基于工業(yè)副產(chǎn)品木質素的粉土固化改良技術與工程應用研究.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)交通工程建設經(jīng)常面臨的技術難題,探索經(jīng)濟、高效的粉土改良技術是目前我國巖土工程界迫切需要解決的難題之一。木質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)品木質素的粉土改良新技術,深入開展木質素改良粉土的機理和工程特性等研究,旨在為該新技術的推廣應用提供科學依據(jù)。
  本文以江蘇省交通科學研究計劃項目(2013Y04)為依托,以木質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,采用室內試驗、理論分析和現(xiàn)場試驗相結合的方法,對木質素改良路基粉土技術進行系統(tǒng)研究,主要研究內容和成果如下:
  (1)系統(tǒng)總結了工業(yè)副產(chǎn)品木質素的基本性質和資源化利用現(xiàn)狀,對木質素在土體改良中的應用、改良土強度特性、改良機理和本構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)研究了木質素改良后粉土物理力學特性和耐久性的變化規(guī)律。通過室內試驗,研究了摻量和養(yǎng)護齡期對改良

3、土物理力學特性指標的影響,對比分析了木質素和石灰改良粉土的效果,指出了木質素改良粉土技術的可行性和優(yōu)勢。研究結果表明,木質素可有效提高粉土力學性能,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,木質素最優(yōu)摻量為12%;木質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,分析了木質素、水泥改良土小應變剪切模量G0隨養(yǎng)護齡期的發(fā)展規(guī)律,引入歸一化參數(shù)分析小應變剪切模量和無側限抗

4、壓強度的相關關系,建立了木質素改良土強度的無損評價方法。研究結果表明,兩種類型改良土在不同摻量下隨齡期變化的小應變剪切模量經(jīng)歸一化參數(shù)G28處理后,均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律;歸一化小應變剪切模量和無側限抗壓強度存在一一對應的關系,小應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,測試了天然土和木質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,建立了預測天然土熱阻

5、系數(shù)的模型,討論了木質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,探討了木質素改良土熱阻系數(shù)與力學指標間的內在聯(lián)系。研究結果表明,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關系;改良土熱阻系數(shù)隨木質素摻量和養(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;木質素改良土熱阻系數(shù)與重度呈線性反比關系,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,研究了木質素改良后土體微觀結構和化學成分的變化特征,揭示了木質素改良土體的機理。研究結果表明,木質素改良土形成致密、穩(wěn)定的微觀結構,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;木質素主要通過水解反應、質子化反應和靜電引力作用,減小雙電層厚度并產(chǎn)生具有膠結性質的高分子聚合物,包裹、連接顆粒,填充孔隙。
  (6)基于能量守恒原理對木質素改良土直接剪切過程各階段的功能轉換關系進行分析,提出了評價木質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作用的木質素改良土本構模型。研究結果表明,木質素產(chǎn)生的膠結

8、物質不僅提高粉土的力學性能,還可增強塑性變形能力;具有膠結特性改良土剪切過程的能量分為:破壞顆粒間膠結的能量、顆粒間滾動運動的能量和顆粒間摩擦運動的能量,其中破壞膠結的能量是土體自身的特性,與豎向應力無關;改良土臨界狀態(tài)剪應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破壞速率等參數(shù)的引入,可較好描述木質素改良土的應力-應變特征。
  (7)開展工業(yè)副產(chǎn)品

9、木質素改良粉土路基現(xiàn)場試驗,論證了木質素改良粉土技術的可行性和優(yōu)越性,提出了相應的施工工藝,并對應用效果進行了系統(tǒng)的評價??偨Y了木質素改良路基土的經(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。研究結果表明,木質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;木質素改良土建設材料成本低于石灰土的1/10,其土壤環(huán)境質量

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