煤系偏高岭土复合水泥土工程特性及相关机理研究

发布时间：2020-04-05 00:36

【摘要】：水泥土因其原土利用率高、价格低廉、施工方便、加固形式灵活、环境效益好等优点,在工程建设领域得到了广泛应用。随着社会经济的发展,工程建设环境日益复杂,对水泥土的强度、抗渗透性、耐久性等工程特性提出了更高的要求。此外,水泥的大量生产导致能量过度消耗、原材料日益枯竭,且造成了严重的环境污染。为此,寻找合适的外掺剂提高水泥土工程特性成为水泥土工程研究的热点问题。煤系高岭石是与煤伴生的高岭石资源,多以夹矸的形式存在,常被当作矸石废弃。山西是我国的产煤大省,省内大量的矸石堆存不仅占用耕地,而且对周围环境造成了严重的污染。本课题以煤系高岭石在800℃温度下煅烧40min形成的偏高岭土部分替代水泥,测试了煤系偏高岭土对水泥砂土和水泥粉土强度、渗透、耐硫酸盐腐蚀等宏观特性及水化产物的化学成分、微观结构和孔隙结构等细观特性的影响,揭示了煤系偏高岭土改善水泥土工程特性的微观机理,得到了以下有益结论:(1)通过对5种煤系偏高岭土掺量的水泥土分别养护至7d、28d、90d进行无侧限抗压强度测试,得出掺入煤系偏高岭土可有效改善水泥砂土及水泥粉土的无侧限抗压强度,最佳煤系偏高岭土与水泥质量比为1:6~1:4。在最佳配合比范围内,水泥砂土7d强度可提高84.55%,28d强度可提高112.9%,而90d强度可提高64.35%;水泥粉土7d强度无显著提高,28d强度可提高77.15%,90d强度可提高66.95%。(2)通过对5种煤系偏高岭土掺量的水泥土分别养护至7d、28d、90d进行常水头渗透试验测试,得出煤系偏高岭土可有效改善水泥砂土及水泥粉土的抗渗性能,最佳煤系偏高岭土与水泥质量比为1:6~1:4。在最佳配合比范围内,水泥砂土7d龄期渗透系数可降低48.86%,28d渗透系数可降低76.48%,90d渗透系数可降低84.63%;水泥粉土7d龄期渗透系数可降低40.13%,28d渗透系数可降低69.51%,90d渗透系数可降低85.27%。(3)通过对5种煤系偏高岭土掺量的水泥土分别在5种浓度的硫酸钠溶液中养护至28d和90d进行无侧限抗压强度测试,得出掺入煤系偏高岭土使各浓度硫酸钠污染水泥土的强度均得到显著提高,随着煤系偏高岭土掺量的增加,水泥土强度呈先增加后减小的变化规律,当煤系偏高岭土掺量为3%时,水泥土强度达到最大值。煤系偏高岭土水泥土抗硫酸钠腐蚀性能最佳的硫酸钠浓度阈值为18g/L,低于该浓度对复合水泥土强度有提高作用,高于该浓度将导致水泥土强度降低。(4)通过对5种煤系偏高岭土掺量的水泥土分别在5种浓度的硫酸钠溶液中养护至28d和90d进行电阻率测试,得出掺入煤系偏高岭土对水泥土电阻率具有提高作用。随着煤系偏高岭土掺量的增加各浓度硫酸钠溶液养护的水泥土电阻率均呈先增加后减少的趋势,当煤系偏高岭土掺量为3%时水泥土电阻率达到峰值。随着硫酸钠浓度的增加,煤系偏高岭土复合水泥土电阻率呈现先增加后减小的变化趋势,当硫酸钠浓度为18g/L时,水泥土电阻率达到峰值。通过分析证实煤系偏高岭土复合水泥土的腐蚀强度与电阻率具有强相关性,可通过电阻率进行煤系偏高岭土复合水泥土的无损检测。(5)通过对不掺煤系偏高岭土和掺入3%、5%煤系偏高岭土的水泥土的化学成分及微观结构测试,证实煤系偏高岭土复合水泥土中发生了火山灰反应,使水泥土中CH含量降低,胶凝性产物C-S-H数量增多,且由高n(Ca)/n(Si)的针状、絮凝状不稳定状态向低n(Ca)/n(Si)的胶凝状高强度、稳定的状态转变。(6)通过对硫酸钠溶液养护的不掺煤系偏高岭土和掺入3%、5%煤系偏高岭土的水泥土化学成分分析和水化产物微观结构测试,发现28d龄期掺入煤系偏高岭土使水泥土中参与硫酸钠腐蚀的CH含量及膨胀性产物数量减少,水泥土的抗硫酸钠腐蚀性提高。(7)通过理论分析以及微观试验研究,证实煤系偏高岭土改善水泥土工程性质的机理在于二元胶结材料(水泥和煤系偏高岭土)最大密实度的形成,煤系偏高岭土的火山灰作用及其物理填充作用所导致的微观结构密实的界面区以及孔隙结构及力学性能得到有效改善的复合结构体。
【图文】：

太原理工大学博士研究生学位论文性、结晶度等的影响；另一方面是偏高岭土对水泥基材料岭土在水泥基材料中应用的研究现状。材料来源种由硅氧四面体和铝氧八面体通过共用氧原子层叠堆砌构形式见图 1-2，理论化学式为 A12O3·2SiO2·2H2O，，A12O3(39.5％)，H2O(13.96％)[98]，，通常含有 Fe2O3、TiO2、质，在世界上有 60 多个国家和地区均有高岭土分布[99]。

图 1-3 不同高岭土的外观Figure 1-3 Appearance of different Kaolin1.3.2 偏高岭土在水泥基材料中的应用高岭土经过煅烧形成的偏高岭土粒径小，且具有较强的火山灰性质，科研人员将其在砂浆、混凝土及水泥土中的作用效应及机理进行了广泛研究，其中偏高岭土在砂浆、混凝土中的应用研究已趋成熟，在水泥土中的应用还处在探索阶段。姜广等[113]研究了偏高岭土对高强度水泥砂浆物理力学性能的影响，试验结果表明偏高岭土的火山灰活性高于硅灰，由于其不规则的颗粒形貌会降低新拌砂浆的流动度，降低水泥砂浆的抗折强度，但是能提高水泥砂浆的抗压强度和抗渗性能；曾俊杰等[114]比较了偏高岭土和硅灰部分替代水泥后，养护不同龄期对水泥砂浆干缩性能的影响，结果表明偏高岭土可改善水泥砂浆的干缩性能，而硅灰水泥砂浆的干缩量则呈先减小后增大的变化趋势；李福海等[115]研究了偏高岭土及粉煤灰等量替代水泥对活性骨料膨胀的抑制作用及机理，结果表明掺入 20%的偏高岭土即可抑制碱骨料反应，而粉煤灰则需要
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU52

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本文编号：2614281