活性MgO碳化生土砌块材料配比与机理研究

张鹤年; 陈亮; 李雄威; 席培胜; 穆琳; 胡彩云

doi:10.11779/CJGE2021S2055

活性MgO碳化生土砌块材料配比与机理研究 English Version

张鹤年^{1, 2,},
陈亮^{1, 3, ,},
李雄威⁴,
席培胜¹,
穆琳¹,
胡彩云¹

1.
安徽建筑大学土木工程学院,安徽　合肥　230601
2.
南京市南部新城开发建设（集团）有限公司,江苏　南京　210000
3.
安徽省招标集团,安徽　合肥　230051
4.
常州工程职业技术学院,江苏　常州　213164

基金项目:

安徽省住建科学技术计划项目 2021-YF59

详细信息

作者简介:
张鹤年(1980— ),男,教授级高级工程师,主要从事地下空间、智慧城市方面研究工作。E-mail: zhanghn-001@163.com

通讯作者:
陈亮, E-mail: 1066684598@qq.com

中图分类号: TU43
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出版历程
- 收稿日期: 2021-08-16
- 网络出版日期: 2022-12-05
- 刊出日期: 2021-10-31

Ratio and mechanism of activated magnesium oxide carbonized raw earth block materials

ZHANG He-nian^{1, 2,},
CHEN Liang^{1, 3, ,},
LI Xiong-wei⁴,
XI Pei-sheng¹,
MU Lin¹,
HU Cai-yun¹

1.
School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China
2.
Nanjing Southern New Town Development & Construction (Group) Co. LTD, Nanjing 210000, China
3.
Anhui Tendering Group, Hefei 230051, China
4.
Changzhou Engineering Vocational and Technical College, Changzhou 213164, China

摘要

摘要: 通过单因素条件下抗压强度试验、X射线衍射试验和扫描电镜试验,研究了不同材料掺量和含水率影响下,活性MgO碳化生土砌块的强度和微观形态的变化规律。结果表明：活性MgO碳化生土砌块的原材料配合比MgO∶水泥∶粉煤灰∶生土为7∶7∶6∶80时,按照生土基材最优含水率加入清水混合后,制作而成的砌块抗压强度较高,其21天抗压强度值趋于平稳,平均值能达到7～8 MPa左右；微观测试表明,活性MgO水泥水化和碳化反应,生成的镁式碳酸盐其自身的强度、胶结性能和对孔隙的填充是砌块强度增长的主要原因。
- 碳化生土砌块 /
- MgO水泥 /
- X射线衍射试验 /
- 扫描电镜试验
Abstract: By means of the single-factor compressive strength tests, X-ray diffraction (XRD) tests and scanning electron microscope (SEM) tests, the variation rules of strength and microscopic morphology of the activated magnesium oxide (MgO) carbonized raw earth blocks under the influences of different material contents and water contents are studied. The results show that when the mixture ratio of raw materials of the active MgO-carbonized raw soil blocks is 7:7:6:80 MgO: cement: fly ash: raw soil and water is added according to the optimal moisture content of raw soil substrate, the compressive strength of the blocks prepared is higher, and the 21-day compressive strength tends to be stable, with an average value of about 7~8 MPa. The XRD and SEM tests show that the strength, cementing property and pore filling of magnesium-type carbonate generated by hydration and carbonation reaction of the active MgO cement are the main reasons for the increase of strength of the blocks.
- carbonized clay block /
- magnesia cement /
- X-ray diffraction test /
- scanning electron microscopy test

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0. 引言

软土地基具有含水率大、强度低、压缩性高、渗透性弱等特征,在受到扰动或振动时易丧失强度^[1]。万胜等^[2]以鄱阳湖区典型软土为例,利用GDS三轴剪切试验研究了湖相软土的三轴剪切应力-应变曲线、基质吸力与偏应力的关系、围压与偏应力的关系,邱国阳等^[3]基于软土的常规三轴固结排水蠕变试验,得到了温州地区原状软土在不同应力状态下的蠕变试验曲线。而有研究表明行车动荷载对软基土变形的影响要大于静荷载的影响^[4]。马剑飞等^[5]利用意大利Controls公司的WF动三轴仪进行固结和多振次循环荷载试验,研究了交通荷载作用下软土变形特征及微结构演变,崔兵等^[6]通过设计的交通荷载作用下低路堤软黏土地基动力模型试验,得到了低路堤软黏土路堤在交通荷载不同强度、不同频率作用下的土压力和孔隙水压力变化规律。Hyde等^[7]用Keuper Marl淤泥质黏土,在蠕变荷载和反复荷载下分别进行循环加荷试验。试验结果表明,可以采用应变率和时间关系来反映塑性应变的累积,应变速率没有明显的变化。Muhanna^[8]曾进行过土三轴循环加载试验,分析循环加载所产生的塑性变形行为。上述文献中对动荷载下公路软基力学行为研究多以原状土为主,很少对改良后的软土力学行为开展研究。

学者对盐渍化软基提出了很多处理方法^[9-11]。我国西北地区盐渍土分布广泛,但尚无见诸报道的软流塑—软塑状态黄土状粉土与盐渍土结合的工程案例。通过室内土工试验和动荷载三轴试验,在地基土处理方案得基础上,对不同配方的盐渍化软土的动力特性对比研究,提出了改良盐渍化软土的最优配。

甘肃境内某高速公路局部位置地势低洼,路线两头略高,中段较低,受灌溉影响,地下水位较高,常年渗水。地层表层黄土粉土呈流塑—软塑状态,工程力学性质差,承载力低,特殊岩土为松软土和盐渍土。

1. 室内土工试验

1.1 盐渍软土基本物理特性试验

主要进行的试验有：基本物理参数测定、液塑限测定、筛分试验。

（1）盐渍软土基本物理参数试验

据统计,黄土的干密度一般常介于1.40～1.70 g/cm^3[10],如图1所示地表以下7 m内的平均干密度为1.61 g/cm³。据统计,黄土的干密度一般常介于43%～53%^[10],如图2所示地表以下7 m内的平均孔隙率为40.65%,孔隙率偏低。

图 1 湿密度和干密度随深度变化曲线

Figure 1. Change of wet density and dry density with depth

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图 2 孔隙率随深度变化曲线

Figure 2. Change of porosity with depth

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（2）盐渍软土的液塑性参数试验

绘制含水率、液限和塑限随深度变化曲线如图3所示。

图 3 含水率、液限和塑限随深度变化

Figure 3. Change of water content, liquid limit and plastic limit with depth

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由试验结果得塑性指数平均值为10.1,由图3可得地表以下7 m内的平均天然含水率为17.9%,介于平均塑限含水率14.05%和平均液限含水率22.13%之间,且液性指数I_L处于0.09～0.93。

（3）土工筛分试验

由筛分结果可得地表深度小于5 m时,土颗粒直径小于0.5 mm,且绝大部分为0.075 mm以下粒径；0.5～2 m深度范围为黄土状粉土,且呈流塑—软塑状态,此类土排水性较差,且本身力学性能较差,再加之含水率较大,承载力极低。其下为砂土,主要为粉细砂、中粗砂及砾砂,厚2～5 m。

1.2 基于盐渍化软基的处理方案研究

针对盐渍软土工程特性研究的现有成果,通过调研,在排水与减水的基础上,选用如下4种地基处治方案做为提出优化方案的基础。

（1）片石挤淤预压方案具体措施：地基清表30 cm后再下挖50 cm,换填150 cm厚片石,上部再填筑130 cm厚的砂砾土。

（2）水泥灰土改良方案：地基清表30 cm后再下挖50 cm,对其下150 cm盐渍软基添加水泥、粉煤灰和石灰等材料进行改良。

（3）强夯置换墩方案具体措施：地基清表30 cm后再下挖50 cm,按正三角形布设夯点。

（4）高压喷射注浆方案具体措施：地基清表30 cm后再下挖50 cm,利用高压喷射水泥浆处理盐渍土软基。

2. 改良盐渍软土试验

2.1 试验方案

在重塑土试样基础上,采用两种基本配方,并分别调整相关成分含量,各形成3种不同改良配比的配方,如表1所示,分别进行轻型击实试验和三轴试验以探寻改良效果与规律。

表 1 盐渍软土试件配方

Table 1. Schemes of saline soft soil samples

试样类型		配方	对应处治方案
重塑土		原有地层,不掺加材料	不改良直接压实
Ⅰ型/砂砾含量百分比	Ⅰ-1	40%	—
	Ⅰ-2	60%	片石挤淤预压方案
	Ⅰ-3	80%	强夯置换墩方案
Ⅱ型/水泥∶粉煤灰∶石灰∶盐渍土的重量比	Ⅱ-1	0.04∶0.3∶0.06∶0.6	—
	Ⅱ-2	0.06∶0.25∶0.06∶0.63	高压喷射注浆方案
	Ⅱ-3	0.08∶0.20∶0.06∶0.66	水泥灰土改良方案

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2.2 轻型击实试验结果分析

按照不同配方两类试样土,分别掺入不同比例的水,测量其在不同含水率下的干密度,最终得出Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3型试样土和Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3型试样土的最优含水率和最大干密度的关系,见图4,5。

图 4 最优含水率变化曲线

Figure 4. Change of optimal moisture content

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图 5 最大干密度变化曲线

Figure 5. Change of maximum dry density

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Ⅰ型改良盐渍土砂砾含量增大,最优含水率降低,Ⅱ型改良盐渍土随着水泥、石灰含量的增加,最优含水率依次增大。Ⅱ型改良盐渍土的最优含水率大于Ⅰ型改良盐渍土。

Ⅰ型改良盐渍土随着砂砾含量的增加,由40%增加到60%时,最大干密度增加。对于Ⅱ型改良盐渍土在水泥、石灰含量的增加的过程中,最大干密度减小。Ⅰ型改良盐渍土的最大干密度大于Ⅱ型改良盐渍土。可见Ⅱ型改良盐渍土效果更好。

由图6,7可知,Ⅰ型改良土当围压为200,300 kPa时峰值主应力差随砂砾含量增加先增加后减小,因此,Ⅰ-2型改良土在Ⅰ型中其承载特性表现最好。Ⅱ型改良土峰值主应力差明显比Ⅰ型改良土要大,说明Ⅱ型改良土的承载能力较Ⅰ型改良土好。

图 6 Ⅰ型改良土峰值主应力差随砂砾含量变化曲线

Figure 6. Change of peak principal stress difference of type Ⅰ modified soil with gravel content

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图 7 Ⅱ型改良土峰值主应力差随砂水泥、石灰含量变化曲线

Figure 7. Curve of variation of peak principal stress difference of type Ⅱ improved soil with sand cement and lime content

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2.3 三轴试验结果分析

由图6,7可知,Ⅰ型改良土当围压为200,300 kPa时峰值主应力差随砂砾含量增加先增加后减小,因此,Ⅰ-2型改良土在Ⅰ型中其承载特性表现最好。Ⅱ型改良土峰值主应力差明显比Ⅰ型改良土要大,说明Ⅱ型改良土的承载能力较Ⅰ型改良土好。对重塑土和Ⅰ、Ⅱ型改良土的c, $φ$ 值进行比较,见表2,3。

表 2 重塑土和Ⅰ型土с和

$φ$ 值

Table 2. Values of с and

$φ$ between remolded soil and type I soil

土样类型	с/kPa	$φ$ /(°)
重塑土	39.2	23
Ⅰ-1型土	73.4	24
Ⅰ-2型土	106.5	20
Ⅰ-3型土	121.6	21

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表 3 重塑土和Ⅱ型土с和

$φ$ 值

Table 3. Values of c and

$φ$ between remolded soil and type Ⅱ soil

土样类型	с/kPa	$φ$ /(°)
重塑土	39.2	23
Ⅱ-1型土	108.7	26
Ⅱ-2型土	123.6	29
Ⅱ-3型土	100.0	32

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加入砂砾后,对原土样的级配有所改善,使其黏聚力c值随着含砂量的增加而增大,增加值分别为原重塑土的4.02倍、7.34倍、8.67倍。试样土中掺入水泥量的增加,土体试样的с值先增加后减小,3种试样土增加分别为6.58倍、8.01倍、5.71倍。综合比较而言Ⅱ-2型改良土在Ⅱ型中承载能力表现最好。

3. 改良盐渍软土动三轴试验

试验得到Ⅰ-2型土动应力-动应变等关系如图8～10所示。

图 8 Ⅰ-2型土动应变与动应力关系曲线

Figure 8. Relationship between dynamic strain and dynamic stress of type Ⅰ-2 soil

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图 9 Ⅰ-2型土动应变与动弹模倒数关系曲线

Figure 9. Relationship between dynamic strain of type Ⅰ-2 soil and the reciprocal of dynamic elastic modulus

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图 10 Ⅰ-2型土动应变与动弹模关系曲线

Figure 10. Relationship between dynamic strain and dynamic elastic modulus of type Ⅰ-2 soil

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图8知Ⅰ-2型土的动应力和动应变关系符合双曲线模型,图10知Ⅰ-2型土的动应变与动弹性模量的倒数成正比关系。

将动三轴试验测得的动弹性模量和动应变,换算为动剪切模量和动剪应变：

$G = \frac{E_{d}}{2 (1 + ν)}$ ,

(1)

$γ_{d} = ε_{d} (1 + ν)$ 。

(2)

式中 $ν$ 为泊松比。对试验结果非线性曲线拟合,分别得到了3条剪模比曲线（ $G / G_{ma}_{x}$ - $γ_{d}$ ）和3条阻尼比曲线（ $λ$ - $γ_{d}$ ）见图11～13。

图 11 Ⅰ-2型土样动三轴试验结果

Figure 11. Results of dynamic triaxial tests on type Ⅰ-2 soil samples

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图 12 Ⅱ-2型土样动三轴试验结果

Figure 12. Results of dynamic triaxial tests on type Ⅱ-2 soil samples

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图 13 重塑土样动三轴试验结果

Figure 13. Results of dynamic triaxial tests remodeled soil samples

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主要分析土样的动弹性模量E₀和阻尼比 $λ$ ,以其作为不同处理材料的优劣的标准。其中Ⅰ-2型土、Ⅱ-2型土和重塑土3种土样的相关参数值见表4。

表 4 土样动弹性模量E₀和阻尼比

$λ$

Table 4. Values of dynamic elastic modulus and damping ratio of soil samples

土样	动弹性模量E₀/MPa	阻尼比 $λ$
Ⅰ-2型	1796.3	0.091~0.131
Ⅱ-2型	2212.4	0.087~0.119
重塑土	1258.2	0.097~0.139

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改良土的动弹性模量明显增加,Ⅰ-2型土和Ⅱ-2型土的值分别为原重塑土的1.43和1.76倍；阻尼比范围较重塑土有所降低,Ⅱ-2型土降低程度大于Ⅰ-2型土。所以Ⅱ-2型土的动力学性质优于Ⅰ-2型土。

4. 结论

（1）Ⅰ型改良土黏聚力c值和 $φ$ 值且随着含砂量的增加在20°～26°之间变化不大。考虑材料强度提高方面,需要同时考虑c和 $φ$ 值的变化效应,选择最佳的含砂量。

（2）Ⅱ型改良土随着试样土中掺入水泥量的增加,土体试样的c值先增加后减小, $φ$ 值随着掺入水泥量的增加而增加,在25.6°～34°。

（3）Ⅱ型改良土的承载能力较Ⅰ型改良土好,可见水泥对盐渍化软土的改善效果较砂砾效果更好。

（4）改良土的动弹性模量明显增加,阻尼比范围较重塑土有所降低,Ⅱ-2型土降低程度大于Ⅰ-2型土,Ⅱ-2型土的动力学性质优于Ⅰ-2型土。由于Ⅱ-2型土中水泥石灰发生水化反应,生成了稳定性、强度更高的硅酸钙,而Ⅰ-2型土中砂砾的加入只是改善了盐渍软基的物理特性,而对动力特性的提升低于水泥。

图 1 砌块碳化图及抗压强度测试图

Figure 1. Diagram of block carbonization and compressive strength tests

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图 2 不同质量比活性MgO水泥碳化生土砌块抗压抗压强度

Figure 2. Compressive strengths of carbonized clay blocks with active MgO cement at different mass ratios

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图 3 不同含水率掺量下的抗压强度

Figure 3. Compressive strengths under different water contents

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图 4 不同活性MgO水泥掺量下的抗压强度

Figure 4. Compressive strengths of MgO cement with different active contents

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图 5 不同粉煤灰掺量下的抗压强度

Figure 5. Compressive strength under different fly ash content

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图 6 不同粉煤灰掺量下的碳化生土砌块SEM照片

Figure 6. SEM photos of carbonized clay blocks with different fly ash contents

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图 7 不同材料掺量下的热重分析图谱

Figure 7. Thermogravimetric analysis of different materials

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参考文献(10)

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施引文献(6)

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