无侧限抗压强度的时间效应和微观结构的水泥改性泥浆

文摘

这项研究调查了水泥改性泥浆的无侧限抗压强度变化规律(CMS)在不同固化。我们进行无侧限抗压强度测试使用泥浆和水泥为原料。水泥含量分别为5%,10%,15%,20%,25%。治疗年龄是7日,14日,28日,56岁,90年,120年、150年和180年d。CMS强度的时间效应模型建立了基于测量UCS strength-curing年龄和强度水泥含量曲线。测试结果证明,CMS的UCS显著增加随着年龄增加固化,90天之后,UCS逐渐增加到一个固定的值。时间效应模型更好的特征之间的关系的UCS CMS和年龄和水泥养护内容,作为预测的值与测量值有高度的相关性。我们进行了扫描电子显微镜(SEM),能量色散x射线(EDX)和x射线衍射(XRD)测试分析CMS的微观结构和化学成分。微观测试结果表明,水泥含量的增加,固化胶凝物质的年龄增加了CMS和整体结构更加紧凑,从而增加其宏观强度。

1。介绍

浆是一种浑浊的悬架系统由水、膨润土颗粒,粘土颗粒和外加剂。一般来说,在水泥浆制备、占70%到80%,和固体颗粒占20%到30%,按体积比例。作为一个工程辅助建筑材料、料浆广泛应用于螺旋钻孔桩施工,盾构隧道施工,地下连续墙施工。建筑砂浆的不合理排放会造成环境污染,水污染,植被破坏,和土壤固结,从而破坏生态环境。因此,社会发展迫切需要找到一种经济、环保的处理方法处理废泥浆。

大量的地球岩石材料用于公路工程建设。这是一个资源利用率的有效方法通过泥浆固化和修改以满足公路工程的要求。许多研究已经进行泥浆固化的方法(1- - - - - -3]。然而,泥浆固化与高含水量的研究内容需要进一步讨论(4]。

水泥作为一种常用的软土固化材料,已经被研究[5- - - - - -10]。聚氨酯(11]对淤泥进行无侧限抗压强度测试样品和SEU-2 binder-cured淤泥样品。介绍了脆性指数定量评价固化淤泥的软化和硬化效应。测试结果表明,添加水泥改良粉土的变形特性。与水泥含量的增加,初始孔隙度和压缩指数下降。无侧限抗压强度(UCS)治疗年龄和水泥含量的增加而增加,而破坏应变下降。也有一些研究把废料到软土,不仅回收废物,还修改了软土。Yoobanpot [12)添加到软土水泥窑灰和粉煤灰改善其抗压强度。软土的强度明显改善,慢慢增加固化年龄增加。

水泥可以提高软土的工程性质,和水泥的UCS土壤固化年龄增加而增加。土壤水泥是广泛使用在许多工程领域,钻孔桩施工,盾构隧道施工,地下连续墙施工13- - - - - -21]。许多研究进行了强度增长的数学模型。Horpibulsuk研究水泥高含水量土的强度增长规律基于艾布拉姆斯的方法,提出了预测土壤水泥强度与水灰比的基本参数(22]。李提出土壤水泥的强度与水泥含量和水灰比,从而建立了一个数学模型(23]。基于李的研究、肖和刘提出了一个广义双曲线拟合数学模型的时间影响土壤水泥(24,25]。上述结果表明,UCS土壤水泥与水泥含量和养护的年龄。泥浆和软土有类似的工程特点,它是可行的建立时间效应模型对水泥改性泥浆(CMS)。

微观结构的分析具有重要指导macro-mechanical研究。目前,水泥的微量土壤主要使用扫描电子显微镜(SEM),能量色散x射线(EDX)和x射线衍射(XRD)。水泥稳定土的SEM分析由穆萨维(26)表明,水泥可以改善土壤的强度由于水化反应。在反应过程中,水泥填充较小的毛孔在胶体晶体产生的土壤和增加固化的年龄。大孔隙的空间逐渐减少。Mola-Abasi [27)合并沸石水泥沙子,和SEM测试表明,沸石水泥沙子的微观结构发生了变化。火山灰反应产品填补了多孔水泥沙子,从而增加其强度。

Ghasabkolaei [28]对巩固土壤进行SEM图像分析与没有nanosilicon粉,混合和结果表明,巩固土壤混合nanosilicon权力更均匀,密度比普通的土壤。此外,均匀致密的UCS水泥拌土nanosilicon粉是高的。Homidy [29日研究了水泥土的微观结构。SEM图像分析表明,片状结构在土壤水泥是水泥的水化反应造成的。XRD衍射分析表明,C-S-H凝胶形成的水化反应结果比例最高的钙和硅之间的所有元素。

上述研究表明,可以有效地改善砂浆的力学性能通过添加改性材料。水泥是一种常用的改性材料由于成本低的优势和良好的改性效果。使用水泥是可行的泥浆的修改。通过研究CMS的力学性能变化的扩展固化,建立了相关的数学模型能够有效地预测的关键指标。通过微量CMS,强度变化机制可以解释从微观结构方面,可为工程应用提供一个参考的修改后的泥浆。

2。测试准备

2.1。实验材料和程序

在这项研究中使用的原材料是泥浆和水泥,和泥浆的含水率为100%。实验测试中使用的泥浆收集从一个工地在绍兴城市,中国,如图1。并给出了泥浆的物理和力学性能表1。SEM、EDX、XRD测试进行干浆的微观结构、元素组成,复合成分得到如图2- - - - - -4,分别。

在数据显示2- - - - - -4泥浆主要是由片状颗粒,其主要元素组件Si, O,铝、镁、SiO和Ca的主要化合物₂,艾尔。₂O₃,CaCO₃。

这个测试中使用的水泥PO32.5属于类,普通硅酸盐水泥,由上虞Hailuo水泥有限公司有限公司水泥含量和养护CMS展示在表的时代2。

2.2。样品制作和测试

根据高速公路岩土测试法规(30.),泥浆的量计算的基础上,提出测试方案,然后放在一个搅拌机,搅拌3分钟,以确保一致性。水泥添加,根据表2干浆重量的百分比,然后搅拌3 - 5分钟。混合CMS是冲进三次测试模具,动摇了每个收取50倍。测试模具的大小是一个圆柱体,直径39.1毫米和80毫米的高度。然后,测试模具密封薄膜和垂直位置2小时。整个样本固化和稳定后,样品的两端用滤纸,放到一个水箱固化在20°C。治疗年龄是7 d, 14 d, 28 d, 56 d、90 d、120 d、150 d、180 d。治愈样本脱模,然后UCS进行了测试。脱模样本如图所示5。在这项研究中,使用全自动多功能UCS测试进行无侧限抗压强度试验机由南京TKA科技有限公司有限公司,可以实现自动化测试的整个过程通过计算机控制操作。

3所示。UCS测试结果和分析

3.1。UCS测试结果

CMS的应力-应变曲线数据衡量UCS测试与不同水泥含量和不同养护年龄如图6,在那里6(一)- - - - - -6 (h)代表了应力-应变曲线与不同水泥固化年龄段的内容7 d, 14 d, 28 d, 56 d、90 d、120 d、150 d、180 d,分别。

在图6,有明显的峰值在CMS的无侧限抗压应力-应变曲线与不同水泥含量和在不同养护年龄、软化曲线特征;即当压力没有达到峰值,增加的压力急剧增加的压力。当应力达到峰值时,压力慢慢随应变增大而减小,最后趋于一个稳定值。

3.2。UCS测试数据分析

无侧限抗压应力-应变曲线的峰值应力的UCS CMS。根据应力-应变曲线在图6UCS的CMS,年龄与不同水泥含量在不同养护,如表所示3。

根据表3UCS的CMS,比较在不同年龄与不同水泥养护内容得到,如图7。

图7显示的UCS CMS在每个治疗年龄增加随水泥含量的增加。此外,UCS的增长率与水泥含量从20%到25%明显减少。我们得出结论,20%的水泥含量的最佳内容。

为了进一步探索的影响水泥含量的UCS CMS, CMS与不同水泥的强度增长倍数内容可以根据公式计算(1),计算结果如图所示8。 在哪里代表多个,和年龄代表了UCS CMS的养护180 d和7 d,分别。

在图8UCS的CMS,每个水泥含量增加2.5倍的增加固化的年龄。

根据表3CMS的UCS的比较,不同水泥含量和不同养护年龄如图9。

在图9水泥含量相同,UCS的CMS显著增加固化年龄从7 d - 90 d。在养护期间从120 d - 180 d, CMS的UCS没有显著增加。

为了进一步探索固化的影响年龄UCS的CMS,力量的倍数CMS在不同治疗年龄是根据公式计算(2),计算结果如图所示10。 在哪里代表了多个代表的峰值强度CMS水泥含量为25%时,和代表了CMS的峰值强度时,水泥含量是5%。

从图可以看出10,随着年龄的增加固化,多次强度增加,逐渐降低,最后达到一个稳定值。

3.3。时间效应模型

为了全面分析水泥含量和养护的改善效果UCS CMS的年龄,我们从数据获得7和8不同水泥含量,CMS的UCS有着相似的变化规律与治疗年龄的增加。UCS和养护年龄之间的关系可以描述的 在哪里问代表UCS,t代表治疗时代,一个和B水泥含量的功能吗连续波。

UCS的CMS的预测模型对养护年龄可以通过拟合计算得到:

公式的计算数据(4)与实验数据相比,如图11。

从图可以看出11公式(4)能够更好地预测的UCS CMS在不同养护。为了考虑水泥含量的影响在UCS的CMS, A和B的函数关系公式(4),水泥含量连续波拟合和计算。A和B的计算功能可以获得见公式(5)和(6),分别。

的拟合曲线公式(5)和(6)如图12。公式(5)和(6)有更好的拟合精度。

公式(5)和(6)代入公式(3CMS), UCS预测公式可以得到:

每组CMS的UCS测量值与预测值的比较计算公式(7),结果呈现在图13。我们得出的结论是,预测值和测量值之间的相关系数为0.991,表明公式(7)能够更好地预测的UCS CMS与不同水泥含量和养护。

公式(7)符合测量强度的CMS 100%含水率和有很好的相关性。CMS的UCS线性对数的增加固化的年龄。根据公式(7),曲线的UCS CMS养护不同年龄和不同水泥含量可以绘制,如图14,可为相关工程设计提供参考和实践。

4所示。微观测试和机理分析

为了进一步探索形成机制的UCS CMS的水泥含量和养护的年龄,我们用SEM、EDX、XRD测试方法来测试微结构,元素的变化,和复合CMS的变化规律,研究CMS的微观结构的影响。试验方案如表所示4。

4.1。扫描电镜测试

SEM industrial是一个流行的微量法一般用于土木工程和岩土工程。扫描电镜样品用于扩大到指定的倍数,和相应的多个微观图像可以直接获得。样品的表面不均匀的微观结构直观上可以看出,粒子分布、孔隙分布,粒径在样本可以清楚地观察到。地产- 6360陆钨丝高低真空扫描电子显微镜仪器由日本电子有限公司有限公司是本试验中使用。SEM测试根据测试计划执行表4,CMS的SEM显微图像如图所示15。

治疗年龄是7 d时,CMS的微观结构与水泥含量5%充满了更多的小粒子单位,一些大型粒子单元,内部胶结程度低,和大量的毛孔,如图(15日)。CMS的水泥含量为20%的微观结构有较大的毛孔,如图15 (b)。相比之下,图(15日)少,有小粒子的单位和更大群粘合在一起,形成了一大群在微观尺度胶结松散的结构。原因是,水泥含量增加,水合反应后,会生成更多的胶凝物质,这将进一步反应形成晶体。此外,这些胶凝物质也将包浆颗粒水泥在一起形成更大的结构,从而提高砂浆的强度。

治疗年龄是28 d时,有少量的胶凝物质在CMS样本的水泥含量为5%。然而,有空隙内的样本,和单位之间的胶结较差。整体框架更分散,如图15 (c)。显微结构的CMS的水泥含量为20%,大粒子变得明显增大,单位和少量的小粒子单元连接到大颗粒,如图15 (d)。相比之下,图15 (b)CMS的微结构,28 d治疗年龄是更紧凑,这是反映在强度的增加,显微镜下。

治疗年龄是90 d,而养护7岁和28 d, CMS样品的微观结构与水泥含量5%的有更多的大颗粒单元,只有一些小颗粒单元。大颗粒之间的胶结程度提高单位,和样品之间的孔隙减少。单位之间的胶结差,和整体骨架相对分散,如图15 (e)。这是因为水泥含量太小,导致水泥水化所产生的胶凝物质较少,无法填补毛孔内部的CMS。显微结构的CMS的水泥含量为20%,总体胶结程度进一步加深,结构更紧凑,呈现一个完整的框架,如图15 (f)。

从上面的分析,我们的结论是,随着年龄的增加固化和水泥含量,CMS的胶凝物质微观结构的逐渐增加,土壤颗粒之间的孔隙,从而改善微观结构密实度的CMS。宏观上,CMS的UCS逐渐增加随着年龄的增加固化和水泥的内容。

4.2。EDX测试

通过高能x射线,x射线能谱仪recoordinated示例原子,原子和电子外层补充内层电子的空位,从而释放特征x射线的波长有一定与原子序数的关系。定性分析可以执行根据谱线的波长,和元素的内容也可以。这个测试中使用的x射线能谱仪是英国牛津X-act能谱仪由北京办公室科学仪器有限公司有限公司EDX测试根据测试计划执行表4,CMS的能谱如图16。

从图可以看出16CMS中的主要元素硅,啊,,,,这是因为主要矿物质,硅酸二钙和硅酸三钙,在水泥与水进行水合反应,导致胶凝物质的生产来提高料浆的强度。胶凝物质的化学成分主要是硅,O,铝和钙元素。

4.3。XRD测试

x射线衍射仪分析仪器研究和确定晶体物质的成分和原子结构和材料。x射线的波长接近晶体内部的原子表面之间的距离。水晶可以作为空间的x射线衍射光栅。也就是说,当一个x射线辐照是一个对象,它是分散的原子对象,和每个原子产生散射波。这些波相互干扰,导致衍射。衍射波的叠加使得射线的强度加强在其他方向的一些方向和削弱。通过分析衍射的结果,可以获得晶体结构,其组成进行分析。XRD测试根据测试计划执行表4,x射线衍射分析图表的CMS如图17。

从图可以看出17CMS的化合物主要是SiO₂,艾尔。₂O₃,CaCO₃在良好的协议与EDX测试结果。XRD测试结果显示,SiO的质量比率₂,CaCO₃,艾尔。₂O₃固化7 d的年龄,28 d、90 d的水泥含量5%和20%可以通过统计数据,如图18。

从图可以看出18SiO的质量比率₂,艾尔。₂O₃,CaCO₃增加与增加水泥含量和养护的年龄。

根据文献[31日),方向SiO指数₂可以计算。相对UCS和相对方向指数计算基于CMS的强度和方向系数与水泥含量为20%,28 d治疗时代。计算结果如图所示19。

从图可以看出19,都有一个相对UCS和相对方向之间的负线性相关系数。随着UCS的增加、方向系数逐渐降低。

4.4。微机械分析

通过EDX和XRD测试,我们的结论是,在同样的治疗年龄、Si的质量比率,和Ca增加水泥含量的增加,由于水泥和土壤颗粒之间的化学反应和内部的水泥浆。水泥含量越高,越硅酸二钙、硅酸三钙和铝产生的反应。具有相同的水泥含量,硅的质量比率,铝和钙元素增加随着年龄的增加固化。这是因为强度的改善效果硅酸二钙养护28天后开始发挥作用。随着固化年龄的增加,水泥的水化反应变得越来越充足,水化产物生成。

我们可以看到在图17化合物的组成和类型没有改变水泥含量的增加和养护的年龄。这是由于水泥的主要成分是硅酸二钙(C₂,硅酸三钙(C₃,铝酸三钙(C₃),tetracalcium铁铝酸盐(C₄房颤),水化反应方程所示方程(8)- (11),分别为:

in和c3的水化反应的主要原因是CMS力量的形成。动作时间的两种矿物成分是不同的。c3作物一般28天内发挥其改善效果,同时in 28天后开始发挥其效果。因此,随着年龄的增加固化,水化反应产物增加,相应的Si, O,增加铝、钙、和其他元素。因此,它可以解释从元素组成的角度的UCS CMS增加随着年龄的增加固化。

根据图17在同等治疗年龄、SiO₂,CaCO₃,艾尔。₂O₃CMS内容增加随水泥含量的增加。因此,水化反应产品在CMS改善UCS增加。

5。结论和讨论

5.1。结论

通过研究的时间效应和微观结构的UCS CMS,可以得到以下结论:(1)与水泥含量的增加和养护的年龄,CMS的UCS显著改善。固化7岁的d - 180 d, UCS的CMS在每个治疗年龄与水泥含量的增加,增加的增长率UCS CMS的水泥含量从20%到25%显著下降。因此,我们得出结论,20%的水泥含量的最佳内容。(2)与水泥含量从5%提高到25%,UCS的CMS在每个水泥含量先增加,然后趋于常数随着年龄的增加固化。180 d的UCS固化的年龄约为2.5倍,在7 d。(3)基于strength-age曲线的数学特性和强度水泥含量曲线,建立了时间效应模型,能够更好地描述之间的关系的UCS CMS和年龄和水泥养护内容。这可以有效地预测和指导工程实践中使用CMS。(4)CMS的力量形成机制主要包括以下两个方面:一方面,in和碳化合物在水泥的水化反应生成的胶凝物质,填充颗粒之间的孔隙,从而提高CMS的力量。另一方面,与水泥含量和养护年龄的增加,越来越多的胶凝物质形成,导致小颗粒聚集在一起形成更大的水泥土体,从而增加CMS的强度。

5.2。讨论

CMS的强度变化规律在不同治疗年龄是UCS测试和微观测试得到的。应该注意的是:(1)本研究只讨论了UCS CMS的时间效应,水分含量为100%。等其他代表水分含量,最佳含水量,塑性极限和液体限制,CMS的UCS时间效应模型需要进一步研究。(2)环境因素对CMS的UCS有一定的影响,因此有必要研究时间的修改效果模式CMS的干湿循环和冻融循环。(3)其他材料,如纳米材料的作用32,33),高分子材料(34- - - - - -36),纤维(37- - - - - -40)可以提高建筑材料的力学性能,有必要研究这些材料的应用在CMS修改。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

研究l . w . w . j.y.概念化和z和t . m .进行调查;p . j .写了初稿;y . c, n . L审查和编辑文章。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号41772311),中国浙江省自然科学基金(批准号Q20E080042),重点实验室开放研究基金的教育部河海大学的地质力学和路堤工程(批准号2019020),和国家重点实验室开放研究基金的地质力学和岩土工程,岩土力学研究所、中国科学院(批准号Z017013)。

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