基于分形理论的固化土微观结构变化特性

为探究海洋环境中不同离子对固化土微观颗粒结构的影响,研究了钢渣+水泥固化土与水泥固化土在侵蚀环境下微观颗粒结构变化特点。选取海水中影响较大的3种离子对固化土试样进侵蚀性试验,对不种侵蚀龄期的试样进行电镜扫描,借助OpenCV图像处理软件对扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)图像进行处理,获得土体微观颗粒结构的形态特征,与试样无侧限抗压强度(unconfined compression strength, UCS)相结合,得到固化土微观颗粒结构变化与宏观强度变化的相互关联特性。研究结果表明：(1)在Mg²⁺作用下水泥固化土(CS)、掺激发剂的钢渣水泥固化土(A-SSP-CS)、钢渣水泥固化土(SSP-CS)的宏观强度变化与微观颗粒结构变化具有一定的相关性,且相关性在前期优于后期;(2)在Cl^-环境下CS、A-SSP-CS的宏观强度变化与微观颗粒结构变化在整个试验阶段内体现出较好的相关性,SSP-CS的宏微观相关性前期优于后期;(3)在SO₄^2-环境下,CS、A...     

硅灰改良钢渣-水泥土强度特性及固化机理研究

利用钢渣粉替换部分复合硅酸盐水泥从而改良海相软土,可将钢渣变废为宝并解决钢渣堆放所造成的环境污染问题,但钢渣粉活性低、凝结速度慢和早期强度低等缺点造成其在实际工程中应用不广泛。试验采用不同比例的硅灰改良钢渣粉固化海相软土;并与未掺入硅灰的海相软土进行比较。试验结果表明,掺入硅灰的试样无侧限抗压强度(UCS)有明显提高。当硅灰掺量在1.5%~2.5%之间时,强度变化最为灵敏,表明硅灰可有效改良钢渣-水泥软土力学特性。通过X射线衍射(XRD)测试发现不同硅灰掺量下,反应物的物相变化与无侧限抗压强度变化相吻合。通过扫描电镜(SEM)测试和能谱测试,分析了固化土的微结构特点。     

硅灰改良钢渣-水泥土强度特性及固化机理

利用钢渣粉替换部分复合硅酸盐水泥从而改良海相软土,可将钢渣变废为宝并解决钢渣堆放所造成的环境污染问题,但钢渣粉活性低、凝结速度慢和早期强度低等缺点造成其在实际工程中应用不广泛。试验采用不同比例的硅灰改良钢渣粉固化海相软土;并与未掺入硅灰的海相软土进行比较。试验结果表明,掺入硅灰的试样无侧限抗压强度(UCS)有明显提高。当硅灰掺量在1.5%~2.5%之间时,强度变化最为灵敏,表明硅灰可有效改良钢渣-水泥软土力学特性。通过X射线衍射(XRD)测试发现不同硅灰掺量下,反应物的物相变化与无侧限抗压强度变化相吻合。通过扫描电镜(SEM)测试和能谱测试,分析了固化土的微结构特点。     

固化吹填土的渗透性及其分形维数的定量研究

为了研究固化吹填土的渗透性与分形维数之前的关系,采用自配固化剂对上海横沙岛东滩吹填土进行固化,对不同养护时间和不同固化剂含量的吹填土进行室内渗透试验和电镜扫描试验得到固化吹填土的渗透系数和微观图像。通过相应的图像分析处理软件对固化吹填土的微观图像进行处理和分析,运用分形理论得出固化吹填土的粒度分维D_(ps)、孔径分维D_(bs)和颗粒定向分维D_(di),对固化吹填土的渗透性及其微观分形维数之间的关系进行定量分析。研究表明:吹填土在固化过程中,粒度分维逐渐减小、孔径分维和颗粒定向分维逐渐增大,粒度分维D_(ps)、孔径分维D_(bs)和颗粒定向分维D_(di)与固化剂掺量λ和龄期T密切相关;粒度分维D_(ps)越小、孔径分维D_(bs)和颗粒定向分维D_(di)越大,固化吹填土的渗透性越低;渗透系数k与三种分形维数具有很好的线性关系,相关系数R~2都在0.95以上。     

硅酸盐水泥调剖剂粒度分形维及其与封堵性能的关系评价

基于粗集料粉体颗粒的Fuller堆积模型及分形理论,评价了4种硅酸盐水泥调剖剂实测和模型计算的粒度分布分形维及其与封堵性能的关系。结果表明,测试粒度分布与Fuller法计算结果均有偏差,粗颗粒比细颗粒的含量高。测试的4种样品粒度分布分形维2.079 4~2.233 3,小于Fuller法计算结果拟合得到的分形维数2.6。4种样品空隙率62.46%~65.01%,固化抗压强度22.1~25.5 MPa,硅酸盐水泥调剖剂颗粒粒度分布分形维数越大,其空隙率越小,颗粒堆积结构越紧密,固化后的抗压强度越高,调剖的封堵能力和抗后续注入水冲刷能力越强。调剖工程设计中,可将测算的粒度分布及分形维数作为硅酸盐水泥调剖剂种类选择、封堵性能评价的参考依据。     

基于分形理论的疏浚淤泥固化土孔隙结构定量化研究

在分析疏浚淤泥固化土试样累计进汞曲线及SEM照片的基础上,基于分形理论,求得疏浚淤泥固化土孔隙结构的分形维数,确定了分形维数与微观结构参数、宏观力学性质以及固化材料比例之间的关系.研究结果表明:疏浚淤泥固化土微观孔隙结构具有明显的分形特征,其分形维数在2.8~3.2.并且,疏浚淤泥固化土的分形维数与平均孔径、孔表面积、承载比、黏聚力、内摩擦角以及矿粉掺量之间均具有很好的相关性:分形维数越大,疏浚淤泥固化土的平均孔径越小,比表面积越大,压缩指数越小,承载比、黏聚力和内摩擦角越大;分形维数随着配比中矿粉掺量的增加逐渐增大.采用分形维数可很好地定量描述疏浚淤泥固化土孔隙结构特征及力学特性,也可为疏浚淤泥固化土宏微观特性分析及模型的建立提供数据支持.     

电镀行业污染土固化体无侧限抗压强度演化规律研究

电镀行业在生产过程中会对周边区域的土壤造成严重的重金属污染。以电镀行业重金属复合污染土壤为研究对象,选用水泥作为固化/稳定化胶凝材料对污染土进行固化稳定化处理,以污染土固化体的无侧限抗压强度(UCS)为目标,通过对固化材料配比的优化,在实验室中对不同养护龄期重金属污染土固化体的UCS进行了测试,并通过X射线衍射分析,探讨了重金属对固化体强度的影响及水泥对重金属的稳定化机理。结果表明：材料配比优化后的重金属污染土固化体在养护3天时的UCS即可满足EPA的推荐值;重金属离子会在养护初期(1天)对水泥的水化形成明显的阻滞作用,从而使固化体在养护初期的UCS显著降低;此外,重金属离子会使水泥的水化向次级反应进行,生成强度较低的钙钒石,并降低固化体在整个养护期内的UCS;水泥的水化反应对于重金属Pb的稳定化作用除了会使其转化氢氧化物的沉淀之外,还会使其转化为稳定的化合物。     

地聚物-水泥固化土石混合体试验与固化机理研究

【目的】研究水泥取代率对地聚物-水泥固化土石混合体抗压强度和破坏形态的影响,揭示地聚物-水泥对土石混合体的固化机理。【方法】通过无侧限抗压强度试验、含水率测定试验、扫描电镜试验和X射线衍射试验,探究水泥取代率对偏高岭土-矿渣-水泥基地聚物固化土和粉煤灰-矿渣-水泥基地聚物固化土抗压强度、破坏形态、含水率、微观形貌和矿物成分的影响及它们随龄期的变化规律。【结果】水泥取代率为0%～20%时,固化土抗压强度与水泥取代率成正比。偏高岭土-矿渣-水泥基地聚物和粉煤灰-矿渣-水泥基地聚物的最优水泥取代率为20%,此时其相应固化土的14 d抗压强度分别为2 510.90、2 532.14 kPa;随着水泥取代率的增加,固化土破坏模式由鼓胀破坏逐渐转变为劈裂破坏;养护时间为14 d时,20%水泥取代率的固化土的含水率最低,水化反应最充分;反应生成的水化硅酸钠(N-A-S-H)和水化硅铝酸钙(C-S-H)凝胶在孔隙中起胶结和填充作用。【结论】适当的水泥取代率可以提高水化反应速率,促进水化产物的生成,有效提升地聚物-水泥对土石混合体的固化效果。     

电镀行业污染土固化体无侧限抗压强度演化规律

电镀行业在生产过程中会对周边区域的土壤造成严重的重金属污染。以电镀行业重金属复合污染土壤为研究对象,选用水泥作为固化/稳定化胶凝材料对污染土进行固化稳定化处理,以污染土固化体的无侧限抗压强度(UCS)为目标,通过对固化材料配比的优化,在实验室中对不同养护龄期重金属污染土固化体的UCS进行了测试,并通过X射线衍射分析,探讨了重金属对固化体强度的影响及水泥对重金属的稳定化机理。结果表明:材料配比优化后的重金属污染土固化体在养护3 d时的UCS即可满足EPA的推荐值。重金属离子会在养护初期(1 d)对水泥的水化形成明显的阻滞作用,从而使固化体在养护初期的UCS显著降低;此外,重金属离子会使水泥的水化向次级反应进行,生成强度较低的钙钒石,并降低固化体在整个养护期内的UCS;水泥的水化反应对于重金属Pb的稳定化作用除了会使其转化为氢氧化物的沉淀之外,还会使其转化为稳定的化合物。     

矿渣-钢渣-脱硫石膏-水泥稳定粉土的强度及固化机理

采用矿渣、钢渣、脱硫石膏和普通硅酸盐水泥联合制备固化剂,对黄河冲积粉土进行改良固化,在提高工业废渣资源化利用的同时,以期解决黄河冲积粉土强度低、水稳性差等路基工程应用难题。首先,基于无侧限抗压强度试验、水稳性试验和干湿循环强度试验探究固化剂掺量和养护龄期对固化粉土强度的影响规律,确定固化剂的最优掺量;其次,针对最优固化剂掺量的固化粉土,开展不同龄期固化粉土的渗透性试验,同时结合核磁共振测试、矿物成分分析以及电镜扫描,揭示固化粉土的矿物成分及微观结构的演化规律。研究结果表明：矿渣-钢渣-脱硫石膏-水泥固化粉土的最优掺量为干燥粉土质量的10%;固化粉土的水化产物主要为水化硅酸钙凝胶(C-S-H)和钙矾石晶体(AFt);水化产物的粒间胶结和填充作用使土颗粒间形成致密结构,增强了固化粉土的力学强度、水稳性和抗渗性能。     

一般工业固废复合固化重金属污染土的力学及电化学性能

针对中国一般工业固废大量堆存问题,以工业固体废物赤泥、电石渣和磷石膏的有效利用为导向,以处理铜污染土为目的,制备复合固化剂并对铜离子污染土进行固化处理。通过研究固化土的无侧限抗压强度性能,对比分析了纯水泥固化剂与添加工业固废复合固化剂对铜污染土的固化效果。通过研究固化土的电化学阻抗谱特性,建立了固化土的等效电路模型,并着重从物理力学性能和微观结构特性揭示工业固体废物之间的相互作用效果及其对铜污染土的固化机理。结果表明：固化土的无侧限抗压强度均随龄期逐渐增大,且固化土的浸出毒性均满足国家相关标准要求。在一般工业固废作用下,固化土强度高于相应纯水泥固化土。固化土电化学Nyquist曲线在高频区随养护龄期增加逐渐出现容抗弧,且其半径逐渐增大;低频区为斜直线,且斜率随养护龄期逐渐增大。此外,固化土的强度与电化学参数R_ct1之间存在良好线性关系,可采用R_ct1对固化土强度的发展进行无损预测。借助微观测试手段发现固化土在养护过程中生成了凝胶物质和针状物质,水化产物的生成是固化土强度发展的主要缘由,且其对铜离子有一定的吸附、包裹和离子置换作用。     

赤泥的掺入对水泥土电阻率与强度性能的影响

通过在水泥固化土中掺入不同量的赤泥来研究赤泥的固化效果和固化过程中土体的微观结构变化,分别测试固化土的电阻率和无侧限抗压强度。通过在水泥土中掺入不同量的赤泥,制备成不同赤泥掺量的固化土试样,测试不同电流频率和养护龄期下的固化土电阻率,分析固化过程中土体的微观结构变化;同时测试了不同养护龄期下固化土无侧限抗压强度,分析赤泥在水泥土中的固化效果;并且找出了最佳的赤泥掺入量,可供从事利用赤泥固化土研究的相关人员借鉴参考。     

粉煤灰水泥土力学特性试验研究

针对上海苏州河区域的软土特点,将粉煤灰和水泥作为固化材料加固饱和软黏土,研究粉煤灰对水泥土力学特性的影响.通过无侧限抗压强度试验,研究了不同粉煤灰掺量、水泥掺量以及不同龄期对水泥土强度和变形特性的影响;通过Matlab数据拟合,提出了水泥粉煤灰固化土的强度预测方法.随着龄期的增长和粉煤灰掺量的增加,固化土的应力应变关系由塑性破坏转变成脆性破坏.当粉煤灰掺量过高时,水泥土中易发生耦合反应,影响固化效果.因此,水泥掺量与粉煤灰掺量比例为1∶1,且粉煤灰最佳掺量为14%~18%.     

磷酸镁水泥固化铜污染土的工程特性

为研究不同水泥固化重金属污染土的处理效果和工程特性,取掺重金属铜的高岭土作为研究对象,考虑磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement,MPC)掺量、养护龄期、初始铜离子浓度三种因素,研究了MPC固化后重金属铜污染土的固化效果及特性.基于无侧限抗压强度试验和扫描电镜试验,分析了三种因素对固化铜污染土的强度和微观结构的影响,并得到固化土抗压强度与内部孔隙所占百分比之间的关系.无侧限强度试验结果表明,MPC固化铜污染土的效果显著;随着MPC掺量的增多和养护龄期的增长,固化土的抗压强度增大;随着初始铜离子浓度的增大,固化土的抗压强度减小,且当污染土中铜离子浓度过高时,固化效果降低.微观试验结果表明,固化过程中既有物理包覆又有化学反应,随着MPC掺量的增多、养护龄期的增长,固化土的孔隙百分比降低,结构变得更加致密,随着初始铜离子浓度的增大,孔隙所占百分比增大,土体结构变得疏松,固化土体强度降低.     

工业固废-水泥协同固化工程弃土配比优选

为了推进工业固废资源化,同时有效提高工程弃土的利用率。选用高炉矿渣、钢渣、磷石膏3种常见的工业固废协同水泥,复配聚羧酸减水剂,对工程弃土进行固化处理。通过D-最优混料试验,确定固化剂的最优配合比为高炉矿渣：钢渣∶磷石膏∶水泥∶聚羧酸=59.9∶5∶20∶15∶0.1,在该配方下固化土的7 d无侧限抗压强度达到了5 583 kPa。利用X射线衍射(diffraction of X-rays, XRD)试验和扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)试验对新型固化剂固化土的微观结构进行分析,结果发现固化土中生成大量的丝状物、针状物和絮状物,使孔隙减小,土体结构更加紧密。该研究成果不仅可为工业固废和工程弃土资源化处理提供参考,同时也为工程弃土二次利用提供一定的理论指导,具有较好的工程适用性。     

有机污染土固化强度及电阻率特性

为揭示污染物含量及养护龄期对水泥固化有机物污染土的影响,以腐殖酸、风积沙及水泥模拟固化污染土,通过一系列室内试验,分析其无侧限抗压强度及电阻率的变化规律。研究发现：固化污染土电阻率及抗压强度随污染物含量增大而减小,随养护龄期增大而增大;电阻率与污染物含量及养护龄期分别呈良好的三次函数与对数函数关系;固化土抗压强度随电阻率增大而增大,呈现明显的相关关系,利用二次函数拟合,效果较好。可见固化污染土电阻率及无侧限抗压强度与腐殖酸含量的相关性,主要由于腐殖酸有较强吸水性,使得孔隙增加,以及有机物中主要官能团中H⁺与水泥水化反应产物碱性阳离子(Ca²⁺、Al³⁺)进行交换,产物包裹水泥颗粒,抑制水泥水化反应。     

固化夯土材料强度特性与耐久性能试验

随着生态建筑的大力推广,夯土技术被广泛应用.基于改良夯筑方法,针对含有不同黏土矿物的膨润土、高岭土和天然土的夯土试样,开展以水泥和石灰为固化剂的11种不同配比,4种养护龄期(3、7、28、56d)条件下的无侧限抗压强度(un-confined compressive strength,UCS)试验和吸水试验,研究固化夯土材料强度特性以及耐久性能.研究结果表明:随养护龄期的增加,膨润土试样的强度逐渐增强,高岭土试样的强度先增加而后小幅衰减,而对于天然土试样,仅当水泥和石灰等量配比时,其强度先增加而后减小,其余配比条件下,试样强度逐渐增强;对于同一类试样,水泥在试样耐久性和抗风化能力方面相较于石灰表现出更好的固化作用,但石灰含量的变化对试样强度的影响效果各不相同;整体而言,3种试样中高岭土表现出最优的强度和耐久度,其次是天然土,膨润土试样的强度和耐久度最差.进一步对实验结果进行了拟合并得到固化夯土试样无侧限抗压强度增长函数模型,该函数能良好地描述其夯土材料强度增长规律.     

工业废渣固化稳定铬污染土的工程安全特性

以某工业场地的铬污染土为研究对象,选用工业废渣(CGB)为固化剂,对铬污染土进行安全修复。通过含水率试验、pH试验、强度试验、浸出试验研究了工业废渣固化稳定后铬污染土的环境安全特性,并以相同掺量的普通硅酸盐水泥(OPC)做参照。结果表明：CGB固化稳定后的铬污染土具有较好的环境安全特性,而OPC固化稳定后的铬污染土仍具有较高的环境风险。虽然OPC固化稳定后的铬污染土的含水率、pH和抗压强度略优于CGB固化稳定后的铬污染土,但OPC固化稳定后的铬污染土浸出浓度仍高于我国危险废弃物鉴别标准(GB/T5085.3-2007)的限值,而当掺量为20%的CGM固化稳定后的铬污染土即可满足我国危险废弃物鉴别标准(GB/T5085.3-2007)。形态提取结果表明：CGM固化稳定后的铬污染土化学稳定性高于OPC固化稳定后的铬污染土,CGB主要将Cr从弱酸态转为可氧化态,而OPC主要将Cr从弱酸态转为可还原态。