粉煤灰-矿渣固化疏浚淤泥反应机理及力学特性研究

Based on the recycle treatment of the dredged silt, a series of microscopic, mesoscopic and macroscopic experiments and theoretical investigations are performed to reveal the reaction mechanisms and structural strength evolution law of the dredged silt solidified by fly ash and slag sitimulated with alkali and silicate. Based on the laboratory tests including SEM-EDS、XRD、CT nondestructive scanning and MIP tests performed on dredged silt solidified with different curing time and different solidification material ratio, the partial and pore size and its distribution are invstigated using matlab and IPP. Furthermore, the consolidation tests and triaxial tests are conducted on solidified silt with different solidification material ratio, different curing time and different initial content conditions to investigate the structure attenuation characteristics of volcanic reaction and hydration products. Based on the results of microscopic, mesoscopic and macroscopic experiments, the relationship between microscopic, mesoscopic and macroscopic parameters are established. A structural constitutive model which unify the microscopic, mesoscopic and macroscopic characterisitcs is proposed and the model is verified using triaxial test results. In summary, this application has obvious significance at the aspects of theory and practice to develop the understanding on the recycle treatment of dredged silt.

以疏浚淤泥资源化利用为背景，通过微观、细观、宏观实验研究和理论分析，揭示碱-硅酸盐-粉煤灰-矿渣--疏浚淤泥这一多相、多尺度复杂体系的反应机理以及固化淤泥结构性强度的演化规律。基于SEM-EDS、XRD、CT无损扫描和MIP等微细观测试技术，结合matlab和IPP综合分析，确定不同胶结强度固化淤泥的水化产物数量和孔隙尺寸及其分布特征等微细观结构表征参量。全面开展不同固化材料配比、不用养护龄期、不同初始含水量下固化淤泥的固结实验及三轴排水剪切实验，确定反应产物胶结强度及其随应力增加而衰减的规律。在微观、细观和宏观实验数据及分析结果的基础上，确定微细观结构参量与宏观特征指标的关系，建立固化淤泥微观、细观和宏观相结合的结构性本构模型，利用三轴实验数据对该模型的合理性和适用性进行检验。本项申请研究内容和思路皆具创新性，预期成果在理论与应用双方面均具有重要意义。

首先通过无侧限抗压强度试验、扫描电镜(SEM)以及 X射线衍射(XRD)测试手段，研究了粉煤灰和矿渣以及激发剂水玻璃的掺量、养护龄期、水玻璃模数对固化疏浚淤泥力学特性、物相组成及显微结构特征的影响，确定了各组分之间的最佳配比。在此基础上，采用MIP试验、渗透率试验、孔隙度试验、CBR试验及三轴试验等方法对疏浚淤泥固化土的孔隙度、宏细微观孔隙尺寸、孔隙分布特征、渗流特征、胶结结构性进行了研究，建立了表达宏微观孔隙结构参数和渗透性之间定量关系的毛细模型，提出采用有效孔隙度和孔径和体积频率值分别作为表征疏浚淤泥固化土的宏观和细微观孔隙特征参数，建立了固化淤泥的胶结体孔隙分布系数与抗剪强度指标和CBR值之间的定量关系，揭示了碱硅酸盐-粉煤灰-矿渣-疏浚淤泥这一多相体系的反应机理。. 对于碱硅酸盐-粉煤灰-矿渣-疏浚淤泥这一多相体系，水玻璃掺量为7%、模数为1.0-1.5时，可最大程度激发该体系的水化反应及火山灰反应，疏浚淤泥、矿粉、水玻璃质量比为60:40:7，28d无侧限抗压强度可达到12.14MPa，该强度值满足人行横道路面砖的强度要求；淤泥、粉煤灰、矿粉和水玻璃的比为7:1:2:2时，CBR值达到34.8%，浸水4d的膨胀率均不超过1.1%，满足规范中高速、一级公路路基填料的要求，通过调整配比可以满足不同等级公路路基填料的要求。在水玻璃的激发下，固化淤泥水化生成长石类和沸石类等晶相，这些晶相连接紧密，形成致密的微观结构；孔隙体积频率分布曲线均为典型的双峰曲线，存在两个集中的孔喉半径区间:微孔0.02-0.04μm和介孔3-30μm；有效孔隙度随养护龄期逐渐减小主要发生在固化28d前，28d后有效孔隙度基本保持不变的条件下，50%以上的中孔向介孔和微孔转化。研究成果对疏浚淤泥固化土的资源化利用及人工固化土的理论研究奠定了坚实的工作基础。