹性模量增长率提高,阻尼比由不稳定波动开始减小。对比不同加筋试验数据,结果表明:土工格室加筋增强土石混合体韧性及刚度效果优于双向土工格栅加筋。