黃河泥沙基可降解生土材料結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、黃河攜帶的大量泥沙沉積于下游河道，下游河床不斷抬高，成為名副其實(shí)的“地上懸河”，這給沿岸居民生活造成安全隱患的同時(shí)，疏浚泥沙的大量堆存還帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問題。為了緩解水利和環(huán)境壓力，關(guān)于黃河泥沙資源化利用的探索和實(shí)踐都相繼展開，主要集中在建材、陶瓷和土工方面的應(yīng)用研究，雖然也取得了一些成果，但是，還存在工藝復(fù)雜、二次污染和消納量低的缺陷，并未真正實(shí)現(xiàn)黃河泥沙的資源化利用。
　　 本論文在國(guó)家自然科學(xué)基金“可降解粘土基膠凝材料物理力

2、學(xué)性能研究”的資助下，制備了具有適宜力學(xué)性能和耐久性的黃河泥沙基可降解生土材料，分析了黃河泥沙的活化機(jī)理和生土材料強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)體系的形成過程與退化機(jī)理，并就生土材料的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、水分傳輸機(jī)制和耐久性進(jìn)行了深入研究。研究工作取得如下主要進(jìn)展:
　　 1.通過對(duì)黃河下游不同河段河道泥沙的物理、化學(xué)和工程性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)不同河段的黃河泥沙均呈弱堿性，化學(xué)組成中硅、鋁和鈣含量較高，礦物組成以石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物為主，活性組分含量極

3、低;黃河泥沙顆粒集中，粉粒含量高于80％;這就造成泥沙可密實(shí)性、可塑性和可穩(wěn)定性相對(duì)較低，制約了黃河泥沙的工程應(yīng)用。
　　 2.研究了黃河泥沙的活性激發(fā)方法、效果和機(jī)理。結(jié)果表明，機(jī)械研磨作用能夠顯著改善黃河泥沙的可密實(shí)性和可塑性;NaHSO4能夠通過酸解和化學(xué)風(fēng)化作用加速黃河泥沙中長(zhǎng)石的成土進(jìn)程，釋放出游離Si4+和Al3+，活性率和活性指數(shù)分別由1.18和0.51增高至5.20和0.64;Ca(H2PO4)2·H2O通過H2

4、PO4-在粘粒表面發(fā)生的絡(luò)合反應(yīng)和專性吸附進(jìn)一步活化強(qiáng)化黃河泥沙，活性指數(shù)提高至0.68。
　　 3.根據(jù)生土基墻體材料的組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了可降解生土基墻體材料三套強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)模型，并以墻體材料中各組分間的作用機(jī)理和結(jié)構(gòu)特征為檢驗(yàn)依據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明，連續(xù)無(wú)機(jī)水化產(chǎn)物網(wǎng)絡(luò)通過物理填充和化學(xué)增強(qiáng)作用固結(jié)泥沙，是承載墻體材料強(qiáng)度和耐水性的主體;有機(jī)聚合物與無(wú)機(jī)水化產(chǎn)物形成互穿網(wǎng)絡(luò)，以半連續(xù)的強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化黃河泥

5、沙;植物纖維三維亂向分散于生土結(jié)構(gòu)中，并與無(wú)機(jī)水化產(chǎn)物建立牢固的物理粘結(jié)，起到固結(jié)泥沙顆粒的作用;三套強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)相輔相成，協(xié)同作用。通過制備工藝和配合比的優(yōu)選，采用傳統(tǒng)的振動(dòng)成型和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)工藝，當(dāng)各組分摻量為:活化泥沙65％、無(wú)機(jī)膠凝材料25％、砂10％、外摻1.8wt.％改性聚乙烯醇和1.2V％植物纖維時(shí)，制備出黃河泥沙基墻體材料，其28d抗壓強(qiáng)度14.4MPa、抗折強(qiáng)度3.54 MPa、軟化系數(shù)0.87，導(dǎo)熱系數(shù)0.38W/(m·K)

6、。
　　 4.研究了生土材料在不同環(huán)境條件作用下的結(jié)構(gòu)與性能的演變規(guī)律，探討了生土材料的水分傳輸機(jī)制及其在可控制條件下的性能退化機(jī)理。結(jié)果顯示，生土材料與水接觸后吸水飽和之前的毛細(xì)吸水量與時(shí)間的平方根成正比，毛細(xì)吸收系數(shù)為42.08 g/m2·s1/2，水分表面滲入速率與t0.01線性相關(guān);凍融循環(huán)后生土材料結(jié)構(gòu)中的大孔和50-200nm的有害孔體積增加20％，裂紋內(nèi)有大量針狀的鈣礬石;碳化試驗(yàn)得出抗壓強(qiáng)度與碳化深度關(guān)于直線y=