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《东南大学》 2017年
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活性氧化镁碳化加固软弱土的试验与应用研究

蔡光华  
【摘要】:随着全球环境保护和节能减排的需要,研究低碳、环保和高效的软土地基处理技术是现代工程建设发展的趋势,以活性氧化镁(MgO)和二氧化碳(CO2)为新型固化剂代替传统硅酸盐水泥来加固软弱土是一项创新的理念和技术,对土木工程行业的节能减排和可持续发展具有开创性的科学意义和应用前景。本文以国家自然科学基金项目(51279032)、国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ01B02-01)和江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX_0147)为依托,以活性MgO碳化加固典型软弱土为研究对象,揭示了活性MgO处理土的碳化加固机理和工程特性;通过室内试验、微观试验和模型试验,系统研究了 MgO掺量、碳化时间、初始含水率、MgO活性指数、天然土土性和CO2通气压力等因素对碳化固化土物理化学、电阻率、力学强度和微观特征的影响规律,建立了 MgO碳化固化土的基本模型,提出了 MgO碳化固化法的施工工艺。取得了以下主要成果:(1)系统总结了软土地基加固、MgO水泥、碳化/固化等方面的研究现状,明确了活性MgO在土体碳化加固及CO2减排等方面的应用前景,分析了 MgO固化土的碳化效果、耐久性、微观机理等方面的研究成果,指出了需要进一步解决的问题。(2)系统研究了 MgO掺量、初始含水率(似水灰比)、碳化时间、MgO活性指数、天然土土性和CO2通气压力等因素对MgO碳化固化土物理特性的影响规律,揭示了碳化土的物理特征。研究结果表明:MgO固化土的碳化是一个剧烈的放热过程,温度升高25℃以上;当MgO掺量少、MgO活性指数低、细粒土含量高或通气时间足够长时,容易在试样侧面形成以横向为主的裂纹;MgO碳化土的质量、体积和密度较碳化前有不同程度增加,而含水率、比重、孔隙率和饱和度较碳化前明显减小,且碳化土的物理指标与似水灰比的关系可用幂函数进行拟合。(3)通过对MgO碳化固化土电阻率、孔隙液电导率和pH值的测试,研究了 MgO掺量、初始含水率(似水灰比)、碳化时间、MgO活性指数和天然土土性等因素对碳化土电阻率、孔隙液电导率和pH值的影响规律;分析了碳化土电阻率与含水率、孔隙率和饱和度等物理指标间的相关关系,并建立了基于似水灰比和碳化时间的电阻率预测方程;根据Archie电阻率推广模型,建立了电阻率-孔隙率-饱和度模型,分析了电阻率与孔隙液电导率和体积含水率间的关系,论证了 Archie推广模型在MgO碳化固化土中应用的可行性。研究结果表明:碳化土电阻率较碳化前显著提高,电阻率与物理指标间的关系均可用幂函数进行拟合;MgO碳化土 pH值(10.41-11.03)较碳化前降低,且远低于石灰和水泥固化土的pH值。(4)通过MgO碳化固化土的单轴无侧限抗压强度试验,研究了 MgO掺量、碳化时间、初始含水率、MgO活性指数、土性和CO2通气压力等条件对MgO碳化固化土无侧限抗压强度、应力-应变、破坏应变和变形模量的影响规律,建立了相关条件下的强度预测模型,阐释了碳化固化土无侧限抗压强度的增长机理。研究结果表明:MgO固化粉土碳化6 h后的强度高于相同掺量下28d水泥土的强度;无侧限抗压强度随MgO掺量、碳化时间或MgO活性指数的增加而增加,随初始含水率或似水灰比的增加而降低;碳化土强度从高到低对应的土体依次为:粉土、粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土;提高CO2通气压力(200或300kPa)可加速MgO固化土的碳化速率。碳化进程中MgO固化土试样呈现由弹塑性材料向脆性材料发展的趋势;碳化土的破坏应变范围(0.5%~2.6%)较碳化前有所减小,变形模量大体上随无侧限抗压强度的增加而增加。碳化土的无侧限抗压强度随含水率和pH值的增加而降低,随干密度的增加而增加;无侧限抗压强度与电阻率存在正相关的线性关系,表明用无损的电阻率法来评价碳化固化土强度是可行性的。(5)通过MgO碳化固化土的渗透试验,研究了不同条件下MgO碳化固化土渗透系数的变化规律,碳化/固化土的渗透系数随固化剂掺量的增加而降低,碳化土的渗透系数略高于水泥土的渗透系数;碳化粉土的渗透系数大于碳化粉质黏土的渗透系数,固化粉土碳化6.0h后的渗透系数达到最小,而碳化粉质黏土的渗透系数随碳化时间缓慢增长;随初始含水率增加,碳化粉土的渗透系数略有降低而碳化粉质黏土的渗透系数却增加;碳化土的渗透系数随CO2通气压力的增加呈先降低后增加趋势。碳化土的渗透系数随似水灰比、含水率和孔隙比的增加而增加,且渗透系数与孔隙比的关系可用幂函数进行拟合。(6)通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、压汞试验(MIP)等测试,阐明了 MgO碳化土矿物成分、微观结构和微观孔隙的变化特征,分析了碳化固化土无侧限抗压强度与三水碳镁石XRD峰值强度间的相关关系,揭示了碳化固化土的微观机理;通过HNO3酸化和热分析试验,研究了不同条件下MgO固化土的碳化程度或CO2吸收量,揭示了碳化土的化学反应机理。研究表明:碳化土的主要矿物为棒状三水碳镁石、薄片或细丝状球碳镁石/水碳镁石等,尤其以三水碳镁石最为显著;随碳化持续,氢氧化镁先转化为球碳镁石/水碳镁石,后形成三水碳镁石晶体。随MgO掺量、碳化时间、MgO活性指数或CO2通气压力的增加,碳化土的孔隙体积减小而CO2吸收量增加;随似水灰比或天然土液限的增加,碳化土孔隙体积增加而CO2吸收量减小;且存在最优初始含水率(25%)和MgO掺量(20%),使碳化土孔隙体积最小、CO2吸收量最高。三水碳镁石的XRD峰强与强度呈正相关关系,证实了三水碳镁石对碳化土强度提高的重要性;MgO碳化固化土的加固机理主要包括水化反应、离子交换吸附、碳化反应和填充效应,提出了粉土和粉质黏土的碳化结构模型。(7)通过室内模型试验研究了 MgO碳化软弱地基土的加固效果,提出了 MgO整体碳化加固地基的施工工艺。结果表明:碳化反应产生的温度高于水化反应产生的温度,上层地基土的温度、强度和碳化度较下层地基土明显提高,上层碳化土的含水率和pH值较下层碳化土偏小;离气源越近,碳化温度、地基回弹模量、贯入阻力、强度和碳化度越高;碳化粉土的温度上升速率、回弹模量和贯入阻力较碳化粉质黏土大;采用管注-覆盖整体碳化工艺可以实现现场软弱土的碳化加固,应用中需在底部通气,控制管注气源间距不超过40cm。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU447

【参考文献】
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