基于工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素的粉土固化改良技術(shù)與工程應(yīng)用研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、粉土路基處理是我國東南沿海地區(qū)交通工程建設(shè)經(jīng)常面臨的技術(shù)難題,探索經(jīng)濟、高效的粉土改良技術(shù)是目前我國巖土工程界迫切需要解決的難題之一。木質(zhì)素是生物能源和造紙廠生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品,目前沒有得到有效的利用。本文提出基于工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素的粉土改良新技術(shù),深入開展木質(zhì)素改良粉土的機理和工程特性等研究,旨在為該新技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
  本文以江蘇省交通科學(xué)研究計劃項目(2013Y04)為依托,以木質(zhì)素改良路基粉土為研究對象,以揭示其

2、改良機理和工程特性為目標,采用室內(nèi)試驗、理論分析和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法,對木質(zhì)素改良路基粉土技術(shù)進行系統(tǒng)研究,主要研究內(nèi)容和成果如下:
  (1)系統(tǒng)總結(jié)了工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素的基本性質(zhì)和資源化利用現(xiàn)狀,對木質(zhì)素在土體改良中的應(yīng)用、改良土強度特性、改良機理和本構(gòu)模型等方面的研究成果進行了分析,指出其存在和需要解決的問題。
  (2)系統(tǒng)研究了木質(zhì)素改良后粉土物理力學(xué)特性和耐久性的變化規(guī)律。通過室內(nèi)試驗,研究了摻量和養(yǎng)護齡期對改良

3、土物理力學(xué)特性指標的影響,對比分析了木質(zhì)素和石灰改良粉土的效果,指出了木質(zhì)素改良粉土技術(shù)的可行性和優(yōu)勢。研究結(jié)果表明,木質(zhì)素可有效提高粉土力學(xué)性能,強度隨摻量增加而增長,摻量超過一定值后,強度呈降低趨勢;對于江蘇粉土,木質(zhì)素最優(yōu)摻量為12%;木質(zhì)素改良土的耐久性優(yōu)于石灰土,抑制收縮能力低于石灰。
  (3)基于彎曲元測試技術(shù),分析了木質(zhì)素、水泥改良土小應(yīng)變剪切模量G0隨養(yǎng)護齡期的發(fā)展規(guī)律,引入歸一化參數(shù)分析小應(yīng)變剪切模量和無側(cè)限抗

4、壓強度的相關(guān)關(guān)系,建立了木質(zhì)素改良土強度的無損評價方法。研究結(jié)果表明,兩種類型改良土在不同摻量下隨齡期變化的小應(yīng)變剪切模量經(jīng)歸一化參數(shù)G28處理后,均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律;歸一化小應(yīng)變剪切模量和無側(cè)限抗壓強度存在一一對應(yīng)的關(guān)系,小應(yīng)變剪切模量可作為改良土強度發(fā)展的評價指標。
  (4)通過非穩(wěn)態(tài)熱探針測試技術(shù),測試了天然土和木質(zhì)素改良粉土的熱阻系數(shù),研究了含水率、干密度、顆粒粒徑和飽和度等因素對熱阻系數(shù)的影響,建立了預(yù)測天然土熱阻

5、系數(shù)的模型,討論了木質(zhì)素摻量和壓實含水率對改良土熱阻系數(shù)的影響,分析了改良土熱阻系數(shù)隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律,探討了木質(zhì)素改良土熱阻系數(shù)與力學(xué)指標間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明,熱阻系數(shù)隨含水率、干密度、顆粒粒徑和飽和度增加呈減小趨勢,低于“臨界含水率”時,熱阻系數(shù)對含水率變化的敏感性較高;熱阻系數(shù)與眾多影響因素間不呈單一相關(guān)關(guān)系;改良土熱阻系數(shù)隨木質(zhì)素摻量和養(yǎng)護齡期增加而增加,60d齡期后,不同摻量試樣的熱阻系數(shù)基本相同。28d齡期后,壓實含

6、水率對熱阻系數(shù)基本無影響;木質(zhì)素改良土熱阻系數(shù)與重度呈線性反比關(guān)系,與抗壓強度和回彈模量總體呈增加趨勢。
  (5)通過電鏡掃描(SEM)、壓汞分析(MIP)、pH值、電阻率、X射線衍射(XRD)、能譜分析(EDS)和傅里葉變換紅外光譜分析(FTIR)等方法,研究了木質(zhì)素改良后土體微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化特征,揭示了木質(zhì)素改良土體的機理。研究結(jié)果表明,木質(zhì)素改良土形成致密、穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu),未產(chǎn)生新的官能團和礦物成分;土體中主要礦物

7、成分平均晶粒尺寸均有不同程度的減小;木質(zhì)素主要通過水解反應(yīng)、質(zhì)子化反應(yīng)和靜電引力作用,減小雙電層厚度并產(chǎn)生具有膠結(jié)性質(zhì)的高分子聚合物,包裹、連接顆粒,填充孔隙。
  (6)基于能量守恒原理對木質(zhì)素改良土直接剪切過程各階段的功能轉(zhuǎn)換關(guān)系進行分析,提出了評價木質(zhì)素改良粉土剪切強度的理論模型;通過三軸壓縮試驗,研究了改良土臨界狀態(tài)下的強度變化特征,基于邊界面塑性理論建立了考慮膠結(jié)作用的木質(zhì)素改良土本構(gòu)模型。研究結(jié)果表明,木質(zhì)素產(chǎn)生的膠結(jié)

8、物質(zhì)不僅提高粉土的力學(xué)性能,還可增強塑性變形能力;具有膠結(jié)特性改良土剪切過程的能量分為:破壞顆粒間膠結(jié)的能量、顆粒間滾動運動的能量和顆粒間摩擦運動的能量,其中破壞膠結(jié)的能量是土體自身的特性,與豎向應(yīng)力無關(guān);改良土臨界狀態(tài)剪應(yīng)力隨摻量增加而增大,其臨界狀態(tài)線相對于素土發(fā)生平行移動,膠結(jié)特性對土體抗剪強度的提高主要通過黏聚力反映;新的屈服方程和膠結(jié)破壞速率等參數(shù)的引入,可較好描述木質(zhì)素改良土的應(yīng)力-應(yīng)變特征。
  (7)開展工業(yè)副產(chǎn)品

9、木質(zhì)素改良粉土路基現(xiàn)場試驗,論證了木質(zhì)素改良粉土技術(shù)的可行性和優(yōu)越性,提出了相應(yīng)的施工工藝,并對應(yīng)用效果進行了系統(tǒng)的評價??偨Y(jié)了木質(zhì)素改良路基土的經(jīng)濟效益和環(huán)境影響,探討了改良路基土浸出液的處治方法。研究結(jié)果表明,木質(zhì)素改良路基土的強度在養(yǎng)護初期(<7d)增長較石灰土慢,28d齡期養(yǎng)護后,12%木質(zhì)素路基土的路用性能指標優(yōu)于8%石灰改良土;含水率增多對土體強度增長產(chǎn)生負面影響;木質(zhì)素改良土建設(shè)材料成本低于石灰土的1/10,其土壤環(huán)境質(zhì)量

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