氧化镁基碱激发高炉矿渣改性下蜀土的力学性质及其抗侵蚀性试验研究

作     者：张丙树 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾凯

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：碱激发矿渣 活性氧化镁 煅烧白云石 下蜀土 无侧限抗压强度 抗侵蚀性 

摘      要：在土质改性领域,广泛使用的硅酸盐水泥存在生产能耗高、污染重、抗侵蚀性差等问题。近年来,出于对环境保护和可持续发展的考虑,对于土质改性材料的选择正在逐渐发生变化。高炉矿渣(GGBS)作为一种工业副产品,在土质改性上表现出了巨大潜力。活性氧化镁被证实能够有效激发高炉矿渣,并且具有强度高、稳定性好等诸多优点,但其在土质改性中的应用还较少。本文通过室内试验,研究了活性氧化镁(MgO)激发高炉矿渣改性下蜀土以及煅烧白云石激发高炉矿渣改性下蜀土的力学特性、水化特性和抗化学侵蚀的性能,分析了活性氧化镁激发高炉矿渣改性下蜀土以及煅烧白云石激发高炉矿渣改性下蜀土的改性原理以及硫酸盐、酸溶液对改性下蜀土的侵蚀机理。论文的主要工作与研究成果如下:1.研究了活性氧化镁激发高炉矿渣(MgO-GGBS)掺量、养护条件和土颗粒团聚体大小对改性下蜀土的无侧限抗压强度(UCS)的影响,并结合改性土微观结构分析和水化产物分析,阐述了不同影响因素对强度特征的影响机理。结果表明:活性氧化镁能够有效激发高炉矿渣,并获得较高的早期强度,在养护7天时强度普遍能达到水泥改性土70%～90%,最高能达到2.41MPa;在养护120天时UCS为4.43MPa,仅为水泥土的56%。适当提高改性土的养护温度能够有效提升改性土强度,试样在35℃养护温度下的强度普遍为20℃养护条件下试样的130%～170%,最高能达到240%。此外,降低土颗粒团聚体的大小将有效提高改性土土体强度,小团聚体试样的强度普遍为大团聚体试样的130%左右,最高能达到165%。MgO-GGBS改性下蜀土的主要水化产物为水化硅酸钙(C-S-H)以及类水滑石;养护后期致密的水化产物均匀分布在土颗粒周围,为土体提供了很好的结构强度,同时类水滑石在养护后期含量增加,能够有效填充孔隙,增大土体强度。2.研究了煅烧白云石(D800)激发高炉矿渣掺量、养护条件和团聚体大小对改性下蜀土无侧限抗压强度的影响,阐述了不同影响因素对强度特征的影响机理。结果表明:煅烧白云石能有效激发高炉矿渣,各影响因素对D800-GGBS改性土强度的影响与MgO-GGBS改性土类似,但其早期水化速率较慢,早期UCS普遍不高,最高仅0.34MPa,仅为同龄期下MgO-GGBS改性土的14%。D800-GGBS改性土能在养护的中后期保持稳定的强度增速,在养护达到120天时UCS能达到同期MgO-GGBS改性土的130%。D800-GGBS改性土在20℃养护温度下激发效果较差,UCS仅为同条件下MgO-GGBS改性土的52%和同期龄下35℃养护D800-GGBS改性土的31%。在养护早期水化产物主要为钙钒石,并未观察到明显水化产物C-S-H。养护后期C-S-H等产物能够较好填充孔隙、连接土颗粒,增大土体强度。3.研究了氧化镁激发高炉矿渣改性下蜀土在抵御硫酸盐溶液(3wt.%NaSO,3wt.%Mg SO)和酸溶液(3wt.%CHCOOH)等条件下的抗侵蚀性,并结合反应产物、微观结构分析,阐述了不同溶液环境中力学性质变化机理。结果表明:低掺量下的MgO-GGBS改性土在盐溶液环境中发生崩解,在NaSO溶液中浸泡7天后强度下降幅度集中在45%～60%,浸泡28天后强度降幅在50%～75%,土体强度下降幅度随固化剂掺量的增加而降低;在Mg SO浸泡7天后强度降幅集中在50%～65%,浸泡28天后强度降幅在50%～76%,浸泡前期土体强度下降幅度普遍随着固化剂掺量的增加而增加,后期则反之。硫酸盐的侵入将使得原本致密的产物遭到剥蚀并产生类水滑石(Ht)以及石膏(Ca SO)等膨胀性矿物或无胶结性的M-S-H等产物,造成土体强度的下降甚至崩解。醋酸溶液则能快速溶解水化产物,使改性土强度快速下降,由于醋酸侵蚀过程中并不产生膨胀性矿物,土体内部颗粒间不产生膨胀挤压,土体整体保存较完好,并不会出现土体局部破坏或整体崩解的现象。4.研究了煅烧白云石激发高炉矿渣改性下蜀土在抵御硫酸盐溶液(3wt.%NaSO,3wt.%Mg SO)和酸溶液(3wt.%CHCOOH)等条件下的抗侵蚀性。结果表明:低温养护、固化剂掺量较低的试样在硫酸盐溶液中易发生整体崩解。NaSO溶液中不同试样的强度下降幅度差异较大(浸泡7天下降18%～70%;浸泡28天下降38%～90%);在Mg SO浸泡7天后强度下降25%～80%;浸泡28天下降35%～100%);土体强度下降幅度随固化剂掺量的增加而降低。由于D800-GGBS改性土中钙含量相对较高,在盐溶液环境下易产生大量钙钒石,一定程度上可以起到填充土体孔隙,最优条件下其抗盐溶液侵蚀能力强于MgO-GGBS改性土。但在酸溶液中D800-GGBS改性土降幅明显较大(浸泡7天下降幅度集中在60%～70%;浸泡28天后降幅在70%～90%)略高于同条件下的MgO-GGBS改性土。浸泡结束后土中残留的Ca CO,在一定程度上可以提高土体在盐、酸溶液中的抗侵蚀性。5.实验证明活性氧化镁、煅烧白云石激发矿渣都能有效提升土体强度:前者能够提供较好的早期强度,而后者能提供较好的长期强度;在本研究条件下,较低的养护温度不适用于煅烧白云石激发矿渣改性土。耐盐性上煅烧白云石激发矿渣改性土在适宜的条件下整体表现优于活性氧化镁激发矿渣改性土,在酸性溶液下反之。