胡敏酸对水泥土的工程性状试验及机理探讨

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论文字数:43666 论文编号:sb2021102913502839225 日期:2021-11-19 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文通过水泥土的无侧限抗压强度试验来研究胡敏酸对水泥土强度的影响。在研究水泥土强度的变化规律时,发现胡敏酸的存在会使水泥土的强度出现明显的降低,其强度随着胡敏酸掺入量的增大而逐渐降低;随养护龄期逐渐增加的过程中,水泥土的强度先增大到峰值然后开始减小;提高水泥土试样中水泥的掺入比可以适当的削弱水泥土中胡敏酸产生的负面影响。

第一章 绪论

1.1 研究背景与问题的提出
1.1.1 研究背景
从第一次工业革命到如今全球化的信息时代,世界经济发展的速度也越来越快,但是由于当时认知的不够全面,在世界经济快速发展的同时也带来了较多的历史遗留问题,环境的污染是其中最为严重的问题之一。环境污染的影响不仅仅局限于对大气的污染,还包含对土地的污染。在土木工程建设的领域,相较于大气的污染而言,土地的污染问题显得更为严峻,为了使地基土满足承载力的要求,不得不对被污染的地基土进行加固处理。在国际建筑行业之中,使用固化剂对不良土质地基进行加固已经有了多年的历史,但是地基土的加固技术在我国才处于刚刚起步的阶段,很多理论与技术尚不成熟。由于近几十年来我国基础建设规模的日益扩大,不可避免的遇到了许多复杂的不良地基土需要进行加固处理,因此有关地基土加固处理方面的问题受到了越来越多专家和学者的关注和重视。
软土广泛分布在我国的大部分地区,其中我国典型的软土地区有上海、天津、广州、昆明和福州等。软土主要由淤泥、淤泥质土和泥炭等组成,这类土的共同点是其主要由细粒土组成,具有较大的压缩性,其中有机质的含量较高,且天然含水量较高,承载能力偏低,呈现软塑到流塑的状态,在地下的分布厚度由几米到几十米不等[1]。由于软土本身所具有的物理性质,使得软土地基的承载能力不足,在工程之中遇到时往往需要对其进行加固处理。
随着经济的快速发展和社会需求的日益增大等多方面的原因,在软土地区的高速公路、铁路、住宅、工厂和码头等基础设施的建设正在如火如荼的开展,如何对这种承载能力不足的软土地基进行加固处理成为土木工程行业中一个重要的研究课题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 水泥加固土体的研究现状
水泥土复合地基是指在天然地基土的基础上,人工加入水泥浆再进行搅拌而成,以达到增强地基土的承载力、强度和稳定性的目的。由于水泥土复合地基的工程造价相对较低,可以最大程度的利用原有地基土的潜力,减少工程中的土方开挖,施工操作简单方便,可靠度高,且具有对周围已有建筑物的影响较小等优点,被广泛应用于不良地基土房建的基坑工程、高速公路、高速铁路和沿海港口等的基础建设之中[9~11]。随着水泥土复合地基在全世界建筑基础领域内的广泛推广应用,国内外有关专家和学者对水泥土的固化机理和强度特性的研究也越来越多,并且取得了大量的研究成果。
Saitoh、 Bell 和 Gotoh[12~14]通过室内的试验研究了水泥土的强度增长来源,发现水泥水化产物会将土颗粒连接为一个整体,进而增大水泥土的强度。
汤怡新[15]通过大量的室内试验研究了水泥土中水泥质量分数和含水量与水泥土强度的关系,试验结果表明水泥土抗压强度主要由水泥土中水泥的质量分数决定,二者呈正相关的关系,但水泥土的强度与地基土中含水量的平方呈负相关的关系,且水泥土中水泥的掺入比存在一个临界值,当水泥掺入比低于临界值时会使水泥最终的加固效果不佳,严重的情况甚至会导致加固失效。
黄新[16]选择不同种类的土壤来制备水泥土试样,在控制其他条件都相同时,通过对水泥土试样孔隙水中的化学成分进行测量,发现由于不同种类土壤对 Ca2+和(OH)-的吸收能力不同,使得不同种类土制备的水泥土孔隙水中的 Ca(OH)2含量是不同的,且 Ca(OH)2含量都是不饱和的,进而造成水泥土中水泥的水化产物减少,水泥土的抗压强度降低。因此,水泥土强度的高低与土壤对 Ca2+和(OH)-的吸收能力的强弱息息相关,在对不同种类的土壤进行加固时,应该提前对地基土进行试验来确定最终的加固方案。
李文斌[17]分别从水泥的凝结硬化、离子吸附交换、碳化作用、火山灰反应和物理力学作用等五个方面研究分析了水泥土的固化机理,结果表明五个方面是互相影响、互相交汇的物理力学反应。根据试验结果,从机理分析的角度提出了增强水泥土抗压强度的方法,一方面应该重视水泥土的拌和过程,保证水泥土的含水量和拌和均匀性;另一方面是针对不同的地基土选用合理的外加剂,可以适当增强水泥土的强度。
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第二章 试验方案

2.1 研究目标
本论文主要研究胡敏酸对水泥土工程性状的影响及其机理。通过室内的强度试验来研究胡敏酸对水泥土强度的影响规律,并结合扫描电镜试验、X 射线衍射试验和压汞试验等微观试验的试验结果来辅助分析黏土颗粒、胡敏酸和水泥三者之间的相互作用机理。
试验操作顺序流程如下图 2-1 所示:
图 2-1  试验操作顺序
图 2-1  试验操作顺序
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2.2 理论依据
2.2.1 水泥土加固机理
水泥土是用水泥浆作为固化剂,使用搅拌桩机通过一定的压力将水泥浆压入土体中,使水泥浆和土颗粒在地下充分搅拌而成,经过水泥浆、地下水与土颗粒之间的一系列物理-化学反应,改变了原有土体的结构性能,使土体的强度、刚度和稳定性得到提升。
本试验中加固地基土时以水泥作为固化剂,其反应可分为水泥自身的水解与水化反应和水泥与土颗粒之间的反应两个部分。
(1)水泥的水解与水化反应
普通硅酸盐水泥中的主要矿物成分为:硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等,水泥中的矿物成分遇到水之后将发生水解与水化反应生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物,其主要化学反应过程如下:
2(3CaO•SiO2)+6H2O→3CaO•2SiO2•3H2O+3Ca(OH)2  (2-1) 
2(2CaO•SiO2)+4H2O→3CaO•2SiO2•3H2O+Ca(OH)2  (2-2) 
3CaO•Al2O3+6H2O→3CaO•Al2O3•6H2O  (2-3)
4CaO•Al2O3•Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaO•Al2O3•6H2O+3CaO•Fe2O3•6H2O (2-4) 
3CaSO4+3CaO•Al2O3+32H2O→3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O  (2-5) 
其中硅酸三钙在水泥中的含量最高,在水泥的全重中约占50%,其与水的反应产物是决定强度的主要因素;硅酸二钙在水泥的全重中约占25%,由于其活泼性不如铝酸三钙,与水的反应较慢,所以硅酸二钙的产物主要承担水泥的后期强度。上述反应进程在24h内已基本完成,水泥水解和水化反应生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙不仅本身具有较高的强度,而且具有较强的胶结性,可以填充于土颗粒之间的孔隙之中,将土颗粒胶结成一个整体,进而使得水泥土的强度得到增强。同时,水泥在水解和水化反应的过程中产生了大量的中间产物氢氧化钙,由于氢氧化钙化学性质活泼,部分氢氧化钙会在孔隙水中发生电离:
Ca(OH)2→Ca2++2OH-  (2-6) 
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第三章 无侧限抗压强度试验结果与分析 ··························· 33
3.1  引言 ······························· 33
3.2  试验方案 ······························· 33
3.3  无侧限抗压强度试验结果 ······························ 34
第四章 微观结构试验结果与分析 ································ 49
4.1  引言 ································· 49
4.2  扫描电镜试验结果与分析 ········································· 49
4.3 X 射线衍射试验结果与分析 ·································· 54
第五章 结论与建议 ·································· 63
5.1  结论 ···································· 63
5.2  对泥炭土水泥土研究的建议 ··························· 64
5.3  对今后使用水泥加固泥炭土的建议 ··························· 65

第四章 微观结构试验结果与分析

4.1 引言
水泥土是由水泥、土体和水组成的一个复杂的混合体,其强度增长的主要来源是水泥的水化反应产物,但其又与混凝土中水泥的凝结硬化机理存在较大的差别。在混凝土中由于有粗、细骨料的存在,可以使得混凝土的凝结硬化速度较快,而在水泥土中既有水泥本身的水化反应,又有水泥的水化产物与黏土中矿物质之间的反应,所以水泥土的凝结硬化速度慢于混凝土的凝结硬化速度。有关混凝土中水泥的固化机理研究已经较为完善,但是对含有胡敏酸水泥土的固化机理研究目前尚不完善,且其固化机理是研究胡敏酸对水泥土工程性状影响的一个重要组成部分,水泥土固化机理的改变正是引起其力学性能变化的重要原因,因此从水泥土固化机理的角度去了解水泥土内部微观结构的变化规律,对解释水泥土强度的变化规律极其重要。因此,从水泥土内部微观结构的角度去研究胡敏酸对水泥土的固化机理的影响具有深远的意义,也可以为工程做出科学有效的指导。
随着近现代科学技术的快速发展,学者们在进行科学研究时已经不满足于只使用传统的力学方法,越来越多的仪器开始被广泛的应用于试验研究之中。第三章主要利用胡敏酸掺入量、水泥掺入比和养护龄期的变化等三个变量来研究胡敏酸对水泥土强度的影响,得到了水泥土强度变化的规律性。本章节则借助于扫描电镜试验、X 射线衍射试验和压汞试验等微观试验的方法,结合微观试验和力学试验的试验结果来研究胡敏酸对水泥土工程性状的影响和固化机理。
表 2-1  试验用土的物理力学性质指标
表 2-1  试验用土的物理力学性质指标
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第五章 结论与建议

5.1 结论
在实际工程中使用水泥作为固化剂对泥炭土进行加固的应用非常广泛,但是在加固高有机质含量泥炭土时常常达不到理想的加固效果。为了研究泥炭土中胡敏酸对水泥土工程性状的影响及其机理,本文采用向冲洪积黏性土中添加胡敏酸的方法来模拟泥炭土,通过不同的水泥掺入比、胡敏酸掺入量和养护龄期等三个影响因素来研究胡敏酸对水泥土强度的影响,结合水泥土微观层的扫描电镜试验、X 射线衍射试验和压汞试验的试验结果和无侧限抗压强度试验的试验结果来研究胡敏酸对水泥土强度的加固机理,得到以下结论:
(1)通过水泥土的无侧限抗压强度试验来研究胡敏酸对水泥土强度的影响。在研究水泥土强度的变化规律时,发现胡敏酸的存在会使水泥土的强度出现明显的降低,其强度随着胡敏酸掺入量的增大而逐渐降低;随养护龄期逐渐增加的过程中,水泥土的强度先增大到峰值然后开始减小;提高水泥土试样中水泥的掺入比可以适当的削弱水泥土中胡敏酸产生的负面影响。
(2)通过扫描电镜试验、X 射线衍射试验和压汞试验等微观试验来研究胡敏酸对水泥土强度的影响机理。在掺入胡敏酸水泥土的微观结构图像中,水泥土的孔隙结构明显,水泥土本身的均匀性和水泥土颗粒之间的胶结性出现削弱;随着水泥掺入比的逐渐增大,胡敏酸产生的影响开始逐渐减小,其在微观图像中表示为水泥土中的孔隙结构逐渐被水泥的水化产物所填充,水泥土颗粒之间的胶结性增强;在掺入胡敏酸水泥土的 X 射线衍射试验结果分析中,发现水泥土中存在的胡敏酸会削弱水泥的水化反应,在低水泥掺入比时,水泥土中水化硅酸钙和水化铝酸钙的总量较低,随着水泥掺入的逐渐增大,水泥土中水化硅酸钙和水化铝酸钙的总量才开始增多,水泥土的强度也越来越高,试验结果也表明水泥水化产物水化硅酸钙和水化铝酸钙的总生成量与水泥土的强度具有良好的正相关性;在掺入胡敏酸水泥土的压汞试验结果分析中,发现随着水泥掺入比的逐渐增大,水泥土试样中孔隙的总体积稍有减小,产生这种现象的主要原因是水泥土中水泥的水化产物逐渐填充于水泥土内部的孔隙之中,且对水泥土强度产生较大影响的孔隙直径主要集中在 10nm~60nm、1000~3000nm 和 10000~40000nm 之间;随着水泥土中水泥掺入比的增大可以削弱胡敏酸造成的影响,却不能完全消除胡敏酸产生的影响。
参考文献(略)