纳米硅粉水泥土的工程特性及固化机理初探

将具有优异特性的纳米硅粉作为外掺剂应用于水泥土,基于室内试验,分析了纳米硅粉水泥土的强度和变形特性;在此基础上,探讨了纳米硅粉水泥土的固化机理,重点分析了纳米硅粉外掺剂在水泥土中的作用机理.     

纳米硅水泥土工程特性的试验研究

选取纳米硅作为水泥土的外掺剂 ,在大量试验的基础上 ,深入地研究了纳米硅水泥土的强度和变形特性。试验结果表明 ,纳米硅对水泥土强度的增强作用明显 ,对强度而言存在一合理的掺量范围 ,并应用正交试验和方差分析方法定量地分析了各影响因素对强度的贡献大小。最后讨论了水泥土的破坏应变、变形模量等指标与围压、抗压强度间的关系和统计规律     

SF对水泥土的影响初探

本文介绍了一种新型的软土地基处理剂──硅粉在水泥加固土中部分取代水泥后的试验结果，掺入硅粉后水泥用量可大幅度减少，水泥土强度有很大提高。对水泥土中ＳＦ的作用进行了探讨。     

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。     

掺砂水泥土的力学特性研究

通过室内掺砂水泥土的无侧限抗压强度试验,探讨在不同掺砂量、不同龄期条件下,其无侧限抗压强度发展规律。试验研究表明：在水泥掺量一定的条件下,掺入一定量的砂,可以明显地提高水泥土的强度。当水泥掺量为10%时,掺砂量为50%的水泥土强度达到最佳。而且根据实测的应力-应变曲线,详细地分析了掺砂水泥土的破坏形式为脆性剪切破坏,且随着掺砂量的增加,掺砂水泥土的剪切角逐渐增大。与此同时,还从不同的角度分析了掺砂水泥土无侧限抗压强度增长的原因,从而为工程应用提供了试验数据和理论依据。     

纳米硅水泥土破坏准则研究

首次把纳米硅基氧化物作为水泥土的外掺剂,在大量三轴试验的基础上研究了纳米硅水泥土在三维应力空间上及子午面的破坏迹线及其特征,建立了一种5参数水泥土的破坏准则。与实测破坏曲面（线）相比,结果表明该模型基本上反映了水泥土在各种应力下的几何破坏特性。     

纳米硅水泥土弹塑性有限元分析

试验表明水泥土中掺入适量的纳米硅材料可以大幅度地提高水泥土的抗压强度。在试验的基础上,得出纳米硅水泥土的屈服条件后,采用相关联的流动法则和塑性功硬化条件,建立了纳米硅水泥土的弹塑性本构关系方程。在此基础上,以空间轴对称为研究对象,采用三角形截面的圆环单元,应用虚功原理建立了轴对称条件下纳米硅水泥土有限元方程,用增量刚度法求解,且用Matlab软件编制了有限元程序,在三轴试验条件下验证了该程序的合理性。以某机场水泥土搅拌桩地基处理方法作为工程背景,应用不同纳米硅掺量的水泥土作为地基处理的新材料,与传统水泥土进行了比较,计算结果表明,纳米硅作为水泥土外加剂用于地基处理可有效地减少地基沉降,提高地基承载力,在相同上覆压力下纳米硅水泥土处理后的地基沉降小于普通水泥土材料。     

石棉纤维粉煤灰水泥加固软土试验研究

为研究石棉纤维加固软土的效果和机理,改善水泥土的脆性破坏特点,提出将石棉纤维的物理加筋作用与水泥、粉煤灰的化学加固作用相结合,通过对不同纤维掺量(0%~9%)的石棉纤维粉煤水泥复合土进行直剪试验、无侧限抗压强度试验、劈裂试验、扫描电镜试验,进而对石棉纤维加筋水泥土的强度性质和影响机理进行探讨。研究表明,石棉纤维配合水泥与粉煤灰能显著提高软土的强度和稳定性,改善水泥土的破坏形式。水泥粉煤灰配比一定时,石棉纤维增强水泥复合土各强度指标值存在最优掺量,纤维添加量在3%~6%之间,石棉纤维的加筋效果在水泥土中能得到很好的发挥,超过最优掺量则会降低复合土的强度值。     

水泥加固土的配比试验研究

通过对某拟建工程水泥加固土的室内配比试验，探求水泥土强度随水泥掺入比和龄期变化的增长规律，讨论不同水泥品种和水灰比及外掺剂地水泥土强度的影响程度，最后给出一种较为合理的配比方案和强度试验指标，为工程的设计和应用提供了可靠的工程依据，并对类似工程的加固具有一定的参考价值。     

水泥加固(改良)软土地基的研究

利用水泥作为固化剂以提高软土地基的强度和减少软土地基的变形, 已经为沿海软土地区建设中较为普遍地采用。一般通过粉喷或深层搅拌法, 把水泥掺加拌和到软土地基中, 使它和软土中的物质组分发生物理化学反应, 以收到加固效应。通过对现场和室内的水泥土样品进行对比试验及宏观和微观的对比分析研究, 搞清了水泥土加固软土的作用机理, 提出了用水泥加固提高地基强度和节约水泥用量的建议。     

Utilization of Silica Fume to Maximize the Filler and Pozzolanic Effects of Stabilized Soil with Cement

Silica fume is identified as a pozzolan and supplementary cementitious material that can utilize to improve the mechanical properties of stabilized soil with cement. Silica fume wherein mixes with cemented soil in a proper dosage, it is susceptible to induce pozzolanic effect in cemented soil due to its fineness and high content of SiO₂ and Al₂O₃. The pozzolanic effect is vital to ensure ongoing strength of stabilized soil with cement. Up to now, stabilization of clay with cement and silica fume is not completely explored. This paper investigates: (i) the capability of utilizing the silica fume as a supplementary material for cement to maximize the filler and pozzolanic effects of compacted and stabilized soil (ii) the mechanical properties of compacted and stabilized clay with various proportions of cement and silica fume. For this purpose, a total of 120 untreated and stabilized soil admixtures were prepared by replacing ordinary Portland cement with silica fume. The influence of partial replacement of cement with silica fume on the bearing capacity, shear and compressive strength of compacted and stabilized soil was investigated. To achieve such aims, the stabilized soil specimens were examined in laboratory under direct shear, unconfined compression and California bearing ratio tests. Based on the findings of this paper the 28-day UCS of the stabilized soil with 2% partial substitution of cement with silica fume is almost 3.5-fold greater than that of the untreated. It was found that the optimum mix design for the stabilized soil is 6% cement and 2% silica fume. In conclusion, a notable discovery is that the partial substitution of cement with 2% silica fume in the optimum mix design significantly refined the pore spaces as a result of pozzolanic activity and filler effect of silica fume.     

Silica fume stabilization of an expansive clay subgrade and the effect of silica fume-stabilised soil cushion on its CBR

ABSTRACT

Expansive soil subgrades, which are subjected to dual swell-shrink problem consequent upon absorption and evaporation of water, need to be improved by chemical stabilization or compacted cushion or geosynthetic reinforcement in order that pavements constructed over them are even, stable and safe. This paper presents extensive experimental data on plasticity, free swell index (FSI) and compaction characteristics of a highly swelling expansive clay stabilized with varying silica fume contents. In another series of tests on a laterite soil to be used as a cushion over the expansive clay subgrade, plasticity properties, compaction characteristics and strength characteristics were determined at varied silica fume contents. Further, CBR of the expansive clay subgrade was determined in the laboratory stabilizing it with varied silica fume contents and providing a cushion of 50 mm thickness of silica fume-stabilized lateritic soil. Liquid limit (LL), plasticity index (PI) and free swell index (FSI) of the expansive clay decreased with increasing silica fume contents. The compaction and strength characteristics of both the soils improved with silica fume stabilization. The CBR of the expansive clay provided with silica fume-stabilized cushion improved significantly.     

硅灰加固宁波软土的试验研究

为探索硅灰对软土的力学性质的影响,以宁波鄞州地区一种淤泥质黏土为试样,掺入不同量的硅灰,对硅灰加固土的力学性质和结构特征进行了测试。采用三轴不固结不排水剪切试验,测试分析了不同掺入量的硅灰加固土的应力应变关系,通过扫描电镜SEM照片分析了不同硅灰掺入量的硅灰加固土的结构特征。结果表明:(1)硅灰可以提高软土的黏聚力,黏聚力随着硅灰掺入量的增加而增大;(2)随着硅灰掺入量的增加,硅灰加固土的抗变形能力呈先增加后减小的趋势;(3)同一围压条件下,随着硅灰掺入量的增加,硅灰加固土的破坏偏应力逐渐增加;(4)随着硅灰掺入量的增加,硅灰加固土中大孔隙逐渐减少,小孔隙逐渐数量增加,孔径<1μm的小孔隙组分逐渐占优。     

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。     

侵蚀影响下水泥土的力学性质试验研究

港珠澳大桥拱北隧道地处沿海地区,其地下水与海水相连,隧道基底采用粉体喷射搅拌法和高压喷射注浆法等方法进行加固,加固产生的水泥土在海水侵蚀性离子作用下其强度和稳定性会发生变化,从而对工程安全产生影响。根据上述两种施工工艺,制作内部含侵蚀物质和不含侵蚀物质的两种水泥土试块,配制多种不同浓度的单组分的化学溶液来模拟海水侵蚀环境,将制备的水泥土试块置于侵蚀溶液中进行预定时间的短时（≤28 d）浸泡,通过无侧限抗压试验、电镜扫描以及离子色谱测定,分别得到了单组分侵蚀溶液短时浸泡下水泥土试块无侧限抗压强度、微观结构随侵蚀溶液浓度和侵蚀时间的变化规律,以及侵蚀环境中离子浓度随侵蚀时间的变化规律。基于海水化学成分,配制多种不同浓度的双组分的化学溶液来模拟海水侵蚀环境,将制备的内部含侵蚀物质的淤泥质土水泥土试块置于侵蚀溶液中进行预定时间的长时（≥90 d）浸泡,通过无侧限抗压试验得到了双组分侵蚀溶液长时浸泡下水泥土试块无侧限抗压强度变化规律。试验结果可为临时性及长期性水泥土工程的设计及安全维护提供一定参考依据。     

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。     

纤维硅灰水泥石强度与浆液抗冲刷特性

针对隧道突水灾害防治对注浆材料的特殊要求,在水泥浆中加入外掺剂改善其力学特性与抗冲刷特性。通过测试不同水灰比、纤维掺量、硅灰掺量下水泥石的抗压与抗折强度,得出各水灰比下的强度最佳配合比,并测试最佳配合比下浆液的流动性与抗冲刷特性。试验发现,纤维与硅灰的掺入能够显著提高水泥石的强度,且对浆液的流动度影响不大;低流速下纤维硅灰水泥浆的抗冲刷特性较纯水泥浆改善显著,但流速较高时其抗冲刷特性仍较差。基于此,在纤维硅灰水泥浆中再掺入可再分散性乳胶粉进一步改善浆液抗冲刷特性。试验结果表明,可再分散性乳胶粉能明显改善浆液抗冲刷特性,即使在较高流速（0.6 m/s）下,其浆液留存率仍达到60%以上。研究结果为隧道突水灾害防治与动水注浆浆液选择提供了参考。     

污水浸泡对水泥土强度和电阻率特性影响的试验研究

为了揭示污水对水泥土的影响规律,并尝试采用电阻率法作为描述强度和污染特征的手段,把粉质黏土和两种水泥（普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥）制作的水泥土试块分别浸泡在3种液体（自来水、生活污水、造纸厂污水）中模拟环境侵蚀。首先对比分析了污水对土体液塑限的影响,其次研究了龄期、水泥类型、污水类型等对水泥土抗压强度和电阻率的影响,考察了电阻率和抗压强度的关系。结果表明：污染后土样的液限、塑限均增大,塑性指数减小;水泥土抗压强度和电阻率均随龄期增加而增长;污水均降低了水泥土的抗压强度和电阻率,但是矿渣硅酸盐水泥土的抗压强度和电阻率均高于普通硅酸盐水泥土,说明在污水环境中,矿渣水泥对水泥土有一定的抗劣化能力;在不同的龄期、水泥类型、污水类型下,水泥土电阻率均与抗压强度呈现出一致的变化规律,二者线性相关。     

活性MgO碳化固化土的抗硫酸盐侵蚀性研究

既有研究表明,活性MgO固化土经CO2碳化几小时后其强度能达到甚至超过28 d的水泥固化土强度,碳化反应生成镁的碳酸化合物能有效降低固化土的含水率和孔隙率,提高土颗粒胶结能力。通过室内试验进一步研究碳化固化土的抗硫酸盐侵蚀特性。采用硫酸钠溶液、硫酸镁溶液浸泡碳化固化土,对浸泡不同龄期后的碳化固化土进行无侧限抗压强度试验和微观测试（XRD,SEM和MIP）,并与硫酸盐侵蚀后的水泥固化土进行试验对比。结果表明：活性MgO固化粉土碳化3 h,试样的无侧限抗压强度可达5 MPa左右,经硫酸盐溶液浸泡28 d后其强度基本保持不变,试样质量变化也不大;而水泥土试样的早期强度（7 d）则有一定增长,随龄期增长,强度大大降低,质量则明显增长。通过对硫酸盐侵蚀前后的碳化土的微观机制分析,发现活性MgO碳化固化土中的镁碳酸化合物的化学成分并未发生明显变化,孔隙结构也未明显改变,从而保证其强度稳定。因此,活性MgO固化粉土碳化后具有比水泥固化土更强的抗硫酸盐侵蚀能力。     

环境侵蚀下水泥土力学特性的时间效应分析

采用模拟试验的方法探讨了在各种环境因素(水、不同化学溶液、不同浓度以及不同pH值等)影响下的水泥土在各个龄期的力学特性,对其相应荷载位移曲线进行了分析和讨论。得到了水泥土在各种侵蚀环境下的力学特性与时间的关系,并对环境侵蚀条件下水泥土的强度增长规律进行了分析。结果显示各种环境因素对水泥土力学性质均有明显的影响。从时间效应看,随着水泥土中水泥的水化和水泥固化体的形成,侵蚀效应在逐渐减弱。