地下工程渣土的再生固化土力学性能试验研究.pdf
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1、Vol.40 No.5Sep.2023第 40 卷 第 5 期2023 年 9 月深圳大学学报理工版Journal of Shenzhen University Science and Engineeringhttp:/【土木建筑工程/Architecture and Civil Engineering】地下工程渣土的再生固化土力学性能试验研究杨涛,闫美美,刘帅磊,李幸孺,王梦谣西安工程大学城市规划与市政工程学院,陕西西安 710048摘 要:针对地下工程作业过程中产生的大量地下余泥渣土处理难、易污染等问题,选取地下工程余泥渣土配制复合材料再生固化土(recycled solidified s
2、oil,RSS),通过室内配合比、坍落扩展度、无侧限抗压强度和X射线衍射等试验,对不同养护方式、水固比(水与风干渣土和胶凝材料的总质量比)、水泥质量分数、矿物掺和料下再生固化土的基本性能和再生固化机理进行研究结果表明,水固比为0.35时,RSS的流动性可满足一般回填工程的要求;不同养护条件下,RSS的无侧限抗压强度均随养护龄期、水泥质量分数的增加和水固比的减小而增大,且水下养护强度小于室内养护;再生固化土强度的建立主要由水化反应生成的水化产物与土颗粒之间的胶结来实现研究成果可为工程渣土的处理和资源化利用提供借鉴关键词:复合材料;再生固化土;工程渣土;水固比;流动性;无侧限抗压强度中图分类号:T
3、U521.3 文献标志码:A DOI:10.3724/SP.J.1249.2023.05578The mechanical properties of recycled solidified soil from underground construction spoilsYANG Tao,YAN Meimei,LIU Shuailei,LI Xingru,and WANG MengyaoSchool of Urban Planning and Municipal Engineering,Xi an Polytechnic University,Xi an 710048,Shaanxi Pro
4、vince,P.R.ChinaAbstract:To address the challenges of managing and mitigating the environmental impact posed by the large amount of underground residual soil generated during underground construction,a composite material known as recycled solidified soil(RSS)was developed using this underground const
5、ruction residual soil.Through a series of laboratory tests,including mix design,slump spread,unconfined compressive strength,and X-ray diffraction,the basic properties and regenerative curing mechanism of RSS were investigated under various curing conditions,water-to-solid ratios(the total mass rati
6、o of water to air-dried residual soil and cementitious material),cement mass fractions and mineral admixtures.The results show that the fluidity of the RSS can meet the requirements of general backfilling projects at a water-to-solid ratio of 0.35.The unconfined compressive strength of the RSS incre
7、ases with curing time,higher cement mass fractions and water-to-solid ratios under different curing conditions,with lower strength of underwater curing compared to indoor curing.The establishment of strength in the RSS is primarily attributed to the cementation between hydration products and soil pa
8、rticles.The findings of this study offer valuable insights into the treatment and resource utilization of engineering residues and serve as a reference for addressing these challenges.Key words:composite materials;recycled solidified soil(RSS);construction spoil;water-to-solid ratio;fluidity;unconfi
9、ned compressive strengthReceived:2023-04-10;Accepted:2023-06-28;Online(CNKI):2023-07-17Foundation:Shaanxi Provincial Key R&D Program(2023-YBSF-516);Xian Polytechnic University Postgraduate Innovation Fund(chx2023032)Corresponding author:Associate professor YANG Tao()Citation:YANG Tao,YAN Meimei,LIU
10、Shuailei,et al.The mechanical properties of recycled solidified soil from underground construction spoils J.Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2023,40(5):578-587.(in Chinese)第 5 期杨涛,等:地下工程渣土的再生固化土力学性能试验研究http:/随着工程建设的发展,建筑垃圾量增加占用大量土地,导致土地资源浪费的同时,也易产生安全隐患1-2将工程废弃材料二次处理进行资源化利用已然成为当
11、下的一个大趋势梁仕华等3利用水泥 固 化 基 坑 废 弃 渣 土 并 将 其 作 为 填 土 材 料;MATSUI等4将建设污泥、水泥和粉煤灰拌和后研制出了新的回填材料;陈蓉林5将工程废弃土作为主要基材设计新型保温空心砖;张亚洲等6把盾构中的废弃土重新利用到盾构过程中,研究了多种关于废弃土料的再处理方法利用固化技术处理废弃土料,工艺简单、处理效率高、应用范围广,是目前工程中废弃土料最常用的处理方式在土体固化方面,水泥7-9、粉煤灰10-11、矿粉12和硅粉13等无机类胶凝材料是最常用的土体固化材料将固化技术应用于工程废弃土料的资源化再处理中,已成为解决“渣土围城”问题的关键彭宇等14对抗疏力固
12、化剂固化黄土的力学性能进行研究,发现抗疏力固化剂可以提高黄土的阻水性和抗水性;林焕生15利用水泥和纤维将工程建设中的淤泥废弃土进行固化改良工程渣土多为地基基础开挖、地铁修建、地下商场和地下停车场等地下工程在开挖过程中所产生的松散土体,强度低、耐水性差,大多不可直接利用面对体量庞大且产量剧增的工程渣土,减量化、无害化和资源化是处理的基本原则,以填埋为主的处理方式已不能满足当下社会发展的需求,工程渣土的资源化处理已成为目前适应社会发展的首要选择本研究利用水泥、矿粉、硅粉、粉煤灰和外加剂固化地下余泥渣土,制备新型再生绿色材料再生固化土,为工程渣土的处理和资源化利用提供借鉴1试验概况1.1试验材料试验
13、所用工程余泥渣土取自中国广东省广州市某地铁工程中的废弃盾构泥,呈红褐色,基本物理指标为:天然含水率(质量分数)18.8%,液限43.2%,塑限 23.4%,塑性指数 19.8,密度 1.86 g/m3试验用土均为过5 mm筛的风干土,筛分试验结果见表1试验所用胶凝材料为P.O42.5普通硅酸盐水泥,二级粉煤灰,S95级矿粉和S92级硅粉,化学成分见表2试验用水为自来水,外加剂选用山东省荥阳市宏祥建筑外加剂厂生产的聚羧酸高性能减水剂和氯盐类早强剂,中国石油集团工程技术研究院研制的UWB-型水下不分散混凝土絮凝剂其中,早强剂的掺入可使水化反应加速进行,促进再生固化土(recycled solidi
14、fied soil,RSS)早期强度的发展;减水剂使材料流动性得到保障的同时,不会降低材料的强度,适用于对RSS工作性能要求严格的回填工程中;絮凝剂可以显著提高混凝土等材料的水下强度并保持流动性,常用于水下不分散混凝土的制备1.2试验配比根据广州某地铁盾构工程中产生的余泥渣土实际情况,参考渣土改良配合比相关研究16-18,通过改变水固比控制水的用量,使RSS的流动性满足一般回填工程的应用,试验设计配比见表3其中,水泥质量分数为水泥质量与风干余泥渣土的质量表表1 风干土的筛分试验结果Table 1 Screening test results of air dried soil粒径/mm 5.0
15、00 2.000 1.000 0.500 0.250 0.100 0.075质量/g1 000.0721.7536.0344.9180.746.18.5质量分数/%10072.1753.6034.4918.074.610.85表表2 胶凝材料化学成分表Table 2 Chemical composition of cementitious materials%材料水泥粉煤灰矿粉硅粉w(CaO)52.47.640.30.4w(SiO2)25.039.334.987.2w(MgO)3.75.36.30.7w(Al2O3)8.331.815.31.0w(Fe2O3)4.18.51.80.9w(其他)
16、6.57.51.49.8579第 40 卷深圳大学学报理工版http:/比,矿粉、粉煤灰和硅粉的质量分数分别为其质量与水泥用量的质量比;早强剂、减水剂和絮凝剂的质量分数分别为其质量与胶凝材料(水泥、矿粉、粉煤灰和硅粉)总量的质量比,水固比为水与风干渣土和胶凝材料的总质量之比1.3试验方法1.3.1试样的制备试验用土为含水率小于5%且过5 mm筛的风干土分别按表3设计的配合比称取相应质量的原材料,将风干土、胶凝材料(水泥、矿粉、粉煤灰和硅粉)和外加剂(早强剂、减水剂和絮凝剂)拌合均匀后,将称量好的水少量多次倒入混合均匀的材料内,人工拌合均匀装入70.7 mm 70.7 mm 70.7 mm的立方
17、体试模内,振捣成型后分别置于空气中和常温水中进行养护,如图1养护2448 h后脱模,每组配比制备试块18个,共制作试块126个1.3.2坍落扩展度试验通过坍落扩展度试验进行再生固化材料流动性测试,坍落度仪器上口径为(100 0.5)mm,下口径为(200 0.5)mm,高度为(30 0.5)mm,如图2(a)试验前,需保证仪器表面无明水,将拌和均匀的再生固化土装入坍落度桶内,垂直缓慢提起坍落度桶,稳定后测量水平两个方向的坍落扩展度,如图2(b)取水平两个方向坍落扩展度值的算术平均值作为衡量RSS流动性的值,参考实际工程中回填材料流动性分级标准,进一步评判RSS的流动性能流动性能分级标准为:当流
18、动性小于290 mm时,评价等级为“差”;对于一般回填工程,需保证其流动性处于 290410 mm,评价等级为“一般”;对于狭窄作业面的回填工程,流动性需大于410 mm,评价等级为“好”1.3.3无侧限抗压强度试验对养护龄期分别为7、14和28 d的RSS试块使用DWD-100型微机控制电子万能试验机进行无侧限抗压强度试验试验过程中轴向的加载速率为0.1 kN m/s,取破坏荷载最大值计算无侧限抗压强度为了避免偶然性,每组取3个平行试块,以3个结果的算术平均值作为每组试块的强度,当最大值或最小值与平均值之差超过中间值的15%时,取其余两值的算术平均值作为测定强度,当二者均超过时本组试块作废1
19、.3.4X射线衍射试验为对RSS中的物质组成变化进行分析,对不同表表3 再生固化土试验配比Table 3 Test mix of recycled solidified soil试件编号RSS-1RSS-2RSS-3RSS-4RSS-5RSS-6RSS-7w(水泥)/%12121212123550w(矿粉)/%25252540505050w(粉煤灰)/%15151520303030w(硅粉)/%10101010101010w(早强剂)/%2222222w(减水剂)/%0.250.250.250.250.250.250.25w(絮凝剂)/%2.52.52.52.52.52.52.5水固比0.25
20、0.300.350.350.350.350.35D ocD ou图图1养护试件(a)室内养护;(b)水下养护Fig.1(a)Indoor and(b)underwater maintenance specimens.580第 5 期杨涛,等:地下工程渣土的再生固化土力学性能试验研究http:/配合比,不同养护方式下的RSS进行X射线衍射试验试验所用仪器为日本理学Rigaku台式X线衍射仪Miniflex 600,采用连续式步进扫描,扫描范围为580,扫描速度为6/min在进行X射线衍射试验前,将RSS土样进行烘干处理,置于65 烘箱内烘至恒质量,后将过0.075 mm筛的土样作为样品,放入样品
21、台中,试验中应保证样品表面平整2试验结果及分析2.1流动性分析材料的流动性是衡量回填材料工作性能的重要指标,RSS的流动性随水固比、矿物掺合料质量比和水泥质量分数的改变而变化不同因素对RSS流动性的影响如图31)试件RSS-1RSS-3中RSS的水固比分别为0.25、0.30和0.35,流动性随着水固比的增大逐渐增加,在水固比为0.35时,流动性值为322 mm,处于“一般”的水平,可满足一般回填工程所需2)试件RSS-3RSS-5中水泥的质量分数和水固比不变,矿物掺合料中矿粉、粉煤灰和硅粉的质量比分别为5 3 2、4 2 1和5 3 1,流动性值分别为322、346和326 mm,均处于“一
22、般”的水平RSS-3和RSS-5的流动性值相接近,RSS-4的流动性值高于RSS-3和RSS-5由此可知,在矿粉、粉煤灰和硅粉3种矿物掺合料中,矿粉和粉煤灰的质量比为4 2时,流动性要高于为5 3时5:3:14:2:15:3:2RSS 3-RSS 2-RSS 1-(0.35,322)(.,)0 30 276(0.25,260)?/mm3303203103002902802702602500 20.0 25.0 30.0 35.0 40.?3503453403353303253202030405033032532031531030530051055(12,326)(35,318)(50,306)
23、(5:3:2,322)(4:2:1,346)(5:3:1,326)RSS 4-RSS 3-RSS 5-RSS 5-RSS 6-RSS-7?/mm?/mmw(?)/%mmm(?):(?):(?)()a()b()c图图3不同因素对RSS流动性的影响(a)水固比;(b)矿物掺合料质量比;(c)水泥质量分数Fig.3Effects of(a)water-to-solid ratio,(b)mineral admixtures ratio,and(c)cement mass fraction on RSS fluidity.D ocD ou图图2坍落扩展度试验(a)仪器;(b)测量过程Fig.2Slum
24、p expansion test.(a)Apparatus and(b)measurement procedure.581第 40 卷深圳大学学报理工版http:/3)试件RSS-5RSS-7中,水固比、矿物掺和料质量分数和质量比均不变,RSS的流动性值分别为326、318和306 mm,均处于“一般”的水平随着水泥质量分数逐渐增加,RSS的流动性值逐渐减小从试件RSS-5到试件RSS-6,水泥质量分数增加23%,流动性值减小8 mm从试件RSS-6到试件RSS-7,水泥质量分数增加15%,流动性值减小12 mm2.2无侧限抗压强度材料的无侧限抗压强度受多种因素影响,是衡量材料力学性能的主要指
25、标本节通过研究不同水固比、矿物掺和料质量分数、水泥质量分数、龄期和养护条件下RSS的无侧限抗压强度以及其强度增长率,对RSS的力学性能进行分析增长率指变化值与基准值的比值,用百分数表示,增加为正,减少为负试件RSS-1RSS-7的无侧限抗压强度结果如表4和图4试件RSS-1RSS-3的水固比逐渐增加;试件RSS-3RSS-5的矿物掺和料质量比改变,且矿粉和粉煤灰的质量分数逐渐增加;试件RSS-5RSS-7的水泥质量分数逐渐增加由表4和图4可知,7组配合比中无侧限抗压强度达到最大值的是试件RSS-7:室内养护28 d时为11.23 MPa,水下养护28 d时为10.90 MPa2.2.1龄期对无
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