水泥、粉煤灰和石灰复合改性淤泥物理力学特性研究毕业论文(编辑修改稿)

水泥、粉煤灰和石灰复合改性淤泥物理力学特性研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

硅酸盐水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铝酸四钙等与水发生水解和水化反应，在淤泥中形成水泥石骨架； 水泥的水解反应： 2()+6H2O 一 3CaO2Si023H2O+3Ca(OH)2。 2()+4H2O 一 3CaO2Si023H2O+Ca(OH)2。 3CaOA12O3+6H2O 一 3CaOA12O36H20。 水泥的水化反应： 4CaOA12O3Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O 一 6H2O +3CaOFe2O3+6H2O； 3CaSO4+3CaOA12O3+32H20 一 32H20。 水泥的水化反应主要产物是氢氧化钠、水化硅酸钙，水化铝酸钙，水化铁酸钙等其他化合物。 所以生成的氢氧化钠、水化硅酸钙能迅速溶解与水中，便于接下来的一系列反应的继续进行。 水泥水化反应的生成物主要为氢氧化钙，水化硅 酸钙，水化铝酸钙，水化铁酸钙和钙矾石 (CaOA12O3CaSO432H20)等化合物。 所生成的氢氧化钙，水化硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。 当溶液达到饱和后，水分子虽继续渗入颗粒内部，但新生成物不能再继续溶解，只能以胶体析出，悬浮在溶液中。 （ 2）淤泥颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 1）离子交换和团粒化作用 淤泥和水结合时就表现一定 的胶体特性，如土中二氧化碳遇水后，形成胶体微粒，其表面带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子c 扩十进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体的强 度提高。 水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大 1000 倍，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合，形成固化土的团粒结构，并封闭各团粒的孔隙形成坚固的联结。 2）硬凝反应 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换需要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三 氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，增大固化土强度。 反应式为 : SiO2+Ca(OH)2+nH2O 一 3CaOSiO2(nH)H2O A12O3+Ca(OH)2+nH2O 一 CaOA12O3(n+1)H2O 3）碳酸化作用 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使固化土增加强度，但增长强度较慢，幅度较小。 粉煤灰固化机理 粉煤灰是一种具有潜在活性的火山灰质粉末 ,其化学成分以 SiO Al2O3及其它金属氧化物为主。 研究表明 ,粉煤灰的活性不仅低于成分相近的火山灰质粉末材料 (如矸石等 ),而且更低于矿渣的水化活性。 {8} (1)粉煤灰的活性来源 粉煤灰的活性一般包括物理活性和化学活性。 粉煤灰的物理活性产生的效应包括减水效应、微集料效应和密实效应。 减水效应也称颗粒形态效应 ,主要是指粉煤灰中球形玻璃体起滚珠轴承作用 ,从而使掺粉煤灰体系的流动性提高 ,起减水作用。 微集料效应是指粉煤灰颗粒充当微小集料 ,均匀分布在体系之中 ,填充孔隙和毛细孔 ,改善体系的孔结构和增大密实度。 密实效应是微集料效应和火山灰 效应的共同作用的表生晶相 ,填补水膜层和水泥骨架空隙 ,提高密实度。 物理活性主要在掺粉煤灰体系的早期发挥作用 [9]。 粉煤灰的化学活性指粉煤灰的火山灰性质 , 它来源于煤粉在高温燃烧后收缩成球状液珠后迅速冷却而形成的玻璃体中可溶性的 SiO2, Al2O3,活性 SiO2, Al2O3 与石灰和水混合后能生成水化硅酸钙 (CSH)和水化铝酸钙 (C A H)[10]。 （ 2）激发方式 1）物理激发 物理激发即机械粉磨。 根据粉煤灰的物理产生的来源可以机械球磨。 煤灰经机械粉磨 ,含玻璃珠 的粗颗粒即微珠粘联体被分散成单个微珠 , 较大的玻璃体和炭粒变成细屑 ,虽然颗粒表面积增大 ,表面吸附的水量增加 ,但是球形颗粒增多 ,发挥“滚珠”作用 ,使体系的流动性增加 ,和易性改善 ,从而减少了需水量 [17]。 虽然机械粉磨激发粉煤灰活性工艺简单、成本较低 ,但是由于机械粉磨的激发效果随粉煤灰粒径的减小而呈指数下降 ,而且细磨粉煤灰对体系的强度贡献主要来自颗粒优化产生的形态效应 , 而对玻璃体表面破坏带来的活性效应还在其次 , 因此机械粉磨较适用于粗灰 ,对细灰的作用不是很明显 ,难以较大幅度地提高粉煤灰的活性 [11]。 2） 化学激发 常用的粉煤灰的化学激发方法有酸激发、碱激发、硫酸盐激发、氯盐激发和晶种激发等。 Ca2+是形成胶凝性水化物的必要条件 ,而由于粉煤灰与水泥相比 ,粉煤灰中含的 CaO 量非常低 , 所以在所有的激发方法中 ,首先必须提供充足的Ca2+。 下面简要介绍几种激发机理。 硫酸盐对粉煤灰活性的激发主要是 SO42在 Ca2+的作用下 ,与溶解于液相的活性 Al2O3 反应生成水化硫铝酸钙 AFt,即钙矾石，部分水化铝酸钙也可与石膏反应生成 Aft。 同时 ,也有学者认为 , SO42生成的 CaSO4 和 AFt 均有一定的膨胀作用 ,可以填补 水化空间的空隙 ,使浆体的密实度提高 ,起到补偿收缩的作用[12]。 常见的碱性激发剂有 NaOH,KOH,Na2SiO3 和 Ca(OH)2 等。 粉煤灰的化学成分呈弱碱性，在碱环境中其活性最容易被激发 ,粉煤灰活性激发的关键是使SiO 和 A1O 键断裂。 有研究表明 ,在 OH的作用下 ,粉煤灰颗粒表面的 SiO 和AlO 键断裂 , SiOA1 网络聚合体的聚合度降低 ,而且 OH浓度越大 ,对 SiO 和AlO 键的破坏作用越强 [13]。 常用氯盐激发剂主要有 CaCl2 和 NaCl。 氯盐中的 Ca2+和 Cl扩散能力较强 ,能够穿过粉 煤灰颗粒表面的水化层 ,与内部的活性 Al2O3 反应生成水化氯铝酸钙使水化物包裹层内外渗透压增大 ,并可能导致包裹层破裂 ,从而促进了水化 [14]。 Ca2++ Al2O3+ Cl+ OH——— 3CaOAl2O3CaCl210H2O 粉煤灰中虽然含有大量的铝硅酸盐玻璃体 , 但是其中 SiO44聚合度高 ,结构致密 ,化学性质稳定 ,其火山灰活性大部分是潜在的 ,活性发挥的速度非常缓慢。 铝硅酸盐玻璃体在碱性环境中 ,才能表现出活性。 根据这样的原则 ,一般选用熟石灰 Ca(OH)2(碱激发 )和芒硝 (Na2SO410H2O)(硫酸盐激发 )对粉煤灰的活性进行复合激发 [15]。 石灰的固化机理 在上述的固化机理中，均提到了碱环境。 并且在碱环境中，水泥的固化以及粉煤灰的固化作用均能够达到良好的效果，对淤泥的固化试验有着良好的促进作用 [16]。 在下一阶段的试验中，添加入石灰做激发剂。 2． 3 本章小结 （ 1）本章简述了淤泥固化试验中所需要的试验设备及试验仪器； （ 2）本章分别对水泥、粉煤灰和石灰的固化机理做了简述，并在不同的激发环境下进行叙述，这样对试验的理论部分有所了解，为下一步的试验操作打下了理论基础。 第 3 章 水泥、粉煤灰和石灰改性淤泥物理特性的研究 若要对改性淤泥的利用进行推广，就要充分的了解淤泥改性前与改性后的物理力学性质的对比，并从中找出固化剂配比的合理配方。 本章节从淤泥的物理特性着重研究，并做分析。 试验材料 试验淤泥来源 试验所用淤泥来自月亮湾太湖疏浚淤泥堆场；淤泥试样装入塑料袋后置于塑料桶中，分六桶分装，并标号序号。 在淤泥试样中挑出杂物，静置 2 天后析出水分，测含水率。 固化剂来源 本试验所用主要固化剂：普通硅酸盐水泥、粉 煤灰来源于望亭热电厂，属一级灰、建筑用石灰。 淤泥物理性质试验分析 淤泥含水率的测定 （ 1）试验所需准备的器材： 1） 1012A 型电热鼓风干燥箱（由于淤泥中含有有机质，设定温度不超过 80176。 ）； 2）称量 200g、最小分度值 的天平； 3）恒质量的铝制称量盒； 4）装有干燥剂的玻璃干燥缸； （ 2）含水率测定方法 1)取干净的称量盒 2 个，在天平上称出空盒质量，精确至 ，并在记录本上记录称量盒号码； 2） 从淤泥试样中选取试样 15~30g 淤泥，放入称量盒内，立即盖上盒盖称 盒加湿淤泥质量，准确至 ； 3）打开盒盖，将试样和盒一起放入烘箱内，在温度 80C0下烘至恒量。 试样烘至恒量的时间，设定为 68h，恒温后称重量。 4） 将烘干后的试样和盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥器内冷却至室温。 将试样和盒从干燥器呢取出，称盒加干土质量，准确至。 利用公式 计算既得淤泥含水率 ： %10002 21  mm mm （式 1） 式中：含水率（ %），精确至 %； 1m称量盒加湿土质量（ g）。 2称量盒加干土质量（ g）。 0称量盒质量（ g）。 注意：注意：烘干法试验应对两个试样进行平行测定，并取两个含水率测值的算术平均值。 当含水率小于 40%时，允许的平行测定差值为 1%；当含水率等于、大于 40%时，允许的平行测定差值为 2%。 （ 3）含水率试验结果 从试验结果（表 ）可以看出，未经固化的淤泥含水率很高，难以将淤泥进行处理。 表 试验编号 含水率  （ %） 1 2 平均值 淤泥密度的测定 （ 1） 试验所需准备的器材： 1） 横质量的环刀若干（高度 20mm，底面积 30 cm178。 ，壁厚 ）； 2） 称量 500g，最小分度值为 的天平； 3） 切土刀，钢丝锯，凡士林； （ 2） 密度测定方法： 1） 按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，整平其两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上。 2） 用切土刀（或钢丝锯）将土样削成略大于环刀直径的土柱。 然后将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出环刀为止。 将两端其余土削平修去，取剩余的代表性土样测定含水率。 3）擦净环刀外壁称量。 在天平放砝码一端放一等量环刀，可直接称出湿土质量。 精确至。 4）按式（ ）、式（ ）计算密度和干密度。 21mmmVV  （式 ） 1    （式 ） 式中：湿密度（ g/c3） ,精确至 3m； d干密度（ g/cm） ,精确至 ； 湿土质量（ g）； V 为环刀体积，（ 60 3cm ）； 2m 为环刀加湿土质量， g； 1m 为环刀质量， g； 本实验需进行 2 次平行试验，其平行差值不大于 3gcm。 取其算术平均值。 5）密度试验结果。 (见下表 密度试验记录表 ) 表 度试验记录表 试样编号 湿密度  （ g/cm3） 干密度 d （ g/cm3） 1 2 平均值 从上表可以看出，未经固化的淤泥干密度与湿密度差别较大，淤泥颗粒间空隙较大，导致淤泥难于具有较好的力学性质。 淤泥液塑限的测定 (1) 试验所需准备的器材： 1） 液塑限联合测定仪，包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏 、控制开关和试样杯。 圆锥质量为 76g，锥角为 30C0；读书显示为光电式；试样杯内径为 4050mm,高度为 3040mm。 2）称量 200g、最小分度值 的水平。 3）烘箱、干燥器。 4）铝制称量盒、调土刀、孔径为 的筛、凡士林等。 （ 2）液塑限测定方法： 1） 试验采用风干土样，并用 筛试样 200g，分成 3 份，分别装入 3个盛土皿中，加入不同数量的纯水，使分别达到不同稠度的试样，分别接近液限、塑限和二者的中间值。 2）将制备好的土膏用调土刀充分搅拌均匀，密实地填入试样杯中，应使空气逸出。 高出试样杯的剩余土用刮土刀刮平，随即将试样杯放在仪器底座上。 3）将试样杯放在联合测定仪的升降座上，调节零点，使圆锥尖接触试样表面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样内，经过 5s 后立即测读圆锥下沉深度。 然后取。