掺合粉煤灰的复合水泥土力学性能及耐久性试验研究

发布时间：2019-07-23 07:45

【摘要】：本文以内蒙古河套地区粉质粘土为原材料，利用水泥固化土技术原理，通过在水泥土中掺加粉煤灰，再利用强碱激发粉煤灰水泥土，配制具有高强度及耐久性良好的新型材料，以便应用于工程实际中。本文主要的研究工作有： 1、通过改变水泥土试验条件、改变水泥土成分，研究原材料对水泥土无侧限抗压强度的影响及掺加剂对水泥土强度的影响程度，总结水泥土强度变化规律。通过对水泥土、粉煤灰水泥土、复合水泥土进行渐进式的研究，设计配合比方案。 2、通过改变掺加物质及掺加物的用量更新试验方案，来改善水泥土性能。以水泥土中掺加粉煤灰为基础，重点研究如何提高粉煤灰水泥土及激发粉煤灰活性以后的复合水泥土的抗压强度及耐久性。对水泥土各掺加剂进行权重分析、各因素用量水平分析及试验的误差分析，得出粉煤灰水泥土及复合水泥土的组成成分对水泥土性质的影响权重，并对权重分析结果进行试验验证，使复合水泥土配合比得到进一步优化，设计出具有高强度的新型复合材料。 3、对三类水泥土进行渗透试验、冻融循环试验、抗冲刷试验研究，通过对三类水泥土养护不同龄期进行试验对比，得出不同水泥土，尤其是被激发后粉煤灰水泥土及改善后的复合水泥土的渗透性能及耐久性的变化规律。结合水泥土试验过程中的外观形态变化及对微观电镜照片进行分析，研究水泥土经过冻融破坏后，，抗压强度退化机理及内部结构的变化规律。由于水泥土属于粘脆性材料，因此研究水泥土的渗透性及耐久性具有重要的工程实际意义。 4、宏观上，对水泥土破坏的形态特征进行细致观察；微观上，利用扫描电镜技术及能谱分析技术，结合水泥土固化机理，深入分析标准养护后不同水泥土的生成物成分、数量、形态及结构的不同，找出不同水泥土无侧限抗压强度不同的内在原因。 5、从力学机理分析复合水泥土的改良效果。对复合水泥土进行反复加卸载试验，研究复合水泥土的应力应变变化规律、弹性模量的变化规律，通过研究损伤度计算方法，研究其损伤退化规律，建立单轴受压状态下复合水泥土的弹塑性损伤模型。根据室内试验并对试验结果深入研究分析，得出如下成果： 1、在用强碱激发粉煤灰水泥土的基础上，进行正交试验，得到复合水泥土的最优配合比为：土壤：水：水泥：粉煤灰：氢氧化钙：氢氧化钠：表面活性剂=60.7%：12.3%：10%：7.50%：9%：0.40%：0.10%。此试验方案得到标养28d水泥土无侧限抗压强度为11.04（MPa），结果非常理想，可用于实际工程中。各外掺剂因子的权重为：氢氧化钠为2.64、粉煤灰为2.62、氢氧化钙为1.47、表面活性剂为1.27，对试验数据进行方差分析，得出试验误差为0.57，偏差较小，结果可信度高。 2、通过掺加石灰这种碱性物质，可以大大提高粉煤灰水泥土抗渗性能。以掺加15%的粉煤灰为例，加入石灰的粉煤灰水泥土的渗透系数为1.87×10-8cm/s，是不加石灰的粉煤灰水泥土渗透系数的33%。由于粉煤灰、石灰是工程常见材料，从而得到一种针对河套地区粉质粘土抗渗性能良好的材料配比：水：水泥：粉煤灰：石灰：粉质粘土=12%：10%：15%：3.75%：59.3%。复合水泥土方案8的配比与加石灰粉煤灰水泥土相比，28d龄期的复合水泥土的抗渗性能提高了45%。 3、对复合水泥土不同试验方案进行了大量地冻融循环试验研究，得出不同冻融循环对水泥土抗压强度破坏的机理：冻融循环12次以后，水泥土强度损伤达到30%以上，循环20次以后，水泥土基本被完全破坏。结合复合水泥土冻融破坏的变形特征，得出了复合水泥土冻融破坏过程强度损失和质量损失的变化规律，对冻融后水泥土强度的变化规律进行拟合，得出拟合曲线方程。 4、结合SEM试验照片和能谱分析，观察了粉煤灰水泥土及复合水泥土的微结构特点，分析了复合水泥材料的生成物类别和形态，进一步分析了粉煤灰水泥土及复合水泥土的固化机理，从本质上找出了复合水泥土抗压强度性能、抗渗性、耐久性优于水泥土的内在原因。 5、通过对不同类别不同龄期的水泥土进行反复加卸载试验，并对试验数据进行采集，分析水泥土与复合水泥土的应力应变不同及变化规律，推导应力应变本构方程；根据试验数据，分析复合水泥土的细观损伤机制及其损伤演化规律，定义并得出复合水泥土这种新材料的损伤度，建立单轴压缩条件下的弹塑性损伤模型。
【图文】：

内蒙古河套灌区区域图

掺合粉煤灰的复合水泥土力学性能及耐久性试验研究内容、试验方案及水泥土固化机理材料试验用土样取自内蒙古河套地区的粉质粘土，内蒙古冀东水泥厂生5 普通硅酸盐水泥作主料，以托县电厂丰富的 F 类、Ⅰ级粉煤灰作辅料、氢氧化钠及表面活性剂作为掺加剂，研究水泥土和掺加不同外掺剂后的变化，着重研究掺加粉煤灰的基础上水泥土的各项性能的变化，改良套地区粉质粘土的高性能复合水泥土。土样的选取蒙古河套地区是一个封闭断陷盆地，拥有发育巨厚的细粒泥砂质沉积物非常丰富，如图 2 所示：

土样的宏观结构及微观结构

表 3 粉质粘土的颗粒分析Table 3 Analysis of particle silty clayd /mm 5>d>2 2>d>1 1>d>0.5 0.5>d>0.25 0.25>d>0.075 0.075>d>0.005 D≤0.005P/% 0.01 0.21 5.58 11.27 26.87 39.35 16.71将所取土样风干、碾碎、过粒径为 2mm 的标准方孔筛，放在 SEM 电镜下做能谱分析，可以观察土样的微观结构及土样的元素组成。土样的宏观结构见图 3（a），土样的微观结构见图 3(b)，对土样元素进行能谱分析，组成见表 4。土样的主要化学成份物质有 SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K、长石等。Ca2+Mg2+CO32-HCO3-CL-SO42-K+pHcmol/kg cmol/kg cmol/kg cmol/kg cmol/kg cmol/kg cmol/kg0.73 1.62 0.01 0.69 4.49 5.78 8.37 8.26
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU521.3

【引证文献】