生石灰改良黄土的微观机制试验研究

为探究石灰掺量对黄土强度的影响规律及其微观机制,采用不同比例的生石灰对黄土进行改良。开展了直剪试验、压汞试验及扫描电镜测试,定性和定量分析素黄土及不同石灰掺量改良黄土的强度特性和微观结构变化规律,并对石灰改良黄土的微观机理进行较为深入的分析。结果表明:石灰改良黄土的抗剪强度参数随着石灰掺量的增大出现先增大再减小的变化规律,在石灰掺量约为8%时,其黏聚力和内摩擦角达到最大值;石灰的掺入使黄土骨架颗粒之间及其表面附着的胶结物逐渐增多,孔隙被胶结物质填充,土体中的不稳定孔隙逐渐减少,整体性增强;但当石灰掺量过大时,多余的石灰会堆积于团粒之间,影响团粒之间的胶结。石灰改良黄土强度提高的原因是石灰水化反应生成的胶结物质增强了土颗粒之间的胶结程度,增大颗粒间的相互摩擦,使土体结构更加稳定,提高土体强度;石灰掺量过高时,改良黄土抗剪强度降低是因为过量的石灰影响了土颗粒之间的胶结作用。研究成果既是对黄土强度特性及微观结构理论研究的丰富与充实,又可以为改良黄土工程设计的相关参数选取提供参考依据。      

针对黏性土胶质联结特征的SEM-EDS试验研究

采用 “整区→微区→胶结点”的逐步分区测试方法,对湛江原状黏土与重塑土开展SEM-EDS试验研究,观察土体微观结构的胶质联结特征,确定胶结物质的元素组分及其空间分布状态,建立微观结构-化学物质-宏观力学行为的相互关系与灵敏性分析。结果表明,土的基本性质很大程度上取决于微观层面的颗粒联结特征。湛江黏土的结构单元实际上是以许多黏土矿物薄片堆叠而成的黏土畴,开放式的絮凝结构加上以游离氧化铁为主要成分的胶质联结特征是导致湛江黏土具有高灵敏性、强结构性的根本原因。当应力水平超过土体的结构屈服应力后,力学性能迅速劣化,结构单元体逐步转为联结强度弱,分散性强的凝聚体或叠聚体。研究还表明,土的颗粒联结强度、结构形态特征及其对结构强度的贡献是导致原状土与重塑土性质差异的本质,天然状态下的湛江黏土土性受控于微观结构特征,而重塑土土性受控于黏土矿物颗粒本性。     

3种生物聚合物改良粉土的持水特性研究

针对黄河流域水土流失防治,以往多采用水泥等灰色材料进行加固筑堤,但生态环境破坏严重。为响应黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略,采用环境友好的生物聚合物对黄河流域典型粉土进行改良,通过WP4C仪测量生物聚合物改良粉土的持水特性,并从微观角度分析了生物聚合物改良粉土持水特性的机制。研究结果表明,与未改良土相比,生物聚合物改良粉土饱和含水率增大,孔隙比增大,持水能力显著提高。黄原胶、结冷胶、瓜尔胶改良粉土的持水能力均随着掺量的增加而增加,结冷胶改良的效果优于黄原胶、瓜尔胶。其机制为生物聚合物颗粒经过水合作用形成水凝胶,填充颗粒间孔隙,增加颗粒之间的黏结性。而且黄原胶、结冷胶改良粉土中形成类似蜂巢结构的孔隙空间,为其提供储水空间,进而提高改良土的持水特性。上述研究结果可为生物聚合物安全、科学地应用于黄河流域水土流失的防治提供科学依据。     

纳米SiO2和石灰改良黄泛区粉土的力学特性研究

为探究纳米SiO₂和石灰对黄泛区粉土的改良效果,通过击实试验、无侧限抗压强度试验、扫描电镜试验和XRF试验等系列试验,研究纳米SiO₂和石灰掺量对黄泛区粉土压实性、抗压强度、水稳性等力学特性的影响,分析改良粉土的微观结构及固化机理。结果表明:纳米SiO₂改良土的最大干密度和最优含水率随纳米SiO₂掺量的增加而提高,纳米SiO₂改良土中掺加石灰会降低最大干密度,但会提高最优含水率;纳米SiO₂与石灰联合使用改良效果优于单独掺入纳米SiO₂,1.5%纳米SiO₂-2%石灰改良土的无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角提升最为显著;与素土和纳米SiO₂改良土相比,纳米SiO₂-石灰改良土的水稳性得到显著改善;在纳米SiO₂改良土中,纳米SiO₂主要起到填充土颗粒之间孔隙的作用,纳米SiO₂与石灰联合使用可在土中形成胶结物质、发挥黏结与填充作用、大幅提高土的强度。     

冻融循环对钙剂改良土体分散性效果的影响

分散性土的水稳性极差,易形成管涌、洞穴、冲沟等破坏,季冻区土体在冻融循环过程所发生的冻胀融沉作用可能会增强土体的分散性。为了研究不同钙剂对土体分散性改良效果及冻融循环对改良效果的影响,先采用氧化钙和氯化钙两种钙离子剂对吉林西部地区分散性土体进行改良,确定最佳掺量后进行冻融循环试验;再分别通过分散性鉴定试验、无侧限抗压强度试验及微观结构试验探讨冻融循环对土体分散性改良效果的影响。试验结果表明,氯化钙对吉林西部土体分散性的改良效果优于氧化钙,氧化钙改良分散性土的最优掺量为1.6%,氯化钙改良分散性土的最优掺量为0.4%。冻融循环试验采用掺量为0.4%的氯化钙改良土。氯化钙改良土在经历不同次数的冻融循环后仍为非分散性土,其无侧限抗压强度在冻融循环次数0～5次有明显下降,但在冻融循环超过10次后下降趋势变缓且抗压强度基本保持在60 kPa;通过观察掺量为0.4%的氯化钙改良土在不同冻融循环次数的扫描电镜图像,推测冻融循环10次后其裂隙和孔隙的状态已趋于稳定。上述试验结果说明氯化钙可作为一种良好的改良剂对季冻区土体的分散性进行改良。     

粉土改良膨胀土的路用性能与现场试验

为探究粉土对膨胀土的改良效果,对不同粉土占比改良膨胀土进行了胀缩特性、路用性能和微观结构测试。研究表明：掺入粉土改变了膨胀土土体颗粒成分及结构,抑制了膨胀土的胀缩潜势;随着粉土颗粒的增加,膨胀土的密实度和无侧限抗压强度均先增大后减小,最大干密度在粉土占比为40%时达到1.889 g/cm³,无侧限抗压强度在粉土占比为10%时最大,加州承载比(CBR)值持续显著提高,回弹模量呈下降趋势,均满足规范要求;验证了粉土改良膨胀土的可行性,确定了最佳配合比为粉土掺量40%。为便于现场施工,并考虑现场拌和均匀程度,先掺入3%低剂量石灰对膨胀土进行“砂化”,降低膨胀土黏性使其破碎。在此基础上,采用粉土掺量40%对膨胀土进行改良后用于高速公路路堤填筑,并开展了现场压实度、CBR值、弯沉值等测试。现场试验结果表明：现场填筑联合改良试验段和单一石灰改良对照段整体压实质量良好,但试验段压实度易受粉土均匀程度影响而降低;试验段路基CBR值和路基弯沉与对照段相当,粉土改良有效弥补了相对于对照段减少的2%石灰所提供的强度。     

冻融循环作用下木质素磺酸钙改良黄土的力学特性研究

木质素磺酸钙作为一种绿色环保的改良材料,近年来被应用于土体加固领域。为探究木质素磺酸钙对黄土的固化效果,通过开展侧限浸水压缩试验、冻融循环试验、不固结不排水三轴剪切试验、扫描电镜试验和X射线衍射试验,分析冻融循环次数、掺量和围压对木质素磺酸钙改良黄土力学性质和微观机理的影响规律。研究结果表明：掺入木质素磺酸钙,可有效消除黄土的湿陷性。此外,改良黄土的应力-应变曲线随木质素磺酸钙掺量的增加向一般硬化型转变,而随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线向弱硬化型转变。改良黄土的破坏强度随木质素磺酸钙掺量的增加呈先增大后减小的趋势,木质素磺酸钙掺量为1%时破坏强度最高,各掺量改良黄土随冻融循环次数的增加先减小后趋于稳定,同时抗剪强度指标呈现下降的趋势。通过扫描电镜试验和X射线衍射试验,发现改良黄土内部有胶结物生成并填充了土颗粒间的孔隙,使土体密实度提高,进而提高土体强度;而冻融作用导致土颗粒的接触方式由面-面接触向点-点、点-面接触过渡。此外,木质素磺酸钙改良黄土中未发现有新的矿物成分生成,且冻融作用未造成土体矿物成分的消解。     

改良花岗岩残积土进失水能力及接触角试验研究

花岗岩残积土的进失水能力与其软化崩解的特殊力学特性息息相关,现有的改良土研究都着重于土体宏观力学与微观结构的变化,忽视了固化剂对土颗粒表面性质的影响。为了探索固化剂改良后的花岗岩残积土进失水能力及三相接触角的变化规律,开展了水滴入渗试验、接触角测量试验、进水试验和失水试验,并结合扫描电镜和红外光谱方法,定性及定量分析了花岗岩残积土在不同固化剂作用下微观结构和化学成分的变化规律对花岗岩残积土进失水能力的影响机制。结果表明:（1）不同含量的改良剂能不同程度地影响花岗岩残积土表层斥水性能;随着固化剂掺量的提高,土体的表面斥水性增强,三相接触角变大,进失水能力减弱;固化剂改良土体的效果依次为石灰、水泥、高岭土,且改良土体的进失水能力变化与土体表面斥水性和三相接触角的变化有明显的相关性。（2）改良花岗岩残积土进失水能力的变化由土体内部结构的改变以及表面性质的改变共同导致。（3）水泥和石灰主要依靠离子的交换团聚作用、土壤固化剂对土颗粒的包裹作用、硬凝反应以及碳酸化作用减弱土颗粒外部的双电层及其表面自由能,使土体斥水性和初始接触角变大;而高岭土主要依靠自身对水分子的吸附作用,对土体的斥水性和接触角影响不大。结果可为固化剂改变土体表面性质导致的接触角变化规律提供一定科学依据,也为不同渗透需求的实际工程选取改良剂提供一定参考。     

长龄期改良黄土抗剪强度与渗透性试验研究

为满足黄土地区建设工程对岩土材料的要求,针对长龄期条件下石灰和粉煤灰对黄土的改良作用,开展室内试验研究原土料类型、掺合材料、掺合量等因素对改良黄土抗剪强度和渗透性的影响及长龄期效应,并从微观结构和反应机理上进行了解释。研究结果表明,灰土、二灰土的强度发展和强度稳定龄期因石灰和粉煤灰发挥作用的时间不同而不同;水化反应速率变化使掺量对灰土改良土的影响表现出龄期效应;原土料的粒度成分对抗剪强度和渗透性的影响更为重要;同一改良土的强度与渗透性发展并不同步,标准龄期也宜不同,实践中应给与区分。综合各因素对改良土强度和渗透性质的影响规律,工程岩土材料设计应先区分原土料类型,后根据性质需求选择改良方式和掺量并保证龄期。     

石灰改性红砂岩残积土工程性质试验研究

为研究石灰改性红砂岩残积土的工程性质并确定最佳掺量,以恩施地区红砂岩残积土为研究对象,制备不同石灰掺量的改良土试样,并进行击实、压缩、无侧限抗压试验。结果表明,随着石灰掺量的增大:改良土最优含水量逐渐增大,最大干密度逐渐减小;改良土压缩系数先减小后增大,压缩模量先增大后减小,对应的最优石灰掺量为7%;改良土无侧限抗压强度先提高后降低,对应的最优石灰掺量为9%。出现上述规律的主要原因是:石灰发生的水化、离子交换、碳酸化、结晶等作用,增强了砂土颗粒之间的黏结,提高了土的整体性,使石灰土压缩、强度特性得到改良。然而,过多的石灰会以自由灰的形式存在于土颗粒空隙之间,导致土体的压缩变形量增大,无侧限抗压强度降低。     

水泥混合上海黏土pH值和电导率与强度特性研究

针对目前钻芯取样、标准贯入试验、荷载试验等水泥搅拌桩的检测方法试验要求高、试验时间长、测试费用高等诸多缺点,提出联合测定水泥土初期pH值与电导率的方式来判断其后期无侧限抗压强度与混合土性状的方法。以上海地区第④层黏性土为研究对象、以水泥掺量为变量,对加固土体的化学性质与其强度增长特性做了试验研究;探讨了pH值和电导率与水泥掺量、养护时间、后期强度之间的关系。试验结果表明,当水泥土初期的pH值和电导率大于分别为11.5和0.09 s/m的临界值时开始产生强度。在此之后强度随着pH值的增长而缓慢增加,但当pH达到11.8时,强度开始随着pH值的增长而迅速增加。电导率与强度变化关系的这些特征可以避免用水泥土初期pH值单一化学指标来判定其后期无侧限抗压强度带来的误差与风险。为判定上海地区黏性土水泥搅拌桩的强度提供试验依据。     

离子土固化剂固化淤泥的微观机理研究

采用离子土固化剂对武汉典型淤泥进行化学加固,通过阿太堡界限试验获得不同配合比加固土的塑性指数;对离子土固化淤泥前后的样品开展了压缩性能、微观结构、比表面积、化学成分、能谱分析和阳离子交换等试验,研究离子土固化剂对淤泥加固的宏观表现与微观作用机理。试验结果表明:经离子土固化剂处理后的淤泥压缩性减小,孔隙变小,离子土固化剂促使土颗粒之间聚集、凝结,团聚体明显增大,比表面积减小,比表面能降低,土体结构更致密。淤泥固化前后其化学成分并没有发生改变,离子土固化剂与淤泥胶体颗粒表面的反离子层发生了阳离子交换反应,固化剂稀释液中部分K+、Na+离子被淤泥土截获吸附,黏土颗粒表面的Ca2+、Mg2+离子被解析出,使扩散层厚度变薄,ξ电势降低,黏土胶体颗粒聚结,提高了土颗粒之间的联结强度和稳定性,从而达到土壤改性加固的目的。     

CaO对钙矾石固化/稳定化重金属铅污染土的影响

为研究CaO的赋存形态及含量对钙矾石固化/稳定化重金属铅污染土效果的影响,采用高铝水泥提供AlO2-,纯石膏或磷石膏提供SO42-,高铝水泥、石膏、普通硅酸盐水泥或生石灰提供CaO,制备不同组分固化剂配比的固化土,测试试样强度和孔隙溶液pH值等宏观物理力学指标,通过醋酸缓冲溶液法测试试样的铅溶出量,对比分析不同固化剂固化土的矿物成分与微观结构特征。结果表明,钙矾石固化/稳定化重金属铅污染土效果显著;钙矾石对孔隙的填充作用带来的增强效果不能代替水化硅酸钙胶结土颗粒的胶结作用,普通硅酸盐水泥对试样的强度更有利,但其后期强度增幅不大,而生石灰有利于固化土强度的持续增长;生石灰较普通硅酸盐水泥对钙矾石的形成、稳定和重金属Pb2+的固化/稳定化更有利;磷石膏和纯石膏对试样的pH值、无侧限抗压强度及钙矾石固化/稳定化重金属Pb2+的效果影响较小;固化土体微观结构特征表明,CaO含量对钙矾石生成形态及作用效果影响显著。当CaO含量较低时,早期生成的钙矾石将向单硫型硫铝酸钙转化。研究成果可丰富重金属污染场地原位处理技术,具有重要的理论意义和工程应用价值。     

Behavior of expansive soils stabilized with fly ash

Expansive soils cause serious problem in the civil engineering practice due to swell and shrinkage upon wetting and drying. Disposal of fly ash, which is an industrial waste in both cost-effective and environment-friendly way receives high attention in China. In this study, the potential use and the effectiveness of expansive soils stabilization using fly ash and fly ash-lime as admixtures are evaluated. The test results show that the plasticity index, activity, free swell, swell potential, swelling pressure, and axial shrinkage percent decreased with an increase in fly ash or fly ash-lime content. With the increase of the curing time for the treated soil, the swell potential and swelling pressure decreased. Soils immediately treated with fly ash show no significant change in the unconfined compressive strength. However, after 7 days curing of the fly ash treated soils, the unconfined compressive strength increased significantly. The relationship between the plasticity index and swell-shrinkage properties for pre-treated and post-treated soils is discussed.     

改良粉土强度的冻融循环效应与微观机制

为了研究冻融循环对改良粉土强度的影响规律及其作用机制,开展了不同初始压实度和初始含水率试样的冻融循环试验。对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行无侧限抗压强度试验,探讨了冻融循环作用对改良粉土的长期强度的影响规律。试验结果表明,随着冻融循环次数增加,改良粉土的抗压强度下降,最终在6次冻融循环后趋于稳定;相同的冻融循环次数条件下,初始含水率越大,改良粉土的抗压强度衰减幅度越大。为了寻找冻融循环作用对改良粉土孔隙结构的影响规律,进而揭示冻融循环对试样结构损伤的机制,开展了改良粉土的细观孔隙结构试验。试验结果表明,不同的冻融循环次数和初始含水率对小孔径孔隙（ 10 nm）之间的结构影响不大;冻融循环作用主要损伤了大孔径孔隙（0.01～100 μm）之间的结构,从而降低了改良粉土的强度。     

冻融作用下纤维加筋固化盐渍土的抗压性能与微观结构

冬季冻结与春季融化引起北方滨海盐渍土的工程性质劣化。为研究纤维加筋对固化土的抗压性能、抗冻融性能与微观结构变化,开展了石灰固化盐渍土和纤维与石灰加筋固化盐渍土的冻融试验、无侧限抗压试验、扫描电镜试验、核磁共振试验和压汞试验,系统分析冻融后纤维加筋固化盐渍土的抗压强度与孔隙特征间的相关性、抗冻融性能及其变化规律。结果表明...     

Use of Sewage Sludge Ash and Hydrated Lime to Improve the Engineering Properties of Clayey Soils

Using various additives has been considered as one of the most common stabilization methods for improvement of engineering properties of fine-grained soils. In this research the effect of sewage sludge ash (SSA) and hydrated lime (HL) on compressive strength of clayey soil was investigated. For this purpose, 16 kinds of mixtures or treatments were made by adding different amounts of SSA; 0, 5, 10 and 15% by weight and HL; 0, 1, 3 and 5% by weight of a clayey soil. First, compaction characteristics of the treatments were determined using Harvard compaction test apparatus. So that, 12 unconfined compressive strength test specimens were made using Harvard compaction mold from each treatments taking into account four different curing ages, including 7, 14, 28 and 90 days in three replications. Therefore, a total of 192 specimens were prepared and subjected to unconfined compressive strength tests. The results of this study showed that the maximum dry density of the treated soil samples decreases and their optimum water content increases by increasing the amount of SSA and hydrated lime in the mixtures. It is also found that the adding of HL and SSA individually would increase the compressive strength up to 3.8 and 1.5 times respectively. The application of HL and SSA with together could increases the compressive strength of a clayey soil more efficiently even up to 5 times.     

Sustainable Improvement of Tropical Residual Soil Using an Environmentally Friendly Additive

Many tropical residual laterites have relatively poor engineering properties due to the significant percentage of fine-grained soil particles that they contain, which are formed by the soil weathering process. The widespread presence of laterite soils in tropical regions often requires that some form of soil improvement be performed to allow for their use in various civil engineering applications, such as for road base or subbase construction. One of the most commonly utilized stabilization techniques for laterite soils is the application of additives that chemically react with the minerals that are present in soil to enhance its overall strength; effective soil stabilization can allow for the use of site-specific soils, and can consequently result in significant cost savings for a given project. With an increasing focus on the use of more environmentally friendly and sustainable materials in the built and natural environments, there is an emerging interest in eco-friendly additives that are an alternative to traditional chemical stabilizers. The current study examines the viability of xanthan gum as an environmentally friendly stabilizer that can improve the engineering properties of tropical residual laterite soil. Unconfined compressive strength (UCS) tests, standard direct shear tests, Brunauer, Emmett, and Teller (N₂-BET) surface area analysis tests and field emission scanning electron microscopy (FESEM) tests were used to investigate the effectiveness of xanthan gum for stabilization of a tropical laterite soil. The UCS test results showed that addition of 1.5% xanthan gum by weight yielded optimum stabilization, increasing the unconfined compressive strength of the laterite soil noticeably. Similarly, direct shear testing of 1.5% xanthan gum stabilized laterite specimens showed increasing Mohr–Coulomb shear strength parameters with increases in curing time. From the FESEM results, it was observed that the stabilization process modified the pore-network morphology of the laterite soil, while also forming new white layers on the surface of the clay particles. Analysis of the test results indicated that xanthan gum stabilization was effective for use on a tropical residual laterite soil, providing an eco-friendly and sustainable alternative to traditional soil stabilization additives such as cement or lime.     

特征含水率对轻量土基本性质的影响规律

为了研究最优含水率、流动上、下限含水率对轻量土性能的影响,通过密度、无侧限抗压强度试验研究了混合土的工程性质。结果表明：采用流动性指标 控制混合土的流动性基本可行。混合土处于流动性上、下限含水率时,无侧限应力-应变关系曲线几乎重合,流动性上、下限含水率范围内土壤性质较为接近。无侧限抗压强度随含水率增加而衰减,但流动上、下限含水率对应强度差别不大。不管含水率高低,强度随龄期增长,都可以采用双曲线模型进行预测,并且总结了7 d、90 d强度与28 d强度之间的经验关系。当含水率为最优含水率时,混合土基本不收缩;在流动性上、下限含水率范围内,线收缩率范围为1.53%～4.71%,体积收缩率范围为4.53%～13.46%,收缩性受含水率、水泥剂量等因素影响。理想密度模型可以近似预测混合土的湿密度,高含水率时预测值有一定误差,误差范围为3.834%～8.231%。