偏高岭土—钢渣复合材料改良膨胀土路用性能试验研究

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我国膨胀土分布十分广泛,造成的工程危害和经济损失十分巨大,开展膨胀土改良研究,改善其工程性质一直是岩土工程界的热点问题;同时,作为世界范围内的钢材生产及钢渣产出大国,相较于美国、德国、日本等发达国家,我国的钢渣转化利用率极低,钢渣的产出堆存导致土地占用、河道淤积,带来严重的环境压力,开展钢渣资源化利用相关研究迫在眉睫。针对这一问题,本文依托国家自然科学基金面上项目(41672306),利用偏高岭土的“火山灰活性”激发钢渣水化反应,在碱性环境下形成复合材料用以改良膨胀土路用性能。具体研究内容和结论如下:(1)开展了自由膨胀率、收缩率、有荷载膨胀率等试验,获取了偏高岭土-钢渣复合材料改良膨胀土胀缩特性变化规律。上述三类试验均加入3%生石灰以提供碱性环境,同时偏高岭土(0-2%-4%-6%)和钢渣(0-5%-10%-15%)均以等梯度、控制单一变量的方式进行掺入。由自由膨胀率试验结果可知,当钢渣掺入10%以上、偏高岭土掺入4%以上,7d和7d以上养护龄期的土试样自由膨胀率降至5%左右;由收缩率试验结果可知,当钢渣掺入10%以上、偏高岭土掺入2%以上,7d和7d以上养护龄期的土试样的收缩率降至5%以下;由有荷载膨胀率试验结果可知,当钢渣掺入10%以上、偏高岭土掺入4%以上,7d和7d以上养护龄期土试样的有荷载膨胀率降至0左右。(2)开展了无侧限抗压强度、压缩固结试验,获取了偏高岭土-钢渣复合材料改良膨胀土力学特性变化规律。上述两类试验均加入3%生石灰以提供碱性环境,同时偏高岭土(0-2%-4%-6%)和钢渣(0-5%-10%-15%)均以等梯度、控制单一变量的方式进行掺入。由无侧限抗压强度试验结果可知,当钢渣掺入10%以上、偏高岭土掺入为钢渣的1/2至1/3时,7d和7d以上养护龄期下土试样的无侧限抗压强度增至2MPa以上,且通过对比钢渣掺入15%时7d和28d养护龄期下土试样强度比值,发现偏高岭土掺量和比值呈现正相关,验证了偏高岭土对钢渣早期水化活性的积极作用猜想;由压缩固结试验结果可知,当钢渣掺入10%以上、偏高岭土掺入4%以上,7d和7d以上养护龄期下土试样的压缩模量增至20MPa以上。(3)开展了XRD、SEM、MIP等微观测试分析,获取了偏高岭土-钢渣复合材料改良膨胀土微观结构特征变化规律。上述两类试验均加入3%生石灰以提供碱性环境,同时结合胀缩特性试验、力学特性试验,选取偏高岭土和钢渣的典型掺量进行微观机理分析。试验结果验证了偏高岭土-钢渣复合材料改良膨胀土中广泛分布的主要水化产物为C-S-H,C-A-S-H,Aft等。同时通过SEM扫描电镜对土颗粒表面进行观测,发现了上述水化产物对土颗粒形成包裹或胶结,也进一步解释了土试样在胀缩特性和力学特性方面的改良机理,为碱性环境下偏高岭土和钢渣在改良膨胀土提供了理论基础和依据。
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