砂土及海砂基流态固化土组成优化及其性能的研究

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流态固化土凭借可就地取土、可协同处置建筑垃圾、流动性高、可泵送的优点被逐渐应用到挡土墙背部空隙、地下管廊周围、矿山采空区等回填工程中。但是流态固化土在制备过程中还存在流动度、泌水率和抗压强度难以协调、水泥对土壤固化效果差、建筑垃圾掺入对固化土性能影响不明确等问题,因此本文以四川地区的砂土和海南地区的海砂为原料,从工作性能、力学强度和耐久性能三方面对其进行研究。(1)研究了水固比、灰土比及外加剂对流态固化土工作性能的影响,并对比分析了两种流动度模具测试值之间的相关性,对优化组成条件下的试验组进行了水化热分析和Zeta电位分析。结果表明:水固比增加,流态固化土的流动度和泌水率明显增加,增加灰土比有助于降低泌水率。两种流动度模具测试值之间存在很好的线性相关,拟合后的方程为:y=13.15+1.02x。掺入HPMC可以显著降低流态固化土的泌水率,减少30min后的流动度经时损失,但也会大幅降低其流动度;PCE对流动度的提高效果要好于FDN-C,但这两种减水剂单独掺入时均会提高其泌水率;HPMC(0.03%~0.1%)与PCE(0.4%~1%)混合掺入可以制备出满足工作性能的流态固化土,不仅能提高流态固化土的流动度,还可以降低或者保持泌水率在一个较低的范围内,还能够减少流动度经时损失。但是HPMC和PCE均会延缓水泥水化速率峰值出现的时间,此外,PCE还会降低水泥水化速率峰值和水化放热量。土壤颗粒会吸附PCE,减少作用于水泥颗粒的PCE数量,且砂土对PCE的吸附作用强于海砂。(2)采用单因素试验法分别研究了水固比、灰土比、矿粉掺量、粉煤灰掺量和建筑垃圾掺量对流态固化土抗压强度和流动度的影响。结果表明:增加水固比会降低流态固化土的强度,但降幅不大。掺纯水泥时,砂土和海砂满足流态固化土0.4MPa最低强度要求的灰土比分别是为0.18、0.10。在灰土比相同的情况下,海砂试块的强度明显高于砂土试块。粉煤灰和矿粉取代部分水泥有助于提高流态固化土的流动度,且粉煤灰的作用效果好于矿粉;增加矿粉掺量有助于减小取代水泥后固化土的强度损失。建筑垃圾掺入可以提高固化土的抗压强度,但会降低其流动度,建筑垃圾在海砂中的最佳掺量为20%~30%。(3)通过外掺水玻璃、磷石膏和偏高岭土的方式对流态固化土的强度进行优化,并结合XRD、FT-IR、SEM等测试结果探讨了胶凝材料的固化机理。结果表明:水玻璃、磷石膏(PG)和偏高岭土(MK)混合掺入可以显著提高流态固化土强度。在水玻璃4%的最佳掺量下,砂土和海砂28d抗压强度分别提高了18%和71%;随着PG掺量的增加,砂土强度逐渐降低,海砂强度先增后减,并在PG掺量为5%时达到峰值强度;MK对固化土强度的提高最为明显,MK掺量为8%时,砂土和海砂的28d抗压强度分别提高了269%和343%,随着MK掺量的增加,固化土内C-S-H的生成量和致密度都明显增加。(4)通过干缩及干湿循环试验,研究了优化组成条件下,灰土比和建筑垃圾掺量对流态固化土体积稳定性的影响。结果表明:流态固化土的干缩过程与失水过程紧密相关,当失水率不再发生变化时,干缩值也不再改变,砂土和海砂的失水率分别在养护21d和14d后不再发生变化。砂土的水固比较高,以干燥收缩为主,增加灰土比可以减少固化土的内部孔隙,减小干缩值;海砂的水固比较低,以化学收缩为主,增加灰土比会消耗更多的自由水,增加固化土的干缩值。增加建筑垃圾掺量有利于减少流态固化土的干缩值,掺入30%的建筑垃圾,砂土和海砂的干缩值分别降低了35.0%和14.9%。增加灰土比可以降低干湿循环过程中流态固化土的强度损失率。
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