文摘
本研究探讨了加固效果不同的纤维在碱性溶液花岗岩残积土的力学性能使用单变量方法。加强样品的宏观力学性能进行了研究使用非承压横向抗压强度试验和落锤加载试验,而微观性质的使用技术,如中小企业和XRD表征。结果表明,当获得了最大的强化效果SiO的比率2/ Na2O在碱性溶液为0.5摩尔4402.85 kPa的抗压强度。当时,玻璃纤维的增强作用的碱性溶液对花岗岩残积土优于玄武岩纤维。将玻璃纤维和0.5摩尔SiO的碱性溶液2/ Na2O为花岗岩残积土表现出最好的能力增强,与最大冲击载荷和压缩达到120 kN, 12.1毫米,分别。中小企业的调查结果分析显示,GRS包括大量的高岭石,,当在碱性溶液分解,生成的凝胶物质束缚纤维和土壤在一起,它们之间的毛孔,从而提高样本的密实度。XRD结果显示凝胶的形成和少量的地质聚合物在土壤的碱性溶液下0.5摩尔SiO2/ Na2O,加强土壤颗粒和纤维之间的结合,提高综合实力。
1。介绍
随着中国经济的蓬勃发展,生活在城市地区的人数增加,需要增加公共交通的使用。大型公共建筑工程产生大量的建筑垃圾。二百万吨的废土2019年生成的(1]。然而,建筑垃圾土处理已经成为一个引起人们的关注。一般来说,只有一小部分土壤挖掘浪费可以用于低级公路或基础设施坑回填;大部分必须转移到垃圾填埋场。这将不可避免地导致一系列的后果。土壤颗粒的释放期间交通污染危及当地社区的健康的道路和周围的空气环境。此外,大量的浪费土地填埋场消耗大量的空间,导致土地资源的巨大浪费。因此,建筑垃圾的土壤的可持续利用是一个现代环保的话题(2]。调查一个合适的方法来利用土壤具有重大实际工程意义,因为它既能缓解的问题随机浪费土壤处理和减少能源使用3]。
废物的回收土壤中普遍流行学者(4- - - - - -6]。其中的几个研究都是有益的和潜在的。钢筋高岭土样品的抗压强度显著增加当钢渣和矿渣等工业废弃物作为原料加强残积土、活性氧化镁和氧化钙(7]。使用科学的流程、水泥块和浪费花岗岩切割熔渣与可比再生强度水泥块(8]。建筑垃圾已经转化为土工格栅,某些抗拉强度使用一种特殊的技术(9]。添加kaolinite-containing浪费土壤混凝土提高了强度,同时减少所需的水泥(10]。所有这些表明,可持续利用建筑垃圾土已经吸引了相当大的关注。
由于独特的地理位置和气候,这个地区的大部分建筑垃圾土,包括广东和福建,花岗岩土壤残留(GRS),功能非常高承载力在干燥条件下但是往往软化和承载力降低突然暴露在水(11- - - - - -13]。中国南方地区的特点是炎热和潮湿的气候;因此,GRS经常被认为是一种浪费土壤承载力低于需求以来在接触水由于其孔隙度和亲水性高岭石含量高(14]。正因为如此,GRS的水中容易软化,导致丧失承载力(15),使得它难以保持其原始形式(16- - - - - -18]。为了重用GRS以可持续的方式,研究减轻GRS的水解体财产承担,包括使用聚合物SH,附加一层疏水组高岭石表面保持其强度当暴露于水(19- - - - - -25]。一些国内的研究表明,透明的土壤也有类似的特征GRS碱溶液和水泥的作用下(26- - - - - -30.]。与此同时,国外有类似的研究(31日- - - - - -34]。其他人使用碱性解决消费高岭石GRS本质上为了消除其亲水性和确保其强度35,36]。另外,大量研究已经解决了这一问题加强GRS粉煤灰和水泥(37),以增加其抗压强度。虽然方法如添加水泥或粉煤灰GRS可以提高其强度,他们很少不够环保,这个过程产生大量碳排放(38,39]。因此,它是至关重要的考虑更可持续的加固方案。
环保,无污染,碱性溶液是一种无机溶液,在正确的比例,可以用来消费高岭石GRS并生成地质聚合物或凝胶物质。高岭石以来,这种物质不仅提高了土壤在某种程度上也解决了GRS迅速分解水的问题[14,40,41]。碱性治疗GRS有许多优点,但对待GRS异常脆弱,这可能导致脆性的影响与水泥钢筋(42- - - - - -44]。出于这个原因,这种材料对于大型应用程序的使用是气馁。(45- - - - - -49]。研究了纤维作为一个潜在的解决方案治疗GRS的脆性。从废轮胎的纤维、剑麻仙人掌浆、竹,聚丙烯已经证明降低脆性,增加土壤颗粒之间的压力和承载力50- - - - - -55]。
从上述文献,很明显,尽管这些研究人员做出贡献的领域加强土壤与纤维或其他代理人,有一个缺乏研究钢筋与纤维在碱性花岗岩土壤残留的解决方案。此外,上述人员只调查了静载荷对花岗岩残积土的抗压强度,但小研究了加筋土的动态冲击载荷性能和更少的微机械特性。因此,在这项研究中,比较了玻璃纤维和玄武岩纤维之间的GRS钢筋在碱性溶液和耐冲击的钢筋GRS静态载荷和动态载荷下的加固机理,从微观的角度考察了不同纤维的使用SEM和XRD技术。
2。测试方法
2.1。材料
2.1.1。花岗岩残积土
花岗岩残积土具有独特的结构和巨大的力量在干燥状态,但其强度迅速下降后浸泡在水或震动(即使长期暴露在空气中时间),导致工程或地质灾害频繁。因此,它被认为是“地区土壤”或“独特的土壤。“这个实验利用花岗岩残积土开挖的基坑广州地铁站(图1(a))。土壤主要是粘土和部分砾石粘土质。它主要是暗黄色。其主要土壤力学性能表1。
(一)
(b)
(c)
2.1.2。氢氧化钠分析试剂
分析试剂氢氧化钠是白色(图1(b))、制服、水溶性颗粒状固体,密度1.09克/厘米3和分子量40,形成一个半透明的水溶液溶解在水中。
2.1.3。氢氧化钠分析试剂
硅酸钠分析试剂是一种白色(图1(c)),均匀,颗粒状固体水溶性,分子量为284.22,包含大约64%的二氧化硅和氧化钠的22.5%,并形成了一个半透明的水溶液溶解在水里。
2.1.4。玄武岩纤维
玄武岩纤维是一种无机非金属纤维材料主要是由玄武岩矿石已经融化在一个较高的温度,然后扔在一个特定的模具。具有突出的特点如韧性强度高、模量高、耐高温和低温,耐腐蚀。它的平均长度是6毫米,直径是20微米。玄武岩纤维的具体参数如表所示2。
2.1.5节讨论。玻璃纤维
在这个实验中使用的玻璃纤维作为增强剂是一种无机非金属材料具有优良的性能,平均6毫米的长度和直径10微米,如图2。无污染,环保,它具有良好的绝缘、耐热性高、优越的耐蚀性和较高的机械强度。玄武岩纤维的具体参数表2。
2.2。样品制备和养护
按照国家标准GB / T 50123 - 2019(岩土测试的标准方法),样本为7 h烤大约105°C,然后碎和渗1.18毫米后冷却到室温。在这个实验中使用的最优含水量13%获得人民币Bingxiang的先前的研究。
不同的纤维和碱解决方案添加到土壤在不同数量。混合物充分混合,压缩成一个圆柱体,直径100毫米和50毫米的高度使用geo-compaction设备(图314天)层,风干在通风良好的室内环境。样品的总重量是1600克。
(一)
(b)
(c)
2.3。样品编号的无侧限抗压强度试验和落锤试验
确定最优配筋率的碱性溶液通过无侧限抗压强度测试中描述表3。强化,几个摩尔比率是用来准备碱性溶液。“0.5摩尔”表示一个SiO碱性溶液2/ Na2阿比0.5摩尔。
表4说明了落锤冲击负载测试的结果。理想的内容和长度的玻璃纤维强化3%和6毫米,而这些玄武岩纤维4%和6毫米(陈等)。最优比例的碱性溶液由静载荷试验确定为0.5摩尔;因此,0.5摩尔碱性溶液被选为落锤试验的主要项目检查,与0.7摩尔和0.4摩尔碱性解决方案比较。为了研究花岗岩残积土的加固效果不同的纤维在碱性溶液中,玻璃纤维和玄武岩纤维,分别纳入土壤碱性溶液的基于给定的比率。为每个条件有三个例子。标签样品,落锤试验被指定为“信用证”,0.7摩尔碱性溶液比“0.7”,添加玻璃纤维,玄武岩纤维,分别“G”和“B”。“GRS”是指纯土样。例如,“lc - 0.5 g”表示一个示例包含玻璃纤维和碱性溶液,0.5摩尔比。
2.4。方法
2.4.1。无侧限抗压强度试验
样品的单轴抗压强度是衡量一个4 W单轴抗压测试仪器(见图4)。按照GB / T 50123 - 2019标准对岩土测试方法,样本在精确定位中心新闻压盘的排除的可能性偏心荷载的加载速率0.5 MPa / s。轴向力加载失败记录。每个样本的单轴抗压强度计算使用以下公式: R样品的极限抗压强度,是样品失败时的最大负载,一个是样品的横截面积。
根据极限载荷的原则不应超过15%,三个样品在相同的平均强度比率计算。确定最优浓度的碱性溶液,无侧限抗压强度试验是用来分析样品的抗压强度在不同的比率。
2.4.2。落锤冲击试验
落锤试验是英斯特朗9350年Ceast floor-standingdrop-weight冲击试验机进行一个下降的体重为3.06公斤,装船重量为36.67公斤。下降的速度为4.5米/秒,和相应的瞬时冲击能量为403.13 J。落锤的表面压力传感器记录样品的冲击载荷,变形是由计算机计算(见图5)。
3所示。结果
3.1。无侧限抗压强度试验
GRS样本在A组的最大抗压强度851.80 kPa。的最大抗压强度组B, C, D, E是761.40 kPa, 1156.10 kPa, 4112.55 kPa, 4402.85 kPa,和1750.70 kPa,分别2摩尔,碱含量时1摩尔,0.7摩尔,0.5摩尔和0.4摩尔。图6描述了最大应力和不同SiO误差分析的样本2/ Na2O比率每组中。因此,强化对土壤的影响随SiO2/ Na2阿比和引人注目的最佳比例。此外,见图6,氢氧化钠的加入降低了SiO的比率2/ Na2通过增加钠的量2O在解决方案。显著增加时目睹SiO的比率2/ Na2从2摩尔O降低到0.5摩尔。样品的强度由0.7摩尔和0.5摩尔SiO2/ Na2O几乎是280%比样品2摩尔和1摩尔SiO组成2/ Na2o .然而,强度降低到1750.70 kPa SiO的比率2/ Na2O提高到0.4摩尔,证明SiO的比率2/ Na2O大大提高了强度和强化效应只在定义的范围内,而不是直接比例的增加力量。基于无侧限抗压强度试验结果,认为理想的SiO比率2/ Na2O为碱性溶液对花岗岩残积土加固效果为0.5摩尔SiO2/ Na2O。
3.2。落锤试验
数据7(一)-7(c)说明了极限承载力的不同比例下的标本由不同纤维增强碱性液和影响的初始速度为4.5米/秒,403.13 J的初始能量,以及无钢筋GRS样本。作为显示在图7(GRS) 13.5 kN的承载力和变形14毫米时受到影响。
(一)
(b)
(c)
如图7(b),添加三个碱性溶液的摩尔比率大大提高了玻璃纤维样品的极限承载力(lc - 0.7 g, lc - 0.5 g和lc - 0.4 g)相比GRS样品(40.6 kN, 120.0 kN, 50.0 kN),与lc - 0.5 g展示最好的加固效果。这意味着钢筋的碱性溶液样品0.5摩尔,SiO2/ Na2啊,和玻璃纤维是最强的。相比GRS样本(14.5毫米)的变形,变形的样品含有玻璃纤维和碱溶液在三个不同的比率降低了16.6%到12.1毫米。lc - 0.5 g显示最少的失真。可以得出这样的结论:添加玻璃纤维和一个包含0.5摩尔的SiO碱性溶液2/ Na2O提高GRS的强化能力方面的强度和变形。
图7(c)显示GRS钢筋的耐冲击性能与玄武岩纤维在不同碱性溶液比率。的最终承载力lc - 0.7 - b, lc - 0.5 - b,和lc - 0.4 - b增加了211%,507%,和189%,分别比GRS样本,42 kN, 82 kN, 39 kN。lc - 0.7 b表现出最强的加固效果和最大的极限承载力。尽管lc - 0.5 b有一个更大的承载力,看来它的变形尚未改善,因为它一直在14毫米。类似的条件存在于其他两组(lc - 0.7 - 0.4 g和lc - - g)。玻璃纤维具有更多的优势在提高样品的变形比玄武岩纤维。在承载力方面,硅的最佳比例2O / NaO20.5摩尔的两种纤维。这表明最优加固碱性溶液率0.5摩尔斯2O / NaO2,这是符合无侧限抗压强度测试的结论。最好的强化效应的两个纤维发生在0.5摩尔斯2O / NaO2碱性溶液,但玻璃纤维的强化效果优越,就是明证,极限承载力和变形的lc - 0.5 g 120 kN, 12.1毫米,或高于玄武岩纤维46.3%和13.6%。在最佳的碱性溶液,可以观察到玻璃纤维有一个更强大的比玄武岩纤维增强能力。
数据7(b)和7(c)进一步证明了冲击力和变形之间的关系,当体重下降影响了样本钢筋与各种纤维和碱性的解决方案。在每个冲击试验、压缩变形增加冲击力增加。然而,减少冲击力也导致减少压缩变形。影响负荷应用于样本后,孔隙压缩和土壤粒子会发生重排。这些力-位移曲线可分为四个不同的阶段:重排阶段,增加阶段,高峰阶段,弱化阶段。尽管不同类型的纤维和碱性溶液被强化GRS,影响部队和变形曲线对比如图7(b)和7(c),变形范围从0到2毫米,显然,玻璃纤维样品的冲击载荷(lc - 0.5 g除外)急剧上升,达到初始峰值负载,然后拒绝。首次下降后,负载再次提升到大约9毫米的终极峰值负载变形前负荷降至0和剩余。玻璃纤维样品的最终变形是12.1毫米。在0 - 2毫米变形范围内,曲线连续玄武岩纤维样品了,达到第一个高峰负荷,然后拒绝。达到第一个低点后,负载再次攀升,达到最终的高峰负荷,然后降至0随着变形的增加到14毫米。
由于瞬时弹性变形的发生,曲线的初始增长大约是线性的。此时,外力干扰土壤颗粒,使它们移动和下跌后,颗粒重新排列和聚合。毛孔缩小和粒子之间的有效应力增加,线性负载增加的影响。弹性变形达到最大后,冲击力也开始减少,因为样品加剧了裂缝压缩变形,导致逐渐减少负载的影响。变形的冲击载荷反弹约2毫米,然后增加到最大的峰值。这是由于土壤压实,其变形模量增加后,在一定程度上破解。玻璃纤维的混合物和土壤吸收的影响下降体重,允许样本进一步压缩而不会被摧毁。
然而,lc - 0.5 g的加固效果是不同于lc - 0.7 - 0.4 g和lc - - g在玻璃纤维增强组,lc - 0.5 g是大约4毫米变形在重排阶段和lc - 0.7 - 0.4 g和lc - g是大约1.5毫米变形阶段。这种差异在强化效果表明,lc - 0.5 g压实密度更大,所以土壤将会有更少的机会,滚,或下跌抵抗外部压力。因此,如果2O / NaO2比率为0.5摩尔产生最强的强化玻璃纤维的因为这是碱性溶液的比例和玻璃纤维可以最有效地一起工作。确定是玻璃纤维和0.5摩尔斯2O / NaO2碱性溶液表现出最大GRS加固效果。
最优加固效果的两种类型的纤维添加在提高阶段和高峰阶段明显不同。在玄武岩纤维样品,冲击力逐渐上升,其变形也极大地提高了14毫米,最大只有82 kN的极限承载力。的最终变形玻璃纤维组织,然而,只有12.1毫米时冲击力达到最大,超过13.6%低于玄武岩纤维。这是由于这样的事实:在GRS高岭石是消费和生产0.5摩尔SiO下的凝胶物质2/ NaO2碱性溶液。小玻璃纤维和凝胶物质紧密和土壤更加牢固地结合在一起。玻璃纤维相比,这是假定有一个更好的强化能力,玄武岩纤维的强化效果最佳的碱性溶液环境下较弱。
3.3。扫描电子显微镜
中小企业GRS的图像(图8)显示,GRS的土壤样本由颗粒与弱相互作用粒子。在显微镜下,粒子的形状是六角形的片状或不完整的六角形片状。这可能是由于大量GRS的高岭石。高岭石是六角形状本身,它的不完整的六角形状可以归因于土壤的压缩和破坏在开挖形态变化。发现GRS包含大量的高岭石,XRD分析的结果是一致的。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
样例失败,因为它不能承受冲击载荷由于土壤颗粒之间的相对薄弱连接GRS的原始状态。相比之下,玻璃纤维的扫描电镜图像组和玄武岩纤维组织(图9)表明,土壤质量保持相对完整的在受到外部荷载和凝胶物质的土壤颗粒和玻璃纤维为一个整体,共同承担外部冲击载荷。将纤维进入土壤协助加强土壤,从而提高样本的结构完整性,因此,其极限承载力。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
在图9,注意到更多的玻璃纤维附着在土壤相比,玄武岩纤维。后形成的凝胶物质的玻璃纤维的碱性溶液可能保税的土壤颗粒和纤维紧密,毛孔,从而增加样本的密实度。此外,凝胶的混合物,土壤颗粒和纤维熊负载,负载可从土壤转移到纤维和凝胶。由于高纤维的抗拉强度和凝胶,示例展示优秀的变形在冲击载荷下,这也解释了为什么lc - 0.5 g展品变形大于其他样本。由于凝胶的密切结合,纤维,和土壤颗粒,更大的冲击力时需要重新排列它的粒子受到压力,在力学转化为更高的承载能力。相比,玄武岩纤维样品含有更少的凝胶物质与土壤颗粒坚持表面的纤维,导致纤维和土壤之间的弱连接和耐冲击性负荷低于玻璃纤维样品。中小企业提供额外的分析了解到不同增强效果的玻璃纤维,玄武岩纤维在碱性溶液和GRS透露这两种纤维的强化机理从微观角度GRS。
3.4。光谱仪、x射线衍射
光谱仪(图10结果表明,GRS(图)10 (b))包含大量的硅和铝,类似于可(图的构成10 ())。结合SEM和XRD分析(数据(11日)和11 (b)),很明显,GRS包含大量的高岭石,消耗,形成凝胶与粘附在碱性溶液强化。
(一)
(b)
(一)
(b)
根据前面分析的结果,在碱性溶液玻璃纤维的增强效果优于玄武岩纤维;因此,只有最好的集团强化效应(lc - 0.5 - g)是选择进行XRD分析。GRS主要是由矿物高岭石、石英、和少量伊利石和低钾钠长石,根据标准的PDF的XRD、高岭石占总数的50%以上。相比GRS样本,样本的高岭石lc - 0.5 g展品多次反射,其中最主要的发生在12.3°。尽管他们的反射角度保持不变,反射强度显著降低,表明结晶度和高岭石含量减少。一个合理的解释是,碱性溶液消耗高岭石颗粒,降低高岭石的结晶度。显微镜下,土壤颗粒变得更加稳定和坚实,提高样本的整体实力。
lc - 0.5 -石英阶段g是本质上类似于GRS和积分,但反射强度大大降低,这表明结晶度和石英含量下降。最可能的原因是,当高岭石颗粒混合碱溶液(0.5摩尔SiO2/ Na2O),新物质形成了石英反射峰值有影响。因此,x射线衍射峰的强度被削弱,但石英是基本稳定的,因此没有看到明显的变化。
反射的27.8°,观察钾长石含量大量增加,表明碱性溶液的加入促进了钾长石的形成在示例中,夏普和明显的证明了钾长石反射峰值。钾长石属于单斜晶系,其主要组件是氧化铝、二氧化硅、氧化和钾,和杰出的高稳定性,高强度,杰出的抗压性能。大多数物质在lc - 0.5 g,石英和钾长石是稳定的。形成的凝胶物质和地质聚合物在lc - 0.5 g高粘度和强度;粒子的毛孔和坚持他们更坚定,从而大大增加了有效应力,提高土的强度。
从微观的角度来看,添加0.5摩尔,SiO2/ Na2O碱性溶液和玻璃纤维生产更多的物质以更大的强度和稳定性。地质聚合物的粘包下,土壤混合物形成一个整体,增强抗压强度和稳定性。
截然不同的两种不同的强化效果的原因描述了纤维在碱性溶液GRS从macroperspective microperspective。得出玻璃纤维的增强效果与碱性溶液中的GRS优于玄武岩纤维。
4所示。结论
本文调查的强化效应两种不同的纤维在碱性溶液,GRS SiO的影响2/ Na2阿比在碱性溶液对钢筋性能,影响玻璃纤维和玄武岩纤维的力学性能GRS的碱性溶液及其微观机制使用无侧限抗压强度试验和落锤冲击负载测试。(1)静载试验表明,样品的极限承载力达到了最高4402.85 kpa下0.5摩尔SiO的价值2/ Na2O碱性溶液相比,纯净的土壤样品。因此,0.5摩尔的SiO2/ Na2O是理想的碱性溶液的浓度。(2)落锤冲击试验表明,最终影响GRS的承载能力是极大地增强了玄武岩纤维和玻璃纤维加固后最佳的碱性溶液。其中,玻璃纤维的强化效应是最成功的,就是明证样品的变形减少13.6%至12.1毫米和极限强度增加789%,达到120 kN。(3)显著增加强度,通过SEM和XRD的结果相对较高的玻璃纤维的抗拉强度和凝胶的形成在玻璃纤维在碱性溶液中,土壤颗粒更紧密的结合,并形成一个整体共同承担外部荷载,从而增加样本的力量。小直径的玻璃纤维可以促进更好的纤维和土壤颗粒之间的联系。玄武岩纤维,另一方面,强化期间只作为连接组件,因为它不会产生额外的凝胶纤维结合在一起。因此,玄武岩纤维的强化效果与碱性溶液中的GRS不如玻璃纤维。
数据可用性
数据支持当前研究的结果可从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者将感激地感谢提供的支持中国的国家自然科学基金(51978177和51978177)和广州基础研究和应用基础研究项目(202201010391)。