粉煤灰地质聚合物隧道淤泥的力学性能

摘要

隧道淤泥有很大的潜力，可以作为可回收的工程材料用于运输和其他土建工程，而不是作为建筑垃圾堆放。在这项工作中，地质聚合物是由碱活化粉煤灰产生的，作为胶凝材料，以加强隧道淤泥。隧道渣土必须经过脱水、磨碎和筛选，然后用碱活化粉煤灰处理。粉煤灰与隧道淤泥质量比(M_足总/M_商标)的质量比_2.SiO_3.溶液及氢氧化钠溶液( )，液体与固体的比率(M_液体/M_固体)通过单轴压缩实验，系统地研究了碱活化粉煤灰处理后，NaOH摩尔浓度对地质聚合物强度的影响。实验结果表明，液固比是影响地质聚合物强度的最重要参数，而NaOH摩尔浓度对地质聚合物强度的影响较小此外，根据试验结果，得出最佳方案为：隧道渣与粉煤灰的质量比、Na与粉煤灰的质量比_2.SiO_3.溶液和氢氧化钠溶液，液固比和氢氧化钠的摩尔浓度分别为1:2、1.8、0.18和10 mol/L。同时，SEM图像表明，粉煤灰中活性物质的絮凝是胶凝材料的关键组成部分。

1.导言

隧道结构作为提高城市土地利用效率的最有效方式之一，在城市地铁建设和交通隧道中得到了很好的应用[1.,2.].人们甚至提议将隧道结构应用于月球探测[3.–5.]。同时，大量开挖料/隧道淤泥已从隧道中清除，长期以来，这些开挖料/隧道淤泥被认为是价值很低或没有价值的废料[6.,7.]隧道淤泥的主要成分为砾石、砂和粘土，含水量不同。这些岩土材料的不稳定性可能引发可怕的灾害[4.,8.–12］．因此，如何有效地沉积甚至回收隧道淤泥对环境具有重要意义。

砾石和砂是典型的地粒状物质[13–16]自20世纪90年代以来，采用光弹性实验方法对其力学性能进行了系统的研究[17–21]然而，隧道淤泥中的粘土含量始终是最难处理的部分之一，通常与膨润土、起泡剂、树脂、增粘剂等改性剂混合。人们已努力回收粘土含量一直以来，地质聚合物都是一种绿色材料[22–24］．Davidovits [25]提出了一种称为地质聚合物的新型材料作为解决这一问题的可能方法，因为其物理性质使其成为许多传统水泥和塑料的可行替代品。与传统水泥相比，地质聚合物具有很强的抗化学性、耐火性和耐温性等[26鉴于这些优越的性能，最近报道了用碱激发粉煤灰提高地基土的承载力以提高地基土的承载力。27,28］．此外，与黄土和全风化花岗岩结合的地聚合物被开发为有用的建筑材料[29–31］．然而，关于碱活化粉煤灰作为隧道淤泥胶结材料的文献很少。

本文研究了碱激发粉煤灰制备的地质聚合物用于高粘土含量隧道淤泥的再利用，讨论了浇注法和压模法制作地质聚合物样品的优缺点，并通过正交试验分析了地质聚合物样品的强度通过改变四种不同参数的压缩试验，最终提出了从高粘土含量中制备地质聚合物样品的最佳方案，为隧道淤泥的再利用提供了有价值的参考。

2.实验材料与协议

2．1．实验材料

长沙地铁隧道开挖的隧道淤泥用于制备地质聚合物。此处隧道淤泥的主要成分为全风化砾岩，含水量约为26.9%，含泥量约为26.9%，粘土含量约为18.4%。隧道淤泥的粒度分布如图所示1.．开挖隧道淤泥的塑性极限和液体极限分别为13.3%和29.0%。

在制造地聚合物之前，要将挖出的隧道淤泥进行干燥和粉碎。筛分直径小于2mm的细粒淤泥。典型细粒淤泥经2mm直径筛过滤后的x射线荧光(XRF)结果见表1..大多数元素都是二氧化硅_2.和艾尔_2.O_3.细粒淤泥。细粒淤泥中氧化镁含量约为1%，CaO含量极少。粉煤灰用量为450 m^2./kg比表面积应用于本工程隧道淤泥。碱活化剂是氢氧化钠溶液和钠的混合物_2.O·NSiO_2.在本工作中，NaOH溶液是通过将工业级片剂碱溶解到水中制成的。新制备的氢氧化钠溶液在用于制备地聚合物之前必须冷却到室温。为了保证混合物的平衡状态，按照Duxson等人的建议，混合溶液在使用前需要至少储存24小时[29,32,33］．

2.2.模拟地质聚合物样品的实验方案

尝试了四种不同的方法来制备原料混合物。在这项工作中，将采用具有最高强度的样品。应用方法的细节包括：（1）在容器中添加一定量的淤泥；（2） 根据方案，粉煤灰与淤泥混合良好；（3）将溶液倒入淤泥和粉煤灰混合物中，并充分混合。这里不介绍其他三种方法的细节，因为这些方法不适用于本工作。制备地质聚合物可采用两种主要程序：铸造和模压（半干压）[34］．采用浇注法，将原料与碱活化粉煤灰混合制成柔性料浆，浇注到试样模具中。地聚合物会在一段时间后形成。浇铸法是一种相对简单的方法，甚至可以制作复杂几何形状的地聚合物样品。在样品中加入不同的水量，得到能使原料灵活的最佳水量。如果要将原料倒入模具中，就必须加入20% ~ 40%的水，这是太多了。此外，如图所示，由于粘土含量高，地质聚合物样品的表面总是会出现裂缝2（a）， [35,36]对于模压法，将含有碱活化粉煤灰的原材料混合物制成胶体溶液，在模具中压缩成固体样品，这比浇铸法需要更少的水。此处施加的力为19.625 千牛与10 MPa对应压力。此外，相同的压力（10 本工程采用压制法制作样品。采用模压法制作的地质聚合物样品表面相对光滑，如图所示2 (b)因此，本工作采用模压法制造地质聚合物。

2．3.单轴压缩协议

通过综合实验系统地研究了各参数对地聚合物强度的影响。采用正交试验设计对单轴压缩方案进行了设计。将四个不同的参数视为正交因子，共涉及三个因子水平。实验协议详细内容如表所示2.参数包括粉煤灰与隧道淤泥的质量比(M_足总/M_商标)的质量比_2.SiO_3.溶液及氢氧化钠溶液( )，液体和固体之间的质量比(M_液体/M_固体)，以及NaOH的摩尔浓度，其中飞灰和隧道淤泥之间的质量比表示飞灰的质量与干燥隧道淤泥的质量。

将地质聚合物样品压入直径50 mm、高度100 mm的圆柱形模具中，压缩压力为10 MPa。样品在单轴压缩仪(Instron 1346)上放置28天。采用应力控制和位移控制相结合的方法进行试验。初始状态下，加载速度为10 kN/min时采用应力控制方法，位移控制方法为0.2 mm/min时采用估计峰值强度的80%，直至完全破坏阶段。

3.实验结果

３．１．地聚合物的应力-应变曲线

9 × 3单轴压缩实验结果的应力-应变曲线如图所示3..一般而言，应力-应变曲线中可观察到四个阶段；典型应力序列曲线上每个阶段的区域如图的插图所示3.. 这四个阶段包括以下内容。（1） 第一个阶段是应变硬化阶段，它发生在初始压缩之后。曲线的斜率随着压缩应变的增加而增加，这表明该阶段的垂直刚度增加。（2） 第二个阶段是线弹性变形阶段，此时应力随着应变的增加而线性增加。在此阶段卸载后，地质聚合物样品的变形可以恢复。样本中没有或只有少数局部重排发生。线弹性变形阶段的最大应力约为峰值应力的50%。（3） 第三个阶段是应变软化阶段，应力-应变曲线的斜率随着应变的增加而减小。裂纹开始在样品中形成，并最终渗透到样品中。同时，应力与峰值应力相对应。（4） 第四阶段是峰后变形阶段，应力随着应变的增加而减小。随着应变的增加，沿压缩方向会产生多个垂直裂纹。

３.２．地聚合物样品的力学性能

从应力-应变曲线中可以提取地质聚合物样品的几个力学参数，包括强度、弹性模量、残余强度、峰值应变和韧性。弹性模量通过在压缩强度的25%到50%范围内拟合应力-应变曲线来计算al强度，峰值应力下的应变，γ_P，先由应力-应变曲线求得，再由应变= 2处的应力求得γ_P定义为残余强度。应力通常在应变比峰值应力大两倍后达到稳定状态。因此，应变比峰值应力大两倍的应力定义为残余强度。韧性定义为应力-应变曲线下的面积。材料的机械性能来自单轴压缩实验结果的地质聚合物样品如表所示3.，其中，在相同初始条件下，所有机械参数在三次试验中取平均值。

4.讨论

如表所示3.组7试样强度最大，为26.41 MPa。第4组的弹性模量最高，为4.40 GPa。最大残余强度为3.88 MPa，表现为组3。所测地聚合物试样的峰值应变位于6.31 × 10^−3.∼9.82×10^−3.，是混凝土峰值应变的几倍[37］．平均残余强度约为峰值强度的11.9%。

应用正交分析来了解各参数对地聚合物样品强度和韧性的重要性[38,39］．正交分析的详细情况见表4.．结果表明，碱活化粉煤灰处理后，液固比是影响地聚合物强度的最重要参数。相反地，地聚合物的强度对氢氧化钠的量浓度不敏感。同时，根据试验结果得出最佳方案为:粉煤灰与隧道淤泥的质量比、钠的质量比_2.SiO_3.溶液和氢氧化钠溶液，液固比和氢氧化钠的摩尔浓度分别为1:2、1.8、0.18和10 mol/L。

粉煤灰与隧道淤泥质量比的影响(M_足总/M_商标)的质量比_2.SiO_3.溶液及氢氧化钠溶液( )，液体与固体的比率(M_液体/M_固体)和氢氧化钠的摩尔浓度对地聚合物强度的影响如图所示4.（a） –4.(d).当强度接近最大值时M_足总:M_商标= 1:2, NaOH的摩尔浓度是10 mol/L。强度随强度的增加而增加M_液体/M_固体增大，是控制地聚合物强度的重要因素之一。然而，地聚合物样品制作难度较大M_液体/M_固体> 0.2，因为混合物将被挤出模具。这一比率M_液体/M_固体= 0.18设置为本工作中的地聚合物。是影响地聚合物强度的另一个重要因素，与地聚合物强度呈负相关关系。这四个影响因素对地聚合物试样强度的影响如图所示4.(e) -4.(h).根据表中的正交分析结果4.时，地聚合物样品具有最高的韧性M_足总:M_商标= 1: 3， = 1.8,M_液体/M_固体 = 0.8，NaOH的摩尔浓度为12 摩尔/升。

团聚体所填充的微尺度孔隙是影响地聚合物试样强度的另一个重要因素。填充程度可以通过地聚合物样品的密度来估计，密度与地聚合物样品的密度呈正相关关系。数字5.给出了不同粉煤灰与隧道淤泥质量比条件下，土聚合物试样强度随密度的函数关系。强度随密度的增加而增加M_足总:M_商标 = 1. : 2和2 : 3.然而，当M_足总:M_商标= 1: 3时，随着密度的增大，强度先增大后减小，约为20 MPa。

强度和韧性随弹性模量和峰值应变的分散情况如图所示6.．峰值应变的渐近值似乎为8 × 10^−3.，如图中的虚线所示6.（c） 及6.(d).弹性模量和韧性均与强度呈正相关，而强度( )及弹性模量( )可通过以下线性方程进行拟合：

失效地质聚合物样品的图片如图所示7..几乎每个失效样品都有一个锥形几何体部分，这可能是由于机器和样品之间的基础摩擦造成的。同时，在失效样品中也可以找到“X”形剪切带几何体，如图所示7.(g) (16,40].另一个不常见的故障如图所示7.，其中样品的顶部比较完整，而样品的底部则破碎成碎片。这可能是由于试样内部的密度分布不均匀，这是由于试样与顶部施加的压缩下阻止试样向下滑动的模态之间存在较大的摩擦[41].在这种情况下，将形成密度较大的顶部和密度较小的底部。

通过不同微观水平的扫描电子显微镜(SEM)测试，了解地聚合物的微观结构。SEM图像如图所示8.，絮凝物为地聚合物，球体为飞灰，大块为土壤颗粒。粉煤灰和土壤颗粒被絮凝物包裹(图)8.（a） 及8.（b） ）强化样品。絮凝主要来源于飞灰中活性物质的化学反应。未发生化学反应的剩余材料成为地质聚合物样品的填料和骨架，如图所示8.(c).经过化学反应后，可以看到粉煤灰颗粒表面的腐蚀;如图所示，可以看到几个结构孔8.（d） 。

5.结论

报道了不同配方制备的地聚合物的力学性能。对其强度、韧性和残余强度进行了系统分析。采用正交分析方法，了解粉煤灰与隧道淤泥质量比(M_足总/M_商标)的质量比_2.SiO_3.溶液及氢氧化钠溶液( )，液体与固体的比率(M_液体/M_固体)、氢氧化钠的量浓度对地聚合物强度的影响。我们的实验研究得出以下结论:(1)对于粘土含量高的隧道淤泥，压模法优于浇注法。制备高强地质聚合物试样时，应先将干土与粉煤灰混合均匀，再加入碱激发剂。(2)正交试验结果表明，设定粉煤灰与隧道淤泥的质量比、钠的质量比是制备地质聚合物样品的最佳方案_2.SiO_3.溶液和氢氧化钠溶液，液固比和氢氧化钠的摩尔浓度分别为1:2、1.8、0.18和10 mol/L。(3)地质聚合物试样的破坏表现为锥状破坏和“X”形剪切破坏。SEM图像表明，粉煤灰中活性物质的絮凝是胶凝材料的关键组成部分。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本课题由中国建筑工程股份有限公司资助项目(批准号:湖南省自然科学基金项目(批准号:CSCEC-2018-Z-1);2018JJ3578)，中建五工程组。基金资助项目(批准号:cscec5b - 2017 - 03)。

参考文献

1. 刘伟，赵涛，周伟，唐建军，“中国地铁隧道施工安全风险因素分析:基于EFA和SEM的综合研究”，安全科学，第105卷，第98-113页，2018年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
2. p . Li Y.-w。张,F.-y。“基于原型试验的盾构隧道结构健康综合评价”，中南大学学报，第25卷，第2期3，第681-689页，2018。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
3. J.Rostami、C.Dreyer和B.Blair，“月球隧道掘进机”，摘自第16届国际工程、科学、建筑和挑战环境中的操作双年会议论文集，第240-252页，美国土木工程师学会，俄亥俄州克利夫兰，美国，2018年4月。视图:谷歌学术搜索
4. 郑H和黄Y，“月球表土模拟物流滑模型试验，”环境地球科学，第73卷，第2期8, pp. 4853-4859, 2015。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
5. 黄和郑，“低围压下月球表土模拟物的力学特征，”环境地球科学，第71卷，第71期8, pp. 3697-3703, 2014。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
6. R.Bellopede、M.Francini、P.Marini、A.Migheli、E.Moretti和P.Oreste，“隧道淤泥混凝土的碱骨料反应：实验研究”，年社会和领土工程地质学第5卷：城市地质学、可持续规划和景观开发，第81-84页，德国柏林斯普林格，2015年。视图:谷歌学术搜索
7. R.Bellopede、D.Colaiacomo、P.Marini、P.Oreste和O.Radis，“隧道淤泥的骨料及其作为二次原料的用途：都灵地下的案例研究”，年社会和领土工程地质学第5卷：城市地质学、可持续规划和景观开发， pp. 75-79，施普林格，柏林，德国，2015。视图:谷歌学术搜索
8. 张伟，郑华，江峰，王振宇，“基于水-土耦合并行光滑颗粒流体力学模型的土质边坡稳定性分析，”计算机与岩土工程，第108卷，第212-225页，2019年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
9. 李国栋，黄勇，“基于湍流模型的空气-土壤两相流数值模拟，”自然灾害，第58卷，第2期1，页311-323,2011。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
10. 黄Y.黄，郑H.毛W.黄M.黄和李G.李，“液化后砂土流体特性的三轴试验，”环境地球科学，第67卷，第5期8，第2325-2330页，2012。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
11. 黄颖，郑华，庄志强，“中国南水北调工程水库坝基地震液化分析。第一部分:液化潜力评估自然灾害，第60卷，第2期3, pp. 1299-1311, 2012。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
12. 黄颖，郑华，庄志强，“中国南水北调工程水库坝基地震液化分析。第二部分:地震反应模拟，"自然灾害，第60卷，第2期3, pp. 1313-1324, 2012。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
13. H.M.B.Al-Hashemi和O.S.B.Al-Amoudi，“关于粒状材料休止角的评论，”粉技术，第330卷，第397-417页，2018年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
14. a·d·伯内特和p·g·d·怀特塞德，《用于建筑目的的挖沙碎石:评估程序和香港案例研究》，海岸研究杂志，第8卷，第2期1，第105-124页，1992。视图:谷歌学术搜索
15. D.Penumadu和R.Zhao，“使用人工神经网络（ANN）的砂和砾石的三轴压缩特性，”计算机与岩土工程，第24卷，第3期，第207-230页，1999年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
16. “基于光弹性技术的颗粒双轴试验的实验研究”，工程地质，第260卷，Article ID 105208, 2019。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
17. Y.Zhao，H.Zheng，D.Wang，M.Wang和R.P.Behringer，“颗粒光弹性实验中基于强度梯度法的颗粒尺度力传感器，”新物理学杂志，第21卷，第2期，文章编号023009，2019年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
18. Zheng H.， D. Wang, D. Z. Chen, M. Wang, R. P. Behringer， " intra friction effect on granular impact dynamics， "物理评论E第98卷第1期3, 2018。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
19. H、 郑、王德旺、J.Bares和R.P.Behringer，“沉入一层被剪切激活的颗粒床上物理评论E，第98卷，第1号，文章编号0109011918。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
20. D.Wang，J.Ren，J.A.Dijksman，H.Zheng和R.P.Behringer，“二维摩擦颗粒剪切干扰的微观起源，”身体检查信件，第120卷，第20号，文章编号2080042018。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
21. H.Zheng，J.A.Dijksman和R.P.Behringer，“无基础摩擦颗粒试验中的剪切干扰，”EPL (Europhysics字母)，第107卷，第3期，第340052014页。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
22. L.Yun Ming，H.Cheng Yong，M.M.Al-Bakri和K.Hussin，“粘土基地质聚合物水泥的结构和性能：综述，”材料科学进展，第83卷，第595-629页，2016。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
23. B.Singh、G.Ishwarya、M.Gupta和S.K.Bhattacharyya，“地质聚合物混凝土：一些最新发展的回顾，”建筑及建筑材料，第85卷，第78-902015页。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
24. Zhuang，L.Chen，S.Komarneni等人，“粉煤灰基地质聚合物：清洁生产、性能和应用，”清洁生产学报，第125卷，第253-267页，2016年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
25. J.Davidovits，“人造岩石土工合成材料和由此产生的超早期高强度水泥的发展，”材料教育杂志，第16卷，第2期，第91-139页，1994年。视图:谷歌学术搜索
26. K. Komnitsas和D. Zaharaki，“地质聚合:矿产行业的回顾和展望”，矿业工程，第20卷，第2期。14, pp. 1261-1277, 2007。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
27. N. Cristelo, S. Glendinning, T. Miranda, D. Oliveira，和R. Silva，“使用碱性活化粉煤灰进行自密实夯土施工的土壤稳定”，建筑及建筑材料，第36卷，第727-735页，2012。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
28. C. Suksiripattanapong, S. Horpibulsuk, P. Chanprasert, P. Sukmak，和A. Arulrajah，“由水处理污泥制造的粉煤灰地聚合物砌体单元的抗压强度发展”，建筑及建筑材料，第82卷，第20-30页，2015年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
29. P.Duxson、J.L.Provis、G.C.Lukey、S.W.Mallicoat、W.M.Kriven和J.S.J.van Deventer，“理解地质聚合物组成、微观结构和机械性能之间的关系，”胶体和表面A：物理化学和工程方面，第269卷，第1-3期，第47-58页，2005年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
30. J.-B.M.Dassekpo，X.Zha和J.Zhan，“完全分解花岗岩（CDG）和部分粉煤灰置换所得地质聚合物膏体的抗压强度性能，”建筑及建筑材料，第138卷，第195-2032017页。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
31. J.-B.M.Dassekpo，X.Zha和J.Zhan，“黄土粉煤灰基地质聚合物的合成反应和抗压强度行为，用于可持续绿色材料的开发，”建筑及建筑材料，第141卷，第491-500页，2017年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
32. P. Duxson, A. Fernández-Jiménez, J. L. Provis, G. C. Lukey, A. Palomo, J. S. J. van Deventer，“地聚合物技术的现状”，材料科学杂志，第42卷，第9期，第2917-2933页，2007年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
33. P. Duxson, G. C. Lukey, F. Separovic，和J. S. J. van Deventer，“碱阳离子对地质聚合物凝胶中铝掺入的影响”，工业与工程化学研究，第44卷，第4期，第832-839页，2005年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
34. 梁海英，“土壤-粉煤灰地质聚合物的强度发展:土壤、粉煤灰、碱激发剂和水的评价”，D. E. L. Ong, J. G. Sanjayan, A. Nazari，“土壤-粉煤灰地质聚合物的强度发展:土壤、粉煤灰、碱激发剂和水的评价”土木工程材料学报，第30卷，第2期8、文章ID 04018171, 2018。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
35. P.Boivin、P.Garnier和D.Tessier，“粘土含量、粘土类型和土壤样本收缩特性之间的关系，”美国土壤科学学会学报第68卷，第4期，第1145-1153页，2004年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
36. J. M. Kanema，“土壤含量对土混凝土力学性能、干燥收缩和自收缩的影响”，建筑工程学报， vol. 13, pp. 68-76, 2017。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
37. M. M. Attard和S. Setunge，《约束混凝土和非约束混凝土的应力-应变关系》，ACI材料杂志第93卷，第5号，第432–442页，1996年。视图:谷歌学术搜索
38. T.Mizuno、S.Kinoshita、T.Ito、S.Maedera和H.Kusuhara，“将药物效应分解为基本成分的正交线性分离分析（OLSA）的发展，”科学报告，第9卷，第1期，2019年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
39. 王伟，张伟，“基于正交增广径向基函数的全局灵敏度分析”，可靠性工程与系统安全，第185卷，第291-302页，2019。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
40. 郑海明、王德明、汤晓东、李丽和贝林格，“剪切带区域的颗粒尺度响应，”颗粒物质，第21卷，第4期，第107页，2019年。视图:出版商网站|谷歌学术搜索
41. D. E. M. Gooding，“水泥土砌块生产的改进工艺”，华威大学工程学院哲学系，英国考文垂，1994，博士论文。视图:谷歌学术搜索

版权

版权所有©2020 Dong Yang等人。这是一篇根据知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。