关键词：
硫铝酸盐水泥
固化土
响应面
强度发展
破坏特征
摘要：
疏浚工程是港口和航道维护过程中的关键环节,随着我国航运规模的不断扩大,持续增多的疏浚淤泥亟待更为有效的资源化处理途径。疏浚土的资源化利用方案之一是将其固化处理后作为路面基层等道路建设材料,同时具有固化效果显著、处理速度快等优势的化学固化处理是现阶段实践工程采用的主要处理手段。目前,普通硅酸盐水泥(OPC)因其性能稳定、价格低廉等优势在软土固化工程中被广泛采用,然而OPC同样表现出碳排放量大、强度增长较为缓慢等局限。相比OPC,硫铝酸盐(CSA)水泥具有生产过程碳排能耗低、强度发展迅速等优势,其被认为是OPC潜在的替代性材料之一。然而,目前有关硫铝酸盐水泥固化土的研究相对有限,尤其是多因素交互影响下的强度变化、强度随龄期发展特征及预测方法、破坏特征量化分析等内容尚未被系统性探究。本文主要针对CSA水泥固化疏浚土宏观力学行为,从强度影响因素、强度发展与破坏特征等角度进行展开,主要研究内容及结论如下:
(1)首先,通过单掺试验测定不同水泥掺量(3%、6%、9%、12%、15%)、不同石膏掺入量(25%、30%、35%)、土中不同细粒含量(20%、52.5%、85%)的不同龄期水泥固化疏浚土无侧限抗压强度,得到测试结果进行强度变化规律分析并得出结论,固化土的无侧限抗压强度随CSA水泥掺量增加而出现明显增长,CSA水泥固化土产生合理高初始强度的最佳石膏掺入量确定为25%,保持固化土持久强度增长的石膏掺入量为30%,7天养护龄期内52.5%细粒含量的CSA水泥固化土表现出更高的固化强度,即土中细粒含量适中的情况下更利于CSA水泥固化疏浚土早期强度的形成。其次,基于响应面法针对水泥掺量、石膏掺入量、土中细粒含量三个因素设计17组试验,分析其28天养护龄期下的无侧限抗压强度,并建立以其为响应值的二阶模型,分析单因素影响显著性排序为:水泥掺量>石膏掺入量>土中细粒含量,因素交互作用影响中水泥掺量与土中细粒含量的交互作用最显著。
(2)基于现有强度发展模型对不同影响因素水泥固化土进行适用性评价。首先,对以水泥掺量为变量做出强度预测分析,得到适用于固化大连地区疏浚土的强度发展模型,并得出长养护龄期下的CSA水泥固化土强度增长出现明显两阶段性的结论,且在分界前后强度增长幅度差异较大,当水泥掺量小于分界值时,强度随水泥掺量增加呈非线性增长,而当水泥掺量大于分界值时,强度随水泥掺量增加呈现线性增长。其次,以龄期为变量基于现有强度发展模型的函数形式进行对比分析,得到不同函数形式对不同种类强度增长规律的适用性,最后通过X射线衍射(XRD)测试、扫描电子显微镜(SEM)测试结合水泥固化土水化机理,分析其强度发展的内在原因。
(3)通过对水泥固化土无侧限抗压试验结果的本构关系进行研究,并分析其破坏特征。首先,通过对破坏应变和破坏应力的相关性进行分析,得到幂函数可以作为一种有效的工具来拟合硫铝酸盐水泥固化土破坏应变和无侧限抗压强度值之间的关系。其次,通过对全应力应变曲线的拟合,用参数的变化表征水泥固化土从塑性到脆性的转变过程,得到在相同固化剂条件下水泥固化土随龄期的增加,脆性程度随之增加,随水泥掺量增加,试件脆性程度逐渐增加,而在不同石膏掺量下并非强度越高的组表现出试件脆性程度越高的特征。再次,对水泥固化土的破坏形式进行整理和归纳,得出六种基本的破坏形式以及相应规律,分别是侧向鼓胀斜剪破坏、表面贯通竖向裂纹破坏、多条竖向裂纹破坏、锥体破坏、一端斜剪破坏、整体贯通斜剪破坏。最后,基于能量守恒原理对主破坏面发生破坏时各部分颗粒间运动的能量耗散进行分析,表征土体在破坏过程中能量的转化和消耗机制,并得出水泥固化土呈斜剪破坏时各部分的运动耗能关系。
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