石灰及其外加剂固化天津滨海软土的试验研究

天津滨海软土力学性质较差,不能直接满足工程需要,在软土中加入固化剂能有效提高软土的工程力学性能,但若在固化剂中再添加适量外加剂,又能再次提高固化土的强度。本文以石灰作为主剂,水泥、石膏作为辅剂改良天津滨海软土,以无侧限抗压强度作为固化效果判断标准,同时进行相应的微观结构测试,并对破坏后的试样进行抗压试验。试验结果表明:水泥的最佳掺量仅随石灰掺量不同而变化,如12%的石灰固化土中,水泥掺量不超过3%可以最好地提高石灰固化土强度; 石膏则不能改善土体强度,并且会使土体水稳定性差,遇水开裂。纯石灰固化土及掺外加剂的石灰固化土都是低压缩性土,各种力学性质都得到明显提高,其破坏形式为脆性破坏,破坏后强度很低且不能恢复,在实践中值得重视。微观结构分析表明:固化土中有CSH网状胶凝(水化硅酸钙)、针状钙矾石、无定形文石(CaCO3)、Ca(OH)2晶体等能够填充孔隙、胶结颗粒的物质生成,有效、适量的生成物有利于固化土强度的提高。土体中总孔隙个数及总颗粒个数都随荷载的增加而增多,孔隙面积、孔隙等效直径及颗粒等效直径都随荷载的增加而减少。     

冻融循环对固化铅污染土强度与孔隙特征影响的试验研究

水泥基固化剂封闭是近年来重金属污染修复治理的主要技术手段之一。冻融循环作用是影响水泥固化重金属污染土力学特性的重要外营力。本文以人工制备的铅污染土为研究对象,结合冻融实验和室内土工试验,研究冻融循环作用对铅污染土无侧限抗压强度的影响。结果表明:随着水泥掺量的增大,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度增大,破坏应变减小;随着铅离子掺量的增大（污染程度升高）,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u降低,应力-应变曲线变化趋势更加相似;水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u随冻融频次的增大而降低;相同冻融频次条件下,随着水泥掺量的增加,水泥固化铅污染土的无侧限抗压强度q_u损失率降低。基于SEM图像对固化铅污染土进行微观结构定量分析,表明随着冻融次数的增加,试样中细颗粒（< 1 μm）和细孔隙（< 2 μm）所占比例均提高。冻融作用对土体结构的破坏可能是导致土样无侧限抗压强度q_u降低的主要原因。     

超细水泥对固化软土早期抗压强度影响的试验研究

为研究超细水泥含量对水泥固化软土的早期力学性能的影响,本文通过在普通水泥中加入不同掺量的超细水泥组成复合水泥固化剂用以固化软土。具体研究不同超细水泥掺量、不同初始含水率、及不同养护围压条件下,复合水泥固化剂对固化软土早期抗压强度及刚度的影响。采用自制K₀围压养护装置(施加不同轴向压力的方式)、无侧限抗压强度仪(UCS)、X射线衍射仪(XRD)、电镜扫描仪(SEM)和低场核磁共振孔隙测试仪(NMR)等试验手段获取复合水泥固化软土不同龄期的抗压强度、刚度及微观结构的变化规律,并揭示其固化机理。研究结果表明:(1)相同轴向压力作用下,随着超细水泥掺量的增加,固化软土的抗压强度和弹性模量均有提高,其中复合固化剂中的活性颗粒发生水化反应生成大量胶凝产物用以黏聚土颗粒和填充孔隙,惰性颗粒用于填充土颗粒间的孔隙;(2)随着含水率的提高,固化软土中孔相对发育,从而使固化软土结构致密性减弱,抗压强度降低;(3)在K₀围压养护7d时,固化软土的抗压强度和弹性模量随着轴向压力的提高而增加,表明养护围压对软土颗粒的压缩作用能提高固化软土的密实性,同时围压对固化软土产生有效应力,与水化产物共同促进固化软土形成密实的土骨架,进而使其在7d内具有较高的抗压强度。基于试验结果,建立轴向压力、含水率和超细水泥掺量等多因素的固化软土强度预测公式,并提出复合水泥固化软土结构模型,为工程实践提供理论基础。     

冻融循环条件下水泥固化铅污染土强度模型研究

以冻融循环条件下水泥固化铅污染土为研究对象,通过室内试验研究冻融条件下水泥固化铅污染土的抗压强度特性。试验结果表明：水泥固化铅污染土的强度随水泥掺量增大而增大,随冻融循环次数的增加先略微增加,达到峰值后,随冻融循环次数的增加而快速减小,最后趋于稳定。随着冻融循环次数的增加,不同铅离子浓度的固化铅污染土的强度损失量不同,并表现出在相同水泥掺量下,铅离子浓度为0.5%的固化污染土抗压强度损失量最小。通过回归分析,建立了水泥固化铅污染土强度随冻融循环次数变化的预测模型,为实际工程提供理论参考。     

钾盐和磷酸盐对固化土早期强度的影响研究

利用土壤板结原理,通过对硫铝酸盐水泥固化土无侧限抗压强度试验和水稳定性试验,探讨钾盐、磷酸盐对其早期强度的影响规律;通过X射线衍射（XRD）对固化土的物相成分进行了分析,探讨钾盐、磷酸盐影响固化土强度的变化内在机制。试验结果表明,钾盐、磷酸盐对固化土强度提高的阈值为0.6%,当盐掺入量低于该阈值时,固化土强度会随着盐掺量的增加而提高,当盐掺入量超过该阈值时,固化土强度会逐渐降低。盐掺入量不超过2%时,掺盐固化土水稳定性与未掺盐固化土差不多,7 d固化土软化系数基本保持在70%以上,但掺入K2SO4的固化土水稳定性较差,软化系数在60%左右。生成高强难溶具有膨胀性的矿物晶体是掺盐固化土早期强度提高的主要原因,但盐掺入量过高,固化土中矿物晶体过多膨胀作用,破坏固化土结构,而使固化土早期强度降低。     

水泥-矿渣-粉煤灰固化淤泥的水分转化规律及其固化机理研究

为研究石膏激发的水泥-矿渣-粉煤灰固化淤泥的力学强度与水分转化过程的演变规律,从本质上揭示水泥-矿渣-粉煤灰对淤泥的固化机理,通过无侧限抗压强度、抗剪强度试验探究水泥/矿渣/粉煤灰配比、固化剂掺量、养护龄期对固化淤泥土强度的影响,结合核磁共振弛豫分析(NMR)、矿物成分分析(XRD)、微观结构分析(SEM)探究结合水量、水化物种类、微观形貌随养护龄期的变化规律,并建立无侧限抗压强度q_u、抗剪强度参数c、tan φ与结合水量C_w的函数关系。结果表明：14 d龄期内较高水泥配比(20%)的固化土强度显著高于低水泥配比(5%)固化土,其早强效应归功于水化物的大量生成,结合水量大幅提高,14 d龄期后5%水泥配比固化土强度增长迅速并超过20%水泥配比固化土强度。从宏观力学强度看,较高水泥配比(20%)固化土q_u、c、tan φ均与龄期对数lg t呈线性增长关系,低水泥配比(5%)固化土则呈幂型函数关系;从微观水分转化角度分析,高低水泥配比固化土的结合水量与抗压强度、抗剪强度参数的函数关系相同,即q_u-C     

应用碱性水泥外掺剂固化天津海积软土的试验研究

天津海积软土具有高含水量、低强度、高压缩性、低pH值等特征,不能直接满足工程建设需要,必须进行人工处理。在水泥土搅拌法中使用适量碱性外掺剂NaOH或Na2CO3,可以提高桩身水泥土强度和复合地基承载力,同时能节省大量水泥,降低工程费用。现场试验中将海积软土与分别掺入0.5%NaOH和0.5%Na2CO3的10%水泥就地搅拌,形成两种新型水泥土,在与原状土及20%纯水泥土进行比较后,发现碱性外掺剂可以促使生成大量针状、棒状或纤维状水化硅酸钙晶体,抑制了能产生膨胀作用的钙矾石的生成,同时,有Ca(OH)2晶体析出,它们共同构成土颗粒间和土颗粒表面的充填物和包裹物,使水泥固化土的孔隙明显减小,密度和强度得到极大提高。检测结果显示水泥土强度提高了20%以上,复合地基承载力不小于120kPa。     

淋滤条件下GGBS-MgO固化铅污染黏土强度与溶出特性研究

以粒化高炉矿渣粉-氧化镁（GGBS-MgO）固化铅污染黏土为研究对象,通过半动态淋滤试验,对GGBS-MgO在酸雨作用下的强度特性及溶出特性进行研究。通过对GGBS-MgO固化铅污染黏土半动态淋滤后pH值、针刺深度、无侧限抗压强度及浸出液中[Pb]、[Ca]、[Mg]元素浓度的测试,分析淋滤液初始pH值、掺量以及含铅不含铅对GGBS-MgO固化土强度特性的影响,讨论了初始淋滤液pH值、固化剂掺量对GGBS-MgO固化铅污染土累积铅、钙、镁溶出质量以及铅有效扩散系数的影响规律。结果表明,半动态淋滤试验使试样无侧限抗压强度qu较标准养护39 d试样降低了2%～53%,且淋滤液初始pH=2对试样qu影响最大;在相同掺量、相同淋滤液初始pH值时,GGBS-MgO固化未污染土半动态淋滤后qu较水泥固化未污染土qu提高了12%～43%;且当固化剂掺量为18%时,固化铅污染土强度特性较水泥有明显优势,约为水泥固化铅污染土强度的1.3～1.8倍;且相同配比时,淋滤液初始pH=2表层的pH值约为pH=3、4、5、7的1/2;随着淋滤液初始pH值、半动态淋滤后qu及内部pH值的增加,针刺深度减小;针贯入阻力与qu存在幂指数关系。此外,累积铅、钙、镁溶出质量随着初始淋滤液pH值、固化剂掺量的增加而减少,在初始淋滤液pH=2时,Ai,Pb、Ai,Ca、Ai,Mg分别约为pH=3、4、5和7的29～222倍、1.7～4.4倍和12.0～80.3倍;固化剂掺量为12%时的累积溶出质量约是18%掺量时的1.1～2.0倍;铅有效扩散系数De随着初始淋滤液pH值的增加而降低,初始淋滤液pH=2时的De比pH=3～7的De高约3～5个数量级;且低于水泥固化铅污染土De,当初始淋滤液pH=7时,GGBS-MgO固化土De相比于水泥固化土低1～2个数量级。     

玄武岩纤维对水泥固化软土性能的影响研究

水泥固化软土是工程中一种常见的地基处理方法。然而众多工程实践表明,仅利用水泥加固软土,其早期强度偏低,且随着养护龄期的增长水泥固化土体积收缩,易造成工程土体的沉降和开裂等问题。本研究选用玄武岩纤维与水泥共同固化软土,探究玄武岩纤维对水泥固化土强度以及收缩性能的影响。本试验制备了不同水泥掺量、不同玄武岩纤维掺量的固化土试样,对各龄期条件下试样的无侧限抗压强度及收缩性质进行测试,结合力学性质及收缩特征,确定最佳的水泥及纤维掺量。并结合试样的微观结构特征来分析,考虑纤维对水泥固化土强度及收缩变形影响的机理。结果表明：纤维的加入能有效提高水泥土的强度,改善其收缩性。纤维在试样中随机离散分布,纤维的存在可起到一种“桥梁”作用,与水泥的水化产物一起充填于土样孔隙中,使得土颗粒间充分连接起来,限制了颗粒间的位移,提高了试样的强度,抑制了试样的收缩,提高了土体整体的稳定性。研究成果可为软土的有效固化处理及高效利用提供理论及实践参考。     

水泥基渗透结晶型防水材料对硫铝酸盐水泥固化土性能影响及机制分析

水泥土固化过程中Ca2+浓度会随水化反应的进行而逐步降低,导致水泥颗粒未完全水化,固化土强度增长受限,而水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）中活性物质能催化未水化水泥颗粒反应。选择硫铝酸盐水泥（SAC）为胶凝材料、CCCW为添加剂,通过单掺与复掺的方式,结合X射线衍射（XRD）、电镜扫描（SEM）表征,分析了固化土的无侧限抗压强度、水稳定性、耐干湿循环性能及微观结构。结果表明,复掺16%混合料（4%CCCW+12%SAC）的固化土强度是同掺量下单掺SAC固化土强度的1.5倍,且比单掺20%SAC的固化土强度高1.41 MPa;复掺16%混合料（4%CCCW+12%SAC）的固化土泡水2～8 d软化系数平均达0.97,而同掺量下SAC固化土平均仅为0.73;单掺的固化土强度随干湿循环次数增加逐级降低,而复掺混合料的固化土强度呈波浪式发展;CCCW中活性物质能增加固化土中钙矾石生成量并修复微裂缝,钙矾石长径比显著增大,可直接连接两个甚至多个土颗粒,形成三维网状结构,显著提高结晶体的微观加筋、骨架及填充作用,改善SAC固化土强度、水稳定性及耐干湿循环性能。     

Mechanical behavior and micro-structure of cement kiln dust-stabilized expensive soil

In this study, the effects of cement kiln dust (CKD) on the swelling properties, strength properties, and microstructures of CKD-stabilized expansive soil were investigated. Samples were prepared and stabilized with different CKD content ratios, ranging from 0 to 18% by dry mass. The results obtained show that the maximum swelling pressures decrease exponentially with increases in CKD content. Both the cohesion and unconfined compressive strength (UCS) increase at ratios below 10% CKD and then decrease slightly, above that ratio. CKD can also improve the strength of saturated, expansive soil. There is no visible change of UCS for soil without CKD when cured, while the UCS of a sample with 10% CKD content after curing for 90 days is higher than that after curing for only 1 day. This indicates that CKD can improve the long-term strength of expansive soil. Finally, microstructure analysis reveals that the addition of CKD reduces the montmorillonite content of expansive soil and decreases its swelling properties. The addition of CKD also changes the pore volume distribution, both the size and amount of macro-pores and micro-pores decrease with increase in CKD content. For saturated samples, the size of macro-pores is obviously reduced, while that of micro-pores is slightly increased for both treated and untreated soils. Hydration and saturation processes make the soil structure become dispersive which results in a lower strength, and adding CKD can restrain this process. The suggested optimal CKD content is between 10 and 14% and with a curing time of more than 27 days.     

硫酸钠对水泥土的强度及微观孔隙影响研究

通过不同含量的硫酸钠水泥土抗压强度测试,分析硫酸钠对水泥土X射线衍射（XRD）物相成分改变的化学反应过程,对比分析经Image-ProPlus6.0（IPP）软件处理前、后的微观扫描电镜试验（SEM）图像,计算放大200倍下SEM图像的孔隙平均直径分布规律,探讨硫酸钠对水泥土宏观强度与微观孔隙的影响规律。结果表明,硫酸钠充分参与了水泥土的固化过程,促进了Ca(OH)2、CaSO4、CaCO3与C-A-S-H等水化产物的生成;水泥土强度随硫酸钠含量增加而增大,在含量等于9g/kg时达到最大值;硫酸钠使水泥土的孔径分布发生改变,放大200倍下水泥土微观图像孔隙率随着硫酸钠含量的增大呈减小趋势;当硫酸钠含量小于9g/kg时,生成的水化产物使水泥土的结构呈现较强的粒状-镶嵌-胶结结构,对强度有利,当硫酸钠含量较大时,水化产物产生的膨胀力大于胶结力,使其强度下降。     

超微粒子水泥加固软土试验研究

应用和研发各种固化材料,对软土进行固化和改性,以改善其工程特性是当今国际上研究的热点课题。通过室内试验,研究了一种新型超微粒子水泥材料（ALOFIX-MC,简称MC）加固软土的效果,分析了其加固和改性机制。试验中,MC以0 %、1 %、2 %、3 %、4 %和5 %的掺量分别掺入到水泥掺量15 %和石膏掺量2 %的软土试样中,配制了6组试样。室内无侧限抗压强度试验结果表明,在15 %掺量的普通水泥土中掺入少量MC就可以显著提高软土的强度和稳定性。扫描电镜（SEM）分析表明,MC的胶结填充作用和MC对水泥水化的促进、孔隙的填充以及其本身的表面吸水作用对加固效果有重要影响。研究成果为进一步提高水泥土的工程性质和减少常规水泥土中水泥掺量提供了一条新的途径。     

水泥复合偏高岭土稳定粉砂土力学特性试验研究

使用低成本高硅铝矿物掺合料可在提升水泥土工程性能的同时降低水泥用量。通过开展系列抗压强度试验研究了水泥偏高岭土掺比、水/水泥偏高岭土比、凝胶总掺量和养护龄期对水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度的影响规律,归纳了水泥复合偏高岭土稳定粉砂土的强度经验公式。结果表明：将水泥和偏高岭土按质量比5:1混合用于粉砂土稳定时可获得最佳强度提升,节约1/6水泥消耗,且该掺比关系不因凝胶总掺量变化而改变;水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随水/水泥偏高岭土比增加近似线性降低,随凝胶总掺量增加线性提升,随龄期发展而提高,其28天强度增加趋势仍未趋缓;总结归纳了四个关于强度影响因素的经验预测公式。该研究成果可为水泥偏高岭土用于复合稳定工程软弱土提供理论参考。     

水泥改良土的拉伸强度特性及其计算方法

水泥改良土具有强度高、变形小、施工操作简单、质量控制容易和经济效益显著等优点,被广泛应用于路基填筑、基坑回填、边坡防护和地基换填。水泥土裂缝影响路基工程的正常运行,甚至可能危及铁路路基安全。因此,铁路路基设计需要对路基填土的抗拉强度有一定程度的了解,水泥改良土抗拉强度的确定具有重要意义。水泥改良土的抗裂性能是影响工程应用的重要因素,拉伸强度是衡量水泥土抗裂性能的关键指标。本文基于常规无侧限压缩仪自行设计了直接测量水泥改良土拉伸强度的单轴拉伸试验方法,系统地研究了水泥掺量（A）、龄期（t）、含水率（w）和干密度（ρ_d）对水泥改良土单轴拉伸强度（σ_t）的影响,水泥改良土的单轴拉伸强度随水泥掺量、龄期和干密度增加而增加,随含水率增加而减小,建立了水泥改良土的单轴拉伸强度与e_t/A（e_t是水泥改良土的孔隙比）之间的指数函数关系。结合水泥改良土的无侧限抗压强度和基质吸力的测试结果,建立了单轴拉伸强度与无侧限抗压强度和基质吸力之间的相关关系。     

有机质固化土的强度及微观结构试验研究

通过无侧限抗压强度试验对比分析了有机质含量、水泥和石膏掺量对水泥固化土和XGL2005固化土强度形成规律的影响。分析结果表明,XGL2005固化土的强度均不同程度地高于水泥固化土的强度,而且强度增长也快于水泥固化土。结合抗压强度试验和扫描电镜试验分析了固化土微观结构变化和强度发展之间的对应关系。     

石灰-水泥复合土增强机制研究

利用比强度方法分析水泥土及石灰水泥土无侧限抗压强度,对石灰水泥土的增强机制进行了研究。采用内蒙古河套粉质黏土拌制水泥土及石灰水泥土试件,水泥土和石灰水泥土掺入不同量的氢氧化钙、碳酸钙和水泥,并按标准养护28 d,进行单轴抗压试验,测得水泥土及石灰水泥土的无侧限抗压强度值。研究结果表明：石灰水泥土和水泥土中存在化学胶凝和物理填充两大类作用。其中石灰水泥土中存在水化作用、硬凝作用、离子交换及团粒化作用和复合作用等4类化学增强作用;水化作用是水泥土和石灰水泥土强度增长的最主要来源;熟石灰能够抑制水化作用。     

用固化剂GX08加固杭州海湖相软土的强度特性研究

为了验证固化剂GX08加固杭州海湖相软土的效果及考察有机质对水泥固化的不利影响,对固化土的强度特性进行了试验研究。结果表明,有机质的添加会显著阻碍固化土强度的增长,而固化剂GX08能有效增强固化土的强度;固化土强度与有机质含量存在二次函数关系,与水泥掺量呈线性关系,与固化剂GX08掺量和龄期都以对数函数的形式相关;将总灰水比C/W用于固化土强度模型的建立,通过对试验数据的分析与整理,建立了同时考虑固化土中有机质含量、水泥掺量、固化剂掺量和龄期影响的固化土综合强度预测模型。最后对模型进行了推广使用,验证了模型的适用性。