改性糯米灰浆材料流变性及其结石体力学性能研究

2017年九寨沟“8·8”地震导致火花海钙华坝受损,而针对自然遗产地的加固材料须为生态环保材料,研发的糯米灰浆采用支链淀粉团聚石灰、石膏与硅粉,达到了加固钙华坝的目的。为满足九寨沟钙华地区坝体加固对注浆材料的要求,在传统糯米灰浆中加入外加剂、硅灰、石膏改善其流变性与力学性能。改变糯米灰浆中石灰/石膏质量比(0、0.11、0.25、0.43、0.67),通过常规剪切(0.01～100 s^-1)与循环剪切(0.01～300 s^-1)测定流变曲线,分析改性糯米灰浆的流变性与触变性。此外,对改性糯米灰浆结石体的力学特性进行研究,并利用扫描电子显微镜分析结石体的微观结构。结果表明：石灰/石膏质量比由0变化到0.67,浆液最大黏度降低了84.7%～91.3%,其对应剪切速率逐渐增大;改性糯米灰浆属于带屈服值的假塑性流体材料;与Bingham模型相比,Herschel-Bulkley模型能更好地描述改性糯米灰浆的流变性;改性糯米灰浆具有触变性,石灰组份的掺入导致浆液的触变性降低,与黏度受影响规律相仿;触变性受剪切历史控制,呈现出随剪切循环次数的增大而降低的...     

基于改性糯米灰浆的3种锚杆锚固性能对比研究

锚固浆液的类型及其与杆体、土体的兼容协调性问题是土遗址锚固领域的研究焦点。由糯米浆为胶凝主材和由黏土、粉煤灰为填充料组成的改性糯米灰浆与木锚杆、玻璃纤维增强塑料锚杆、钢筋锚杆组成了3种锚固系统。通过对3种锚固系统的原位锚固、拉拔试验和界面应力-应变监测,分析比较了3种锚固系统的破坏模式、极限荷载、荷载-位移特征,剖析了杆体-浆体界面应力分布传递规律和界面测点应变对荷载时步的响应程度。在初步分析其锚固机制的基础上,最终得出了此类基于改性糯米灰浆的3种锚固系统的锚固性能的优劣完全取决于杆体-浆体的受力机制、变形和强度特征所决定的力学兼容性的结论。该研究成果为以糯米浆为主材的改性浆液在土遗址锚固领域中的应用提供了依据和参考。     

复合改性水玻璃固化黄土机理研究

对复合改性水玻璃溶液固化黄土进行了试验研究,并通过化学组成和矿物成分分析、微观结构分析探讨了复合改性水玻璃固化黄土的机理。试验结果表明:复合改性水玻璃固化黄土的强度有明显提高; X射线衍射图谱中密集低矮的非晶质物相峰群仍存在,但是部分矿物衍射强度比普通水玻璃固化的有所升高; SEM图像显示胶凝材料特有的裂纹减少,黏结比较紧密; MIP数据显示复合改性后孔隙表面积增大,最可几孔径减小。复合改性水玻璃溶液固化黄土的强度增加的机理在于:K+的加入使生成的聚合物增多,胶凝裂纹减少、黏结趋于紧密,促使了最可几孔径的减小和小孔隙的增多,强化了骨架颗粒的连接强度,并将骨架颗粒黏结成为一个空间网状整体,从而改善了土体的强度。     

冻融循环对硅酸钠固化黄土力学性质的影响

硅酸钠作为一种灌浆材料,常被用于湿陷性黄土的固化工程。冻融循环会影响季节冻土区固化黄土的结构,从而导致其力学性质发生变化。以兰州黄土为研究对象,分别对冻融循环前后掺量为3%的硅酸钠固化黄土进行压汞试验和力学强度试验,从强度、刚度、能量耗散和土体微观孔隙结构等方面探讨冻融循环作用对硅酸钠固化黄土力学特性的影响。结果表明：一方面,冻融作用会增大土中平均孔隙直径,降低微孔隙含量,导致土样产生裂隙;另一方面,硅酸钠反应生成的Na⁺在水分梯度作用下迁移至土样和裂隙表面并重结晶,上述作用破坏了土颗粒间胶结,最终大幅度劣化了固化黄土力学性能。随着冻融次数的增加,硅酸钠固化黄土无侧限抗压强度在单轴加卸载过程中的能耗值、弹性变形量和滞回环回弹模量均呈现下降趋势,冻融20次后强度降幅高达85.33%,而能耗均值与回弹模量均值分别为未冻融状态下的8.68%和20.70%,即固化土消振性与刚度大幅劣化。鉴于此情况,季节冻土区盐渍黄土硅酸钠的固化处理措施应慎重使用。     

黄土抗震陷变形的酸改性方法及其微观结构分析

低黏性粉质黄土的架空弱胶结微结构,导致这种黄土在动荷载作用下呈现出强度低、震陷变形大的现象,为黄土场地地基处理提出了挑战性的技术难题。黄土结构改性是通过改变其微观结构,达到有效降低震陷变形和湿陷性等为目的。本文采用酸改性方法处理黄土,即通过加入有较强分散和胶结效果的硼化合物作为主要改性物质;加入轻质碳酸钙等填料,调整原状土的颗粒粒径级配;以磷酸稀释液调解土的pH值。对改性土样进行震陷等试验测试对比,确定最佳配方,同时分析改性前后微观结构和能谱的变化。结果表明,酸改性方法能有效改善黄土的微观结构,使得土样的震陷变形系数明显降低。并且所添加的改性原料无毒,不会对土层产生污染。     

疏浚淤泥流动固化土的压汞试验研究

采用压汞法对疏浚淤泥流动固化土进行了微观孔隙结构的研究,分析了固化土的孔隙体积及入口孔径分布特征与固化材料掺量及固化土龄期的关系,并将微观试验结果与固化土的物理指标和强度特性进行了比较。结果表明,采用压汞法研究疏浚淤泥流动固化土的微观孔隙空间分布是成功的,压汞试验得到的微观孔隙特征与众多学者通过宏观力学试验得出的强度规律是一致的,微观结构试验能够很好地解释宏观物理力学性状。随着固化材料掺量的增加和龄期的增长,淤泥固化土的孔隙体积和D50孔径明显减小,入口孔径分布特征亦发生了相应变化。所得流动固化土的入口孔径主要分布在0.01～10 ?m之间,最大分布孔径在0.5～2 ?m之间。     

温度改性水玻璃固化黄土机制研究

硅化法是湿陷性黄土地基处理的主要化学方法之一,为了提高固化效果需要对水玻璃溶液进行改性。对温度改性水玻璃溶液固化黄土进行了试验研究,并通过化学组成和矿物成分分析、微观结构分析探讨了温度改性水玻璃固化黄土的机制。试验结果表明：在20～80 ℃范围内,随着温度的升高,水玻璃固化黄土的强度有明显提高;X射线衍射图谱中部分矿物衍射强度降低并出现密集低矮的非晶质物相峰群;SEM图像显示随着温度的升高凝胶薄膜增多;MIP（压汞试验）数据显示,随着温度的升高,孔隙表面积增大。水玻璃溶液固化黄土的强度随温度增加的机制在于：生成的非晶质物相和凝胶薄膜随着温度的升高而增加,促使最可几孔径的减小和小孔隙的增多,强化了骨架颗粒的连接强度,并将骨架颗粒黏结成为一个空间网状整体,从而改善了土体的强度。     

遗址土劣化进程中微观结构变化的类比研究

长期的风化会使遗址土体劣化,进而威胁到遗址本体的安全,但在自然条件下这一演化过程尚不明确。遗址土体微观结构的变化是该过程的重要体现,研究选取风化条件近似而暴露时间不同的黄土质边坡作为类比对象,采用扫描电镜法（SEM）和压汞法（MIP）分别对表部以及内部土样的微观孔隙结构进行观察和量测。试验结果表明,表部土体微观结构的变化程度大于内部土体,并呈现一定的规律性;与内部土体相比,表部土体的土颗粒排列为致密的叠片状;其孔径分布为双峰模式,团聚体内孔隙占比较大;随着风化时间的增长,表部土体的孔隙总体积和表面分形维数逐渐减小,导致孔壁粗糙程度降低,减小了颗粒间的摩擦,在宏观上容易诱发土体表层的剥离损耗或其他病害。     

复合改性水玻璃加固黄土微观特征研究

进行压汞试验和SEM-EDS试验研究复合改性前后水玻璃加固黄土,分析其孔隙分布特征、颗粒和孔隙形态以及胶结物形态和化学元素含量,探讨宏观力学特性与微观特征的联系。压汞测试结果表明,改性前后加固黄土具有相近的孔隙分布特征,入口孔径主要分布在0.06～8 ?m之间,大、中、小和微孔隙分界值分别为8、2、0.06 ?m,加固时生成的凝胶填充作用不显著。SEM-EDS测试结果表明,改性后黄土仍保持其粒状、架空、接触-胶结结构不变,但加入硅酸钾材料后黄土颗粒表面变得粗糙并吸附有絮状物,EDS数据显示K元素含量随着硅酸钾掺入量的增加而增大,且试样无侧限强度与K元素百分含量正相关。研究还表明,土的颗粒联结强度和结构形态特征是导致黄土宏观力学性质差异的本质原因,在复合改性水玻璃加固黄土时在保持黄土架空孔隙基本不变的前提下,生成的含K凝胶在改变颗粒表面形态的同时强化了骨架颗粒之间的连接强度,从而改善了土体的强度。     

复合改性水玻璃加固黄土微观特征研究EI北大核心CSCD

进行压汞试验和SEM-EDS试验研究复合改性前后水玻璃加固黄土,分析其孔隙分布特征、颗粒和孔隙形态以及胶结物形态和化学元素含量,探讨宏观力学特性与微观特征的联系。压汞测试结果表明,改性前后加固黄土具有相近的孔隙分布特征,入口孔径主要分布在0.06~8μm之间,大、中、小和微孔隙分界值分别为8、2、0.06μm,加固时生成的凝胶填充作用不显著。SEM-EDS测试结果表明,改性后黄土仍保持其粒状、架空、接触-胶结结构不变,但加入硅酸钾材料后黄土颗粒表面变得粗糙并吸附有絮状物,EDS数据显示K元素含量随着硅酸钾掺入量的增加而增大,且试样无侧限强度与K元素百分含量正相关。研究还表明,土的颗粒联结强度和结构形态特征是导致黄土宏观力学性质差异的本质原因,在复合改性水玻璃加固黄土时在保持黄土架空孔隙基本不变的前提下,生成的含K凝胶在改变颗粒表面形态的同时强化了骨架颗粒之间的连接强度,从而改善了土体的强度。     

改性糯米灰浆的室内研究及在九寨沟钙华地质裂缝修复中的应用

我国有着大面积的钙华地区,国内外学者对钙华的形成及影响因素进行了大量的研究,但针对钙华地区地质裂缝生态修复材料及工艺还鲜有研究。文章以九寨沟风景区震后地质裂缝为研究对象,结合水文条件及钙华颗粒的性质,在传统糯米灰浆的基础上,通过掺入不同比例的原料、改性剂及一定级配的钙华颗粒,研制出一种性能优良的灌浆材料,并对其流动性、凝结时间、抗压强度及抗折强度进行测试。室内试验表明:该材料具有流动性好、凝结时间可控、强度高、可水下浇筑等特点;空气中养护试样的各项指标均优于水中养护的试样。优选裂缝修复配合比为:糯米浆0.6~0.64份、石膏1.19份、石灰0.29份、钙华颗粒1份、改性剂1# 0.07份、改性剂2# 1.19%份,浆液可泵期63~86 min,初凝时间74~98 min,终凝时间92~125 min。改性糯米灰浆在九寨沟修复裂缝、加固崖体现场修复试验中取得了良好的效果,将流水漏失量由原来的50%降低至3%,较好的恢复了瀑布景观。应用表明改性糯米灰浆与钙华颗粒具有较好的相容性,可改善钙华颗粒的原生孔隙结构,促进钙华景观的生长。     

生石灰改良黄土的微观机制试验研究

为探究石灰掺量对黄土强度的影响规律及其微观机制,采用不同比例的生石灰对黄土进行改良。开展了直剪试验、压汞试验及扫描电镜测试,定性和定量分析素黄土及不同石灰掺量改良黄土的强度特性和微观结构变化规律,并对石灰改良黄土的微观机理进行较为深入的分析。结果表明:石灰改良黄土的抗剪强度参数随着石灰掺量的增大出现先增大再减小的变化规律,在石灰掺量约为8%时,其黏聚力和内摩擦角达到最大值;石灰的掺入使黄土骨架颗粒之间及其表面附着的胶结物逐渐增多,孔隙被胶结物质填充,土体中的不稳定孔隙逐渐减少,整体性增强;但当石灰掺量过大时,多余的石灰会堆积于团粒之间,影响团粒之间的胶结。石灰改良黄土强度提高的原因是石灰水化反应生成的胶结物质增强了土颗粒之间的胶结程度,增大颗粒间的相互摩擦,使土体结构更加稳定,提高土体强度;石灰掺量过高时,改良黄土抗剪强度降低是因为过量的石灰影响了土颗粒之间的胶结作用。研究成果既是对黄土强度特性及微观结构理论研究的丰富与充实,又可以为改良黄土工程设计的相关参数选取提供参考依据。      

不同龄期下粉煤灰水泥土的UU抗剪强度试验研究

针对不同养护龄期对于粉煤灰水泥土抗剪强度影响的问题,采用不固结不排水三轴剪切试验从宏观力学的角度分析养护龄期对粉煤灰水泥土的影响,结合SEM试验和XRD试验从微观角度分析试样内部结构与物质成分。试验结果表明:从宏观角度分析,粉煤灰水泥土的应力-应变曲线呈现应变软化型,试样的抗剪强度随养护龄期的增加逐渐增大且28 d的抗剪强度最大,同时,由于试样内部各物质之间的反应随养护龄期的增加而持续进行,龄期越长试样内部各物质之间的胶结作用越强,致使试样的内摩擦角和黏聚力随养护龄期逐渐增大;从微观角度分析,试样内部生成的结晶物质(钙矾石)与胶凝物质(C-S-H凝胶)等填充试样内部的大孔隙且相互黏结,导致试样愈加密实,抗剪强度增大。本文旨在为粉煤灰等材料固化黄土的抗剪强度提供试验依据,为粉煤灰等工业副产品在工程中的应用提供参考,对粉煤灰的利用和环境保护具有参考意义。     

活性氧化镁−微生物固化黄土试验研究

以活性氧化镁和微生物共同作用固化的黄土试样为研究对象,通过含水率、无侧限抗压强度、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）等试验,研究了活性氧化镁掺量、养护龄期和初始含水率对固化试样含水率、无侧限抗压强度、固化产物和微观结构等的影响。结果表明：固化试样含水率随氧化镁掺量增加和养护龄期增长而降低;无侧限抗压强度随活性氧化镁掺量（5%～20%）增加而增大,随龄期发展总体上不断增大,但当氧化镁掺量为10%和15%时,后期强度稍有降低;当氧化镁掺量为5%和10%时,无侧限抗压强度随初始含水率增加而减小,而当氧化镁掺量为15%和20%时,无侧限抗压强度随初始含水率增加先增大后减小。XRD和SEM结果显示,随着氧化镁掺量增加,水化后未进一步反应的氢氧化镁越多;反应生成的水合碳酸镁具有膨胀性和胶结性,对土颗粒间缝隙进行填充,并将土颗粒胶结在一起。     

Hydromechanical characteristics and microstructure of unsaturated loess under high suctionEI北大核心

联合压力板仪和蒸汽平衡法在全吸力范围内对原状与重塑黄土进行持水特性试验,使用非饱和三轴仪对高吸力下的原状与重塑黄土进行剪切试验,同时采用扫描电镜仪(scanning electron microscope,SEM)和压汞仪(mercury injection apparatus,MIP)进行微观试验,探讨了非饱和黄土结构性差异对其水力力学特性的影响。试验结果表明:随着吸力的增大,原状和重塑土的饱和度、含水率均减小,孔隙比稍有减小。由于原状及重塑黄土的初始孔隙比基本一致,因此两者压汞试验总进汞量接近。由扫描电镜和压汞试验得到的原状及重塑黄土的孔隙结构形态及优势孔径范围不一样,结构性有所差异,导致土-水特征曲线在不同吸力范围内呈现不一样的规律。原状和重塑土的应力-应变关系多呈软化现象,吸力为3.29 MPa的重塑土呈硬化现象。且随着吸力的增大,原状和重塑土的黏聚力和峰值强度均明显增加,体变由剪缩趋向剪胀现象。由于原状土具备一定结构性,胶结作用较强,其黏聚力的增幅会大于重塑土,峰值强度也高于重塑土,而两者的内摩擦角基本一致。     

改良花岗岩残积土进失水能力及接触角试验研究

花岗岩残积土的进失水能力与其软化崩解的特殊力学特性息息相关,现有的改良土研究都着重于土体宏观力学与微观结构的变化,忽视了固化剂对土颗粒表面性质的影响。为了探索固化剂改良后的花岗岩残积土进失水能力及三相接触角的变化规律,开展了水滴入渗试验、接触角测量试验、进水试验和失水试验,并结合扫描电镜和红外光谱方法,定性及定量分析了花岗岩残积土在不同固化剂作用下微观结构和化学成分的变化规律对花岗岩残积土进失水能力的影响机制。结果表明:（1）不同含量的改良剂能不同程度地影响花岗岩残积土表层斥水性能;随着固化剂掺量的提高,土体的表面斥水性增强,三相接触角变大,进失水能力减弱;固化剂改良土体的效果依次为石灰、水泥、高岭土,且改良土体的进失水能力变化与土体表面斥水性和三相接触角的变化有明显的相关性。（2）改良花岗岩残积土进失水能力的变化由土体内部结构的改变以及表面性质的改变共同导致。（3）水泥和石灰主要依靠离子的交换团聚作用、土壤固化剂对土颗粒的包裹作用、硬凝反应以及碳酸化作用减弱土颗粒外部的双电层及其表面自由能,使土体斥水性和初始接触角变大;而高岭土主要依靠自身对水分子的吸附作用,对土体的斥水性和接触角影响不大。结果可为固化剂改变土体表面性质导致的接触角变化规律提供一定科学依据,也为不同渗透需求的实际工程选取改良剂提供一定参考。     

冻融循环作用下富平黄土微观结构几何类型变化研究

冻融循环作用可通过影响寒区土体结构致使基础设施发生破坏,而导致工程失稳宏观现象的根源来自于冻融作用改变了土体的微观结构。为探索冻融作用下土体微观结构变化规律,将富平黄土作为研究对象,分别对其进行0、4、6、8、10、50、100次冻融循环下的电镜扫描观测试验,得到对应次数下的微观照片,对其从颗粒形态、连结方式、排列形式对孔隙的影响三方面进行分析,并且将微观照片中出现的颗粒接触方式以几何模型的方式进行归类,研究几何模型随冻融循环次数增加后的变化规律。结果表明：随着冻融循环次数的增加,土颗粒大小朝着均一性的方向发展,平均粒径呈先减小后增大趋势;颗粒的连结形式从面胶结为主逐渐演变为点接触为主最终再回归为面胶结为主;土体在0~6次冻融循环时孔隙率呈下降趋势,6~8次冻融循环时孔隙率快速上升,之后随着冻融循环次数的增加孔隙率逐渐减小;粒状粒子几何模型变化规律从棱边接触逐渐过渡为粒面接触,扁平状粒子几何模型变化规律从初始粒面接触为主逐渐演变为棱边接触为主,最终再演变为粒面接触。     

基于石灰石粉钙源的微生物固化砂土试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）作用是一种新型的土体改良技术。钙源作为MICP反应中重要的反应物,对微生物诱导碳酸钙沉积的效果有重要的影响。目前应用最广泛的钙源——氯化钙（CaCl2）,具有成本高,环境污染性大的缺点。为此,文章提出利用石灰石粉提取钙源,通过在石灰石粉中加入乙酸溶液,释放钙离子用于微生物固化土体。通过开展无侧限抗压强度试验以及微观结构的扫描电镜观测、碳酸钙含量测定等分析,验证利用石灰石粉提取的钙源用于微生物诱导碳酸钙沉积作用固化土体的可行性,同时与醋酸钙和氯化钙固化砂柱进行了对比分析。研究结果表明：（1）石灰石粉用于微生物固化土体具有可行性,固化后砂柱的强度和碳酸钙含量较高,结构完整性高;（2）不同钙源固化砂柱的力学特性不同但均呈典型的脆性破坏模式,其中醋酸钙固化砂柱的无侧限抗压强度略高于石灰石钙源固化砂柱,氯化钙固化砂柱的无侧限抗压强度则远低于前两者且表面更加粗糙,孔隙更多,破坏后的完整性更低;（3）不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量不同。醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱的碳酸钙含量相近,而氯化钙固化砂柱中碳酸钙含量较低。不同钙源固化砂柱的碳酸钙含量和无侧限抗压强度基本呈正相关关系;（4）醋酸钙和石灰石钙源固化砂柱中砂土颗粒的表面和接触点间均沉积大量碳酸钙,碳酸钙晶体主要为薄片状堆叠的方解石。氯化钙固化砂柱中碳酸钙沉积量低于前两者,碳酸钙晶体主要为六面体状的方解石;（5）不同钙源主要通过影响微生物成矿过程的晶型、晶貌、晶体含量、晶体分布及胶结特征来改变固化效果。