皂化渣粉煤灰泡沫轻质土的制备及其性能研究

作     者：陈锦浩 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏海斌

授予年度：2024年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：皂化渣 粉煤灰 泡沫轻质土 配合比优化 改性研究 数值模拟 

摘      要：注浆被广泛应用于采矿、大坝、隧道、边坡、路基、基坑等工程领域,被认为是防渗、快速修复和加固的最有效方法之一。泡沫轻质土作为一种轻质微孔建筑材料,具有轻质高强,流动性能好等优点,在近些年逐渐成为工程注浆材料的选择。 本文依托广西科技厅重点项目“道路路基服役安全诊断及快速处治技术应用研究,旨在利用皂化渣和粉煤灰,结合路基脱空病害注浆加固需求,研发制备了一种新型固废泡沫轻质土,并对其物理力学性能展开了研究。然后,通过数值模拟软件评估了该材料在路基脱空注浆加固中的可行性,并探讨了不同空洞半径、注浆液密度、注浆液龄期对注浆修复效果的影响。本文的主要研究工作和结论如下: (1)通过活性指数法研究皂化渣与粉煤灰在水泥中的活性情况。分析试验结果发现皂化渣与粉煤灰在水泥中的活性指数相近,皂化渣可以作为辅助胶凝材料用来制备泡沫轻质土。 (2)前期试验发现水胶比、粉煤灰掺量、皂化渣掺量三个因素对SS-FA泡沫轻质土的性能影响较大。通过单因素试验结果分析得出三个单因素的优化区间为水胶比0.51-0.59、皂化渣掺量5%-15%、粉煤灰掺量5%-15%。在单因素试验基础上,设置三因素三水平的正交试验,对正交试验结果进行极差以及方差分析得到各个因素对各个性能指标影响的显著程度,最后通过综合平衡法得到SS-FA泡沫轻质土的最优配比,即:水胶比0.55、皂化渣掺量5%、粉煤灰掺量10%。 (3)通过XRD、SEM等微观测试手段,探究了SS-FA泡沫轻质土的微观形貌以及水化机理。分析发现适量皂化渣的掺入能有效改善泡沫轻质土的孔结构,促进粉煤灰的提前解聚,SS-FA泡沫轻质土的物理力学性能得到提升。 (4)以强度损失率、质量损失率作为评价指标,通过干湿循环和冻融循环试验,研究了SS-FA泡沫轻质土在最佳配合比下的耐久性能。分析耐久性试验结果可知,SS-FA泡沫轻质土最优配合比具有良好的耐久性能。规定循环次数下的强度损失率、质量损失率均符合规程要求。 (5)通过调整容重等级和添加早强剂、稳泡剂、碱激发剂,对SS-FA泡沫轻质土进行了改性研究。结果显示,当容重等级增加时,泡沫轻质土抗压强度提升、流动性增强和吸水率降低。稳泡剂能提高泡沫稳定性,其中0.08%的掺量效果最佳。早强剂显著增强了早期强度,0.3%掺量下3d和7d抗压强度提升最大。碱激发剂促进了粉煤灰的活化,1.6模数和0.6%掺量下效果最佳。 (6)利用FLAC3D数值模拟软件对路基脱空注浆加固进行了数值模拟,并探讨了空洞半径、注浆液密度等级、注浆液龄期对路基脱空注浆修复效果的影响。模拟结果表明,使用SS-FA泡沫轻质土进行注浆加固能够有效提高路面的承载能力和路基的稳定性。随着空洞半径增大,注浆修复后道路结构的位移和应力降低幅度增加,注浆加固效果变得更加显著。同时,提高注浆液的密度等级和延长其养护龄期也能进一步降低道路结构的竖向位移和竖向应力,优化注浆修复的效果。