W-OH砒砂岩固结体干湿循环特性及其细观机理研究

发布时间：2020-09-21 16:18

　　砒砂岩地区是黄土高原生态环境最脆弱、土壤侵蚀最剧烈的区域,也是黄河中游粗沙的主要来源区之一。本研究采用W-OH(亲水性聚氨酯材料)对砒砂岩进行固结处理,而抗干湿循环能力是检验固化土耐久性能的重要指标。土体经多次干湿循环作用后抗压强度降低,这对砒砂岩地区的建筑物地基、道路边坡和路堤工程的长期稳定性有重要影响,因此研究干湿循环作用下W-OH砒砂岩固结体的强度与微结构的变化具有重要意义。本文基于取样于内蒙古准格尔旗皇甫川流域内的二老虎沟小流域的砒砂岩试样,通过室内物理力学试验和微观结构分析,研究了不同W-OH浓度和不同干湿循环次数作用下砒砂岩固结体的无侧限抗压特性和三轴抗压特性,并通过称重法、SEM和EDS对其干湿循环后的质量损失、微观结构和元素成分进行分析,主要研究成果如下:(1)基于无侧限抗压强度试验,研究了 W-OH砒砂岩固结体的无侧限抗压强度、弹性模量与干湿循环次数、W-OH浓度的关系;利用三轴不固结不排水试验,得到了不同干湿循环次数作用后W-OH砒砂岩固结体的应力-应变关系曲线具有应变软化特征。结果表明,W-OH砒砂岩固结体的无侧限抗压强度、弹性模量和黏聚力在1～3次干湿循环后升高,这是因为在1～3次干湿循环过程中仍有部分W-OH胶结体在水中继续固化;在3～9次干湿循环,固结体的力学强度降低,这是因为W-OH胶结体充分固结,随着干湿循环次数增加,部分低粘结力的W-OH胶结体脱离;9次之后,剩下高粘结力的W-OH胶结体包裹于砒砂岩颗粒表面,力学强度趋于稳定。内摩擦角在1～9干湿循环上下波动,9次干湿循环以后趋于稳定,这是因为前期W-OH胶结体未固化完全,随着干湿循环次数增加,胶结体的固化、破坏和流失达到稳定。(2)针对W-OH砒砂岩固结体重塑样品(12次干湿循环后重塑)力学特性分析,通过无侧限抗压强度试验和三轴不固结不排水试验,发现W-OH砒砂岩固结体重塑土的无侧限抗压强度相比于重塑前下降很多,这是因为重塑前固结体颗粒和颗粒之间以W-OH胶结体相连,具有较高的粘结力;重塑后的W-OH胶结体被破坏,土颗粒与颗粒之间的粘结力急剧降低,宏观上造成W-OH砒砂岩固结体重塑土的无侧限抗压强度明显下降。而对于同一含水率下重塑固结体的无侧限抗压强度、粘聚力和内摩擦角随着W-OH浓度的增大而逐渐增大。这是因为W-OH胶结体包裹在砒砂岩颗粒表面,而高浓度W-OH胶结体使砒砂岩颗粒之间具有更高粘结力,即使在经过重塑(土颗粒经过完全破坏)后,仍表现为较高的宏观力学强度。(3)针对5%浓度W-OH浓度砒砂岩固结体在不同干湿循环次数下的微观结构进行分析,发现W-OH包裹在砒砂岩表面以增大土颗粒之间的粘结力,宏观表现为土样抗压强度和黏聚力的增大;经过干湿循环后,W-OH胶结体从土颗粒表面脱落,导致土颗粒间的粘结力降低,宏观变现为土样抗压强度和黏聚力的减小。考虑到土样中C元素的含量均来自于W-OH,通过称重法和EDS能谱仪(测试C元素)分别对其宏观质量亏损和细观W-OH破坏流失进行分析。发现干湿循环后W-OH砒砂岩固结体强度降低主要是因为包裹在砒砂岩表面的W-OH胶结体的破坏和流失,并在9次干湿循环后达到稳定。这与上述所无侧限抗压强度、弹性模量、黏聚力随循环次数增加而变化的规律相似。可以判断W-OH砒砂岩固结体能在9次干湿循环后形成稳定的微观结构且W-OH不再流失,可将此强度、弹性模量和黏聚力作为后期土体评估的重要参数。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

砒砂岩,分散图

生的巨大压力，对岩体微结构产生极大破坏，在干燥条件下抗侵蚀性能较强，逡逑但极易遭到水流侵蚀，从而导致砒砂岩具有易侵蚀性，遇水溃散，变成砂土逡逑（图１．１），国内外文献都俗称为砒砂岩，但以砂土类型进行研究。综上所述，逡逑长石、蒙脱石和方解石是造成砒砂岩抗侵蚀性能差的根本原因，而侵蚀后的石逡逑英则成为黄河流域粗泥沙的重要来源之一。逡逑表１．１砒砂岩化学成分析（％）逡逑序号逦Ｓｉ０２逦ＡＩ２Ｏ３逦ＭｇＯ逦ＣａＯ逦Ｔｉ０２逦Ｆｅ逦Ｋ逦Ｎａ逡逑１逦６５．４２逦１１．８７逦１．７０逦２．６０逦０．３８逦２．７２逦２．９８逦２．２３逡逑２逦６６．７９逦１１．３９逦１．０４逦６．４２逦０．２６逦２．３３逦１．６８逦３．３５逡逑３逦６３．１７逦１１．９９逦１．３８逦５．９２逦０．３４逦２．７９逦１．５５逦３．３４逡逑４逦６１．９７逦１０．２８逦１．６９逦６．４０逦０．５２逦３．３４逦１．４３逦３．０７逡逑５逦６０．６５逦１０．２６逦２．２０逦８．４４逦０．８７逦４．３３逦１．３１逦２．９３逡逑６逦５４．１１逦８．１０逦０．７７逦１３．０３逦０．２３逦１．０８逦２．４５逦２．０６逡逑水蚀是造成砒砂岩侵蚀的主要原因，砒砂岩遇到水时，其物理和力学性能逡逑显着下降，在没有水时硬度较高，特别容易受到水、风、重及冻融侵蚀逡逑而此地风沙暴频繁，地形分散，大雨集中，植被贫瘠，气候干燥，土壤侵蚀非逡逑常严重，导致近些年平均约２亿ｔ泥沙从砒砂岩区进入黄河，黄河下游每年平逡逑均淤积量的２５％粗泥沙来自砒砂岩区，大约１亿由于区域大量的泥沙进入逡逑黄河，被中外专家称为“世界水土流失之最”［２］，并且水土流失也被公认为严重逡逑影响了黄河在该流域的生态环境

标本,钳子,干湿循环,水箱

样品放入水箱中，向水箱中加入实验室温度温水２０±３°Ｃ蒸馏水，覆盖样品，将逡逑透明玻璃或塑料包装放在水箱上，将水覆盖的样品在２０±３°Ｃ下储存２３小时逡逑（如图２．２ａ），然后将他们转移到试验台上的托盘自然条件下风干２小时（如逡逑图邋２．２ｂ）。逡逑WW逡逑（ａ）固结体在水箱中浸润逡逑１４逡逑

砒砂岩,固结体,应力应变曲线,无侧限抗压

湿循环下Ｗ－ＯＨ与砒砂岩固结体抗压强度的应力应变曲线，并测得其含水率稳逡逑定在８％？１０％之间。这里有代表性的选取０次、３次、５次、７次和１２次干湿循逡逑环下的Ｗ－ＯＨ砒砂岩固结体的数据进行整理，从图２．４邋（ａ）邋－邋（ｄ）可以得到了逡逑如下结论：逡逑１６逡逑

【参考文献】