关键词： 道路工程   正交配合比设计   土壤固化剂   力学特性   路用性能   微观机理  

摘要： 伴随着国内建设工程和道路工程的迅猛发展,沉淤废土的堆积问题也日益严重,为了很好的解决这个问题,土壤固化剂也应运而生,由于其对于软土高效的强度改善能力而被社会各个工程领域关注。本文秉持着可持续发展的理念,为了将工程废弃而造成堆积问题的淤泥质粘土再次利用,以浙江省杭州市某公路施工路段堆积的淤泥质粘土作为试验基质材料,并且为了取代传统的水泥基类固化剂,减少有害气体的排放,工业废渣中的矿渣也引起了很多学者的关注,同时考虑到工程届对于纳米材料的运用和研究并不完善,本文引入新型纳米材料-纳米W,将矿渣、纳米W、生石灰作为固化剂的基础材料并且通过正交试验进行配合比的设计;通过矿渣-纳米W复合固化土的无侧限抗压强度试验、劈裂试验(间接抗拉强度)探究了矿渣-纳米W复合土壤固化剂对淤泥质粘土宏观力学特性的影响,同时结合固化土的水稳定试验以及冻融循环试验观测其耐久路用性能;最后,本文采用扫描电镜(SEM)测试方法和X射线衍射(XRD)测试方法,研究了矿渣—纳米W复合土壤固化剂对淤泥质粘土微观结构的影响和作用机理。具体所得结论如下:(1)本文中对于固化剂的配合比设计试验采用了三因素、三水平的正交试验,设计了9组不同配合比的淤泥固化剂复合材料试验方案,进行无侧限抗压试验,最终通过极差和方差分析统一结合的方法,对无侧限抗压正交试验的结果进行了合理分析,得到矿渣—纳米W复合土壤固化剂的最优配合比为生石灰:纳米W:矿渣=32:3:65。(2)根据正交设计后所得的固化剂最优配合比,通过无侧限抗压强度试验和劈裂试验探究了不同固化剂掺量和养护龄期对淤泥质粘土的影响,发现伴随矿渣-纳米W复合土壤固化剂掺量的不断递增,淤泥质粘土的无侧限抗压强度出现了先增大后减小的变化趋势,并且其劈裂强度一直保持着稳定的增长;当固化土养护龄期的天数的增多,固化土的强度也会随之增大。为了考虑实际工程的经济效益和设计要求,本文最终确定矿渣-纳米W复合土壤固化剂的最佳掺量为10%,同时提出相对应的固化剂固化淤泥土的强度经验公式,方便实际工程选择合适掺量和养护龄期。(3)根据已经确定的矿渣-纳米W复合土壤固化剂的最佳掺量,通过水稳定性试验和冻融试验可以发现,矿渣-纳米W复合固化土的水稳定系数随浸水龄期的增大先减小后增大;在冻融试验中,矿渣-纳米W复合固化土满足设计要求。(4)通过SEM、XRD试验对淤泥质粘土掺加矿渣-纳米W复合固化剂前后的微观结构进行对比,发现固化剂的掺加会与淤泥质粘土发生水化反应、火山灰反应和土颗粒表面的阳离子交换作用,这些反应的发生会增强土粒的分子间作用力,减少土体的孔隙面积,增强土颗粒之间的联系,也从微观上很好地解释了固化土强度增加的原因。关键词是为了文献检索选出的体现论文主要信息的术语或词语,置于摘要下方,一般不超过5个,用分号隔开。

关键词： 电气石   腐殖酸   复合颗粒   铁锰   动态试验  

摘要： 铁锰地下水在我国各地广泛存在,如何经济、高效修复铁锰地下水成为重点。针对这一背景,制备除铁锰的新型吸附材料是研究和应用的关键。本文选取无机化合物电气石（TM）和天然有机高分子腐殖酸（HA）结合,经330°C高温碳化,将腐殖酸转化为不溶性腐殖酸（IHA）,而且添加了修饰试剂天然聚合物淀粉,制备了不溶性腐殖酸/电气石复合颗粒（TM/IHA）,具体研究成果如下:（1）通过单因素试验及正交试验,确定了电气石除铁锰的最佳条件,并建立了吸附等温模型、吸附动力学模型,通过XRD、FTIR、SEM以及EDS等微观表征揭示了除铁锰的机理。结果表明:电气石处理100 ml Fe2+含量25 mg/L、Mn2+含量10 mg/L复合水样的最佳条件为:铁电气石粒径为300目,投加量15 g/L,反应时间240 min,p H 6,反应温度为35°C,此时,对Fe2+、Mn2+的去除率分别为99.25%和94.89%。TM可以缓冲溶液的p H,使反应后的p H达到中性。通过正交试验分析得出电气石吸附Fe2+、Mn2+影响排序为:电气石投加量>p H值>反应时间。TM吸附Fe2+、Mn2+符合准二级动力学模型和Langmuir模型。微观表征结果显示,TM由Na Fe3Al6（BO3）3Si O6O18（OH）4组成,且表面团聚现象严重,孔隙分布不均匀,具有粒度小,比表面积大的特点。对地下水中Fe2+、Mn2+的吸附物理吸附和化学吸附并存。研究发现TM极易团聚,难以与水分离,且Mn2+出水未达到排放标准,故不能直接应用于修复受铁锰污染地下水,应选择合适的载体进行修饰。（2）通过单因素试验,研究在电气石与不溶性腐殖酸混合比、混合时间、煅烧温度和煅烧时间条件下制备的最佳TM/IHA复合颗粒。结果表明:TM/IHA复合颗粒的最佳制备条件是:将预处理后的HA溶于0.1 mol/L Na OH中,然后按TM:HA=2:3的比例加入电气石粉,将p H调整到6.0,接着将混合物放入摇床（30°C、150 r/min）中振荡18h后收集沉淀,然后用去离子水洗净,潮湿的固体材料在60-70°C的烘箱中干燥,研磨过筛后加入95°C糊化的醚化淀粉（1/10）混合后制成3-5 mm粒径的吸附剂颗粒,在330°C的马弗炉中煅烧90 min后制成TM/IHA复合颗粒。（3）通过单因素试验及响应曲面试验,确定了电气石除铁锰的最佳条件,并探讨了TM/IHA的解吸和可重用性。通过吸附等温模型、动力学模型以及微观表征揭示了同步去除铁锰的机理。结果表明:TM/IHA复合颗粒处理100 ml Fe2+含量25 mg/L、Mn2+含量10mg/L复合水样的最佳条件为:TM/IHA投加量10 g/L,p H 6,反应时间240 min,温度35°C,转速150 r/min,此时Fe2+、Mn2+的去除率分别为99.98%、99.65%。再生五次循环后对Fe2+、Mn2+的去除率降低了约10%,TM/IHA的可重用性能良好,具有很大的去除水中金属的潜力。通过RSM试验设计,得到对Fe2+、Mn2+的单因素影响大小分别为投加量>p H>反应时间,并通过验证试验验证预测值与试验值的绝对误差分别为0.05%、0.13%,均低于5%,证实试验模型可靠。吸附过程符合Langmuir模型和准二级动力学模型,且粒子内扩散不是吸附过程中唯一的限速步骤。TM/IHA对Fe2+和Mn2+的吸附过程是自发、吸热、可持续进行的,倾向于单层吸附。通过XRD、FTIR、BET和SEM-EDS分析,证实了TM/IHA复合颗粒主要由C、O、H、N、Al、Si、B等元素组成,保留了原料的晶体结构,表面上含有丰富的硅氧烷和硅醇基团。研究表明,物理吸附、表面配位吸附、化学沉淀以及离子交换是TM/IHA吸附Fe2+、Mn2+的主要相互作用机制。（4）通过动态试验,确定在不同吸附剂填充质量、不同流速、不同进水浓度条件下,TM/IHA对铁锰的去除效果。结果表明:TM/IHA复合颗粒对Fe2+和Mn2+离子的穿透曲线受床高、流速以及进水浓度影响,降低流量、进水浓度,增加床高均会使动态柱的运行时间延长。床高过低,未达到预期的处理效果就已达到穿透点,而床高过高时不仅Fe2+、Mn2+的去除效率很慢,还使吸附剂的利用率降低。流速过低容易引起柱内纵向返混现象,而流速过大时Fe2+、Mn2+离子穿过吸附层的速度增快,导致吸附总量减小。进水浓度的增大不仅使得去除率降低而且使得动态柱的运行总时长也大大缩短,处理水量减少。因此床高、流速以及进水浓度应在保证一定吸附容量的基础上,综合考虑柱长、柱径等因素进行确定。而且TM/IHA对Fe2+和Mn2+的动态吸附过程更适合用Yoon-Nelson模型拟合。该论文有图70幅,表26个,参考文献100篇。

关键词： MICP   固化机理   脲酶反应   碳酸钙   SEM  

摘要： 为探究胶结液浓度对MICP固化淤泥土效果的影响,利用巴氏芽孢八叠球菌,开展不同胶结液浓度下的土体固化试验。通过试样的应力-应变关系、无侧限抗压强度、含水率变化情况和微观结构探讨了MICP技术加固淤泥土的固化效果和加固机理。结果表明采用上述方法加固淤泥土是有效的。通过微生物脲酶反应,试样内生成了碳酸钙晶体团聚体,无侧限抗压强度最高可提高24%,含水率降低范围在5.2%~10.9%。适当地提高胶结液中的尿素浓度,可在一定程度上提高脲酶活性,改善固化效果,而氯化钙浓度较高时,对微生物反应有一定的抑制作用,固化效果提升有限。

关键词： 固化淤泥土   循环荷载   冻融循环作用   力学特性   水分迁移   数值模拟  

摘要： 疏浚淤泥土的处置和资源化利用是当前环境岩土热门的研究课题之一,对环境治理和资源保护具有重要意义。河道疏浚淤泥土的组成复杂多元,工程性质差,国内外常采用固化处理方式将其资源化利用,然而固化淤泥土力学性质差异明显,难以实现广泛推广。为了探明循环荷载和冻融循环作用下固化淤泥土的力学性质,本文利用水泥、石灰和粉煤灰改善淤泥土力学性能,对不同掺量下固化淤泥土的动力性能、冻融循环下水分迁移与强度特性和固化土路堤变形与稳定性展开研究。本文的主要工作和结论如下:（1）采用室内土工试验测定疏浚淤泥土的基本物理力学指标,利用堆载预压法将疏浚淤泥土的含水率降低至指定值,确定水泥掺量为6%,石灰掺量为9%,粉煤灰的掺量分别为5%、10%、15%和20%,以此联合固化淤泥土。（2）利用GDS动三轴仪测定了不同固化剂掺量和固结围压下固化淤泥土的强度与变形特性。研究结果表明:固化淤泥土的动应力-动应变曲线呈应变硬化型,在循环荷载作用下土颗粒被挤压,向更稳定的位置发生移动,土体的破坏形式为压缩破坏,固化剂掺量越高,破坏强度越大。固化淤泥土的初始动弹性模量随固化剂掺量和围压的增加而加大。（3）对固化淤泥土进行冻融循环试验,研究固化土在不同冻融次数下水分迁移和强度特性,分析不同固化剂掺量下固化土的破坏强度、应力-应变关系、抗剪强度指标受冻融次数的影响。研究结果表明:冻融循环作用下,固化淤泥土中的水分发生迁移,引起内部水分向冻结锋面迁移聚集,且固化剂掺量越高,水分变化量越小;固化淤泥土的破坏强度和粘聚力随冻融次数的增加而降低,但变化幅度逐渐减小。（4）利用Flac3D分析路堤填筑施工过程中的沉降和侧向位移与固化淤泥土路基在不同冻融循环次数劣化后的变形规律。模拟结果显示:固化疏浚淤泥土填料路基在填筑后的沉降量和侧向位移量较小,符合质量工程要求。冻融会对路基产生劣化影响,路基竖向沉降随冻融次数的增加先大后小,最终路基变形逐渐趋于稳定,这与试验结果基本吻合。

关键词： 钢渣粉水泥固化土   硫酸盐-氯盐   无侧限抗压强度   扫描电镜   能谱分析  

摘要： 淤泥及淤泥质土由于其天然含水率高、压缩性高、强度低等的特性,如果在实际工程中遇到,一般采用水泥进行原位固化。但是采用水泥固化海相淤泥会出现以下问题,一是水泥生产过程会造成严重的环境污染,二是固化后的淤泥土在海水浸泡下,海水中的侵蚀性离子,如氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO42-)、镁离子(Mg2+)等对水泥固化土有侵蚀作用,会导致固化土的微观结构以及生成物发生变化,从而导致水泥固化土的物理力学性质发生变化,使得固化土的耐久性降低,进而影响工程的使用年限。本课题主要采用新型固化剂(钢渣粉)固化海相淤泥土,研究使用钢渣粉替换部分水泥固化淤泥土在侵蚀性离子作用下的强度劣化性能,从宏观以及微观两个方面分析固化土的物理性质变化以及劣化机理。通过室内物理力学试验,研究蒸馏水、硫酸盐溶液以及硫酸盐-氯盐混合溶液侵蚀条件下,钢渣粉水泥固化土(SSP-CS)和激发剂钢渣粉水泥固化土(A-SSP-CS)的质量、无侧限抗压强度(UCS)以及氯离子浓度随固化土试样侵蚀时间、侵蚀溶液浓度变化的规律,并与水泥固化土(CS)进行对比,探究采用钢渣粉替换部分水泥固化淤泥土的可行性。研究发现,在不同浓度硫酸盐溶液中侵蚀的各类固化土试样的质量均未出现损失,蒸馏水环境中只有SSP-CS侵蚀28d前试样的质量有损失。在混合溶液中,Cl-的存在可以降低固化土中硫酸盐的腐蚀速度,并且Cl-的浓度越高,延缓的效果就越明显。在硫酸盐-氯盐混合溶液中被侵蚀的各类固化土试样的质量均未出现损失。当侵蚀溶液中Cl-和SO42-共存时,Cl-会在一定程度上提高固化土的抗压强度,减轻固化土的侵蚀劣化程度,但是当侵蚀溶液中的Cl-浓度超过某个极限值以后,随着溶液中Cl-浓度的增大,这种减缓作用逐渐丧失。试验结果表明,各类固化土试样在不同侵蚀时间时,其强度达到最大值时溶液中Cl-浓度是不同的。利用扫描电镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)分析蒸馏水、硫酸盐溶液以及硫酸盐-氯盐混合溶液中CS、SSP-CS以及A-SSP-CS的微观形貌以及物相变化,进而得到钢渣粉水泥固化土在硫酸盐溶液以及硫酸盐-氯盐混合溶液中的强度劣化机理。在混合溶液中侵蚀的固化土试样,在侵蚀前期,由于Cl-的渗透速率大于SO42-,Cl-会先与水化铝酸钙反应生成三氯铝酸钙,即Friedel’s盐。一方面,Friedel’s盐的膨胀性能低于钙矾石,另一方面,Cl-会与固化土中的水化产物发生反应,生成水化氯铝酸钙(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O),使硫酸盐腐蚀产物钙矾石的产量减少,从而使硫酸盐对固化土的膨胀破坏作用减弱。在侵蚀后期,一方面由于Cl-参与水化反应生成的F’s盐无胶凝性,且熔融态的蜡状物质覆盖在颗粒的表面,使得水化物不能进行物质交换,水化作用变慢或被迫停止。更重要的另一方面是由于SO42-参与水化反应,生成钙矾石,而钙矾石的溶解度小,并且结合了大量的结合水,体积是原来水化铝酸钙的2.5倍,巨大的体积变化,使得试样由于钙矾石的存在产生了极大的内应力,致使试样发生膨胀破坏。通过反应生成的石膏与氢氧化钙相比,体积增加了将近2倍。反应同时生成了氢氧化钙,使孔隙溶液中的pH值升高,反过来又会加速钙矾石的生成,造成侵蚀越来越严重,使得试样的强度不断的降低。

关键词： 有机质   水泥土   固化   广州南沙淤泥土   无侧限抗压强度  

摘要： 针对有机质对水泥固化淤泥土强度的不良影响,在南沙淤泥土干粉中添加腐殖酸配制得到不同有机质质量分数的淤泥土,采用不同质量分数的水泥对其进行固化,进行无侧限抗压强度试验,探讨了水泥及有机质质量分数、龄期对固化的有机质淤泥土无侧限抗压强度的影响.试验结果表明:有机质的存在严重阻碍水泥的水化反应,但有机质质量分数对水泥固化淤泥土强度的影响是有极限的,超过5%时,有机质质量分数的增加对固化土强度下降的影响就不明显了;固化土的强度随水泥质量分数的增加呈幂函数形式增长;随龄期的增长,含有机质的水泥土强度仍远低于普通水泥土的强度,表明有机质的影响并不会随龄期增长而减小.

关键词： 淤泥   水泥   离子固化剂   抗压强度   应力应变   破坏形态  

摘要： 为了使废弃的淤泥获得工程价值,提高淤泥土的强度,通过对不同掺量的水泥和离子固化剂的配比,研究固化后淤泥在不同龄期下无侧限抗压强度,分析了水泥掺量和离子固化剂掺量对固化土抗压强度的影响,确定了离子固化剂的最佳掺量,得出了淤泥离子固化土的两种破坏形态。结果表明:淤泥固化土的抗压强度与水泥掺量成明显的线性递增关系,当离子固化剂的掺量达到0.02%时抗压强度不再明显的增加,甚至会降低;离子固化剂固化淤泥土有利于提高早期强度;当6%水泥和0.02%离子固化剂掺量时可达到工程要求,可见淤泥离子固化土的研究具有重要的工程意义。

关键词： 固化淤泥土   冻融循环   形变特征   无侧限抗压强度   抗剪强度  

摘要： 为研究固化淤泥土经过冻融循环后的力学性质变化及其劣化机理,通过无侧限抗压强度试验、直剪试验、固结试验等土力学试验对其形变特征、内摩擦角、黏聚力以及压缩特性的变化进行分析。结果表明:固化淤泥土随着冻融循环次数的增加,其无侧限抗压强度、内摩擦角、黏聚力以及压缩屈服压力等重要力学指标均出现减小的现象;6次冻融循环后,固化淤泥土达到承受极限,在此之后试样的各项力学指标将发生突变,破坏类型变为脆性破坏。研究成果可为固化淤泥土冻融循环劣化防治措施的制定提供科学的思路。

关键词： 固化淤泥土   膨润土   抗冻融性能提升   提升最优值   结构稳定性强化   冻融循环弱化  

摘要： 为了研究膨润土对固化淤泥土抗冻融性能的提升效应,针对冻融循环过程中不同膨润土掺入量的固化淤泥土,开展了无侧限抗压强度试验、直接剪切试验等宏观试验,以及相应的电镜扫描分析等微细观分析和理论分析。膨润土能够有效的提高固化淤泥土的破坏应变、无侧限抗压强度、粘聚力和内摩擦角等指标,并且能够保证上述指标在冻融循环作用下不发生衰减。膨润土的掺入量,存在一个最优值:该值附近,膨润土对固化淤泥土抗冻融性能的提升效果最好。膨润土对固化淤泥土抗冻融性能的提升,通过内部结构稳定性的强化和冻融循环作用的弱化等双重作用而实现。膨润土的颗粒填充能够减小固化淤泥土的孔隙率,同时膨润土可以参与固化反应生成固化骨架,从而促进固化淤泥土内部结构稳定性的强化。膨润土的吸水作用可以减少参与冻融循环作用的自由水,同时膨润土的湿胀干缩作用可以部分抵消冻胀融缩效应,进而促冻融循环作用的弱化。