精品水泥粉煤灰和石灰复合改性淤泥物理力学特性研究毕业论文设计Word文件下载.docx
《精品水泥粉煤灰和石灰复合改性淤泥物理力学特性研究毕业论文设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品水泥粉煤灰和石灰复合改性淤泥物理力学特性研究毕业论文设计Word文件下载.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
anew
sludge
treatment.Utilizationof
dredged
technology
isto
waste
asthe
source
ofthe
dredgedsludge，throughchemical
andphysical
methodsof
treatment,
sothatit
canbe
recycled
into
fillgeotextile
materials,
buildingmaterials,Thiswillnotonlysolvealargenumberofabandonedcoastaltreatmentofdredgedsludgeandavoidsludgedredgingonthemarineandterrestrialenvironmentalpollution.
Inthispaper,
theTaihuLake
MoonBay
silt
yard
astheresearchobject,thecement,flyashandlimeasamodifier,theuseof
themeans
test
tofind
out
best
parameters
their
component
volume,makesthe
to
soiltest
specifications
solidified
as
theproject
comply
withthe
soil.
Solidified
fromthe
consolidationtest
anddirectsheartest
start,tostudythe
internalfrictionangle
andcohesion
and
therelationshipbetween
modifier,andtheoretical
analysisof
the
thebest
mix
of10%
flyash,8%ofcement,2%
ofthequicklime.
Keywords:
Silt;
reuseofdredging;
solidifieaitonect;
mix;
摘要2
ABSTRACT3
第1章绪论14
1.1研究背景14
1.1.1淤泥产生的缘由14
1.1.2淤泥处理的传统办法及分析15
1.2现有研究成果15
1.2.1国内外淤泥处理方法简介16
1.2.2化学固化机理17
1.2.3粉煤灰、水泥具体运用18
1.3研究的内容与意义19
1.3.1本文研究内容19
1.3.2研究的意义20
第2章试验设备与淤泥固化机理21
2.1试验设备21
2.2淤泥固化机理23
2.2.1水泥固化机理23
2.2.2粉煤灰固化机理25
2.2.3石灰的固化机理26
2．3本章小结26
第3章水泥、粉煤灰和石灰改性淤泥物理特性的研究27
3.1试验材料27
3.1.1试验淤泥来源27
3.1.2固化剂来源28
3.2淤泥物理性质试验分析28
3.2.1淤泥含水率的测定28
3.2.2淤泥密度的测定29
3.2.3淤泥液塑限的测定30
3.2.4淤泥颗粒级配的测定33
3.3本章小结34
第4章水泥、粉煤灰和石灰改性淤泥力学特性的研究34
4.1固化剂的选择35
4.2固化试验的内容35
4.2.1单一固化剂的改性淤泥试验35
4.2.2多组分固化剂对淤泥固化效果的影响45
4.3本章小结50
第5章结论与展望51
5.1结论51
5.2展望52
参考文献52
致谢54
第1章绪论
疏浚淤泥的资源化利用技术就是把作为污染源的废弃疏浚淤泥,通过化学、物理的方法进行处理,使其变为可再生利用的土工填方材料、建筑材料,这样既解决沿海大量废弃疏浚淤泥的处理问题,又可避免疏浚淤泥对海洋和陆地环境的污染,同时,还可产生工程建设所急需的土工材料加以利用,产生综合性的技术经济效益。
在一些发达国家,这一技术已经得到了广泛的应用。
本文采用水泥、粉煤灰和石灰作为改性剂，以太湖淤泥为研究对象，改变其物理力学性质，进而可以对改性的效果进行定量、定性的评价，并能够了解淤泥固化的机理。
1.1研究背景
这有内容吗？
标题之间以及标题与正文之间需要空一行吗？
下同
1.1.1淤泥产生的缘由
为了保证河道正常的通行能力、改善湖泊河道的水质问题、拓展城市的景观工程，政府常常对一些河道湖泊进行疏浚与清淤工作，由此产生了大量的废弃土方。
例如西湖大规模底泥疏浚工程，将产生260万m³
的河底淤泥，南运河苏州段的疏浚工作预计疏浚土方量达928万m³
，锡地区对于太湖及其周边湖泊的清淤工作也将产生大量的淤泥[1]。
这些仅仅是冰山一角，随着经济、海上运输事业的快速发展，大量港口的建设与维护工作不断的进行，也会产生大量的疏浚淤泥。
1.1.2淤泥处理的传统办法及分析
对于如此大量的废弃土方，我国处理的主要办法为就近弃土，就是征用闲置土地来堆放淤泥。
这往往就会造成一系列的问题。
土地的不合理利用、将会使本就贫乏的土地资源更加贫乏；
而在淤泥本身可能带有的污染物质，将会对堆放土地的周围环境造成污染，甚至有的会影响到周围的居民的正常生活，对此造成的损失不可估量。
这样的传统做法显然不适应现在社会的可持续利用的要求了，所以需要提出新的处理办法。
国外在此方面有着先进的技术，他们会对淤泥进行适当的处理，将废弃的淤泥变成可利用的土木工程施工材料。
这样不但解决了土地资源的浪费和生活环境污染的问题，也同时减少了对于传统材料的使用。
并在考虑经济效益和社会效益的前提下，尽可能的发掘疏浚淤泥的资源化利用率，使其经济价值得到进一步提高。
进行淤泥的资源化处理，不仅能够达到防止淤泥对周围环境的破坏的发生，而且符合我过可持续发展的策略，十分的符合我过的国情。
1.2现有研究成果
淤泥的可利用化是指运用物理或者化学方法，改变淤泥的性质，使得改性后的淤泥能作为土木工程的建筑材料，土地开挖填方材料、堤岸、码头的填方材料进行使用。
这就必然的减少了传统材料的使用，随着技术的进步，制度的完善可见改性淤泥的使用前景是美好的。
在提倡可持续使用的当今，资源变的极其的珍贵，现有的资源不足以满足人类以后的使用，只有不断的创新，变废为宝，才能获得最大的经济利益，也能相应的节省资源，保护现有的环境。
对于我国来说，这个新兴的行业极其的富有发展前景。
1.2.1国内外淤泥处理方法简介
淤泥原本自身的力学性质，不能够作为建筑材料或者填筑材料，所以可以通过物理改性、化学改性的方法，改变污泥的力学性质，进而达到使用要求。
目前国内外淤泥固化处理技术主要包括物理脱水固结、高温溶解烧结和化学固化3类。
①物理脱水固结
物理脱水固结是指通过采用晾晒、机械脱水、袋充脱水的办法去掉淤泥中多余的自由水。
当产生的淤泥量较少而且有场地进行摊铺晾晒时,可以采用晾晒的方法,通过晾晒蒸发去掉淤泥中多余的水分后,即可用作填土材料进行使用。
但这种方法只适用于少量淤泥的处理,而且要有足够的场地,同时受天气的影响也很大[2]。
机械脱水的方法是使用脱水机械将淤泥中多余的水分除去,脱水后易于运输和使用。
但是由于疏浚工程产生的淤泥量巨大,普通脱水设备的价格较高,加之脱水效率较低,难以满足大型疏浚工程要求,而且淤泥经脱水后其含水率仍接近液限水平,还需要进行二次处理才能满足工程用土要求。
在各种筑堤、填海、堤岸加固工程中,对于含沙量较高的淤泥,也有很多采用高压袋充固结排水的方法进行资源化利用。
如在永定新河建闸的围堰工程中,由于外运土料距离远、成本高,就采用土工织物袋高压充填的方法建堰。
袋充方法具有施工速度快、造价低、就地取材的特点,但只适用于含沙量较大的淤泥,对于粉粒、黏粒含量较高的淤泥该法难以达到预期的效果。
②高温溶解烧结
高温溶解烧结处理是通过高温处理,使疏浚淤泥脱水、有机成分分解、颗粒之间黏结,或无机物发生溶解,然后再通过冷却,使得淤泥熔合成具有相当强度的固体颗粒[3]。
淤泥通过烧结处理可以制成建材,也是一种经济有效的资源化方法,其主要用途有制轻质陶粒、熔融微晶玻璃、生产水泥、制砖等。
轻质陶粒一般可作路基材料、混凝土骨料或花卉的覆盖料,但由于成本和商品流通上的问题,还没有得到广泛应用。
日本研制成功的淤泥微晶玻璃,是建筑物优良的装饰材料,其类似于人造大理石,外观、强度、耐热性都比较优良。
利用淤泥生产的生态水泥成本仅为普通水泥的1/3,但因原料不同而其化学成分、性能等有所不同,由于生态水泥含氯盐较高,会使钢筋锈蚀,一般主要用作地基的增强固化材料和素混凝土。
用淤泥为主要原料制成的砖块透气性好、重量轻,如将其用于铺设人行道,雨水能够比较容易渗过砖块直接进入地下,从而可防止因下水道排水不畅而造成的积水。
如苏南运河苏州段疏浚工程就向当地的窑厂提供淤泥60多万m3,用于生产砖瓦{2};
近年来浙江省出台了利用河道淤泥制砖的扶持政策,鼓励砖瓦企业利用淤泥制砖造瓦,一些砖瓦企业纷纷投资参与河道疏浚并利用淤泥制砖造瓦,有效加快了河道疏浚,一举多赢。
③化学固化
化学固化技术是向淤泥中添加固化材料,通过搅拌混合、养护,使淤泥、水、固化材料之间发生一系列的水解和水化反应,在淤泥颗粒表面产生胶凝物质,使淤泥颗粒具备一定的水稳定性和强度稳定性。
另外,具有胶凝性质的水化产物在淤泥颗粒之间形成了网状结构,即构成了骨架,结晶类的水化产物则填充网状结构的孔隙,待硬化后淤泥便具备了一定的结构强度。
显然,化学固化处理不仅可以增大淤泥颗粒的粒径,还可以通过固化材料的水化作用有效地降低淤泥的含水率。
另外,包裹着淤泥颗粒的凝结硬化壳可有效地降低其中污染物质的活性,从而起到一定的/减污0作用。
综上所述,采用物理晾晒方法处理淤泥,虽然施工简单、处理成本低,但晾晒需占用大面积场地,而且易受天气影响,而机械脱水设备价格较高、处理效率低,难以满足大型疏浚工程的要求,目前在国内也未得到广泛应用;
采用高温溶解烧结方法处置淤泥,能产生较高附加值的产品,但其对淤泥性质有一定的要求,而且处理费用高、处理淤泥量有限,对处理含沙量过高的疏浚淤泥不适用{4},对处理大量的淤泥也不太合适;
采用化学固化方法对淤泥进行处置,处理效率高、施工方便,且易于推广应用,如目前采用该技术对无锡长广溪堆场淤泥进行固化资源化利用已经获得了成功{5},但化学固化方法处理淤泥的投资较大,因此开发适应我国国情的淤泥固化处理设备和固化剂势在必行。
1.2.2化学固化机理
化学固化技术{1}是向淤泥中添加固化材料,通过搅拌混合、养护,使淤泥、水、固化材料之间发生一系列的水解和水化反应,使得松软无强度的淤泥变成具备一定力学性能的固化土。
化学固化技术的原理是:
固化材料通过一系列的吸水、水解、水化反应,在淤泥颗粒表面产生胶凝物质（水化硅酸钙、水化铝酸钙等）,形成不可逆转的凝结硬化壳,使淤泥颗粒具备一定的水稳定性和强度稳定性。
另外,具有胶凝性质的水化产物在淤泥颗粒之间形成了网状结构,即构成了淤泥的骨架,结晶类的水化产物则填充网状结构的孔隙,使得淤泥内部变得致密,待硬化后淤泥便具备了一定的结构强度。
显然,化学固化处理通过固化材料的吸水作用可有效降低淤泥的含水率,另外,包裹着淤泥颗粒的凝结硬化壳可有效降低其中污染物质的活性,从而起到一定的“减污”作用。
化学固化处理后的淤泥具有强度可控、施工简便迅速等优点,适合大批量淤泥的固化处理。
用固化技术处理废弃淤泥使其变为再生资源在国外已得到广泛的应用,技术已比较成熟。
这一方法已在日本、荷兰、新加坡有较为广泛的使用。
正在建设的名古屋机场的填海工程就大量采用了固化处理后的名古屋港淤泥。
日本东京设有多处废弃土处理中心,将废弃淤泥通过固化处理后代替砂料等土石方材料进行出售。
我过也正在对固化技术进行研究，来解决我国疏浚淤泥的处理问题。
目前固化材料中,水泥、石灰、石膏、粉煤灰等为主要组成材料。
由于淤泥的孔隙比大,含水率高,所需添加的固化材料的量比较大。
所以，有必要进行研究来找到最合适的固化剂配合比，发挥各自材料的最大作用。
1.2.3粉煤灰、水泥具体运用
我国以煤炭为主要能源，每年用煤量高达几十亿吨，目前电力大部分是由煤炭产生的。
以煤为主的电力工业的大规模发展导致粉煤灰的排放急剧增加，直接排放到空气中会造成污染，若采用湿排，则消耗大量的水资源；
若采用堆放处理，则会废弃大量的土地资源。
随着我国对除尘、干燥技术的发展，电厂积极采用高效除尘装置，对粉煤灰进行脱水处理，使水分降低至30%以下，为粉煤灰利用创造了条件。
脱水处理后的粉煤灰，可以生产烧结砖、加气混凝土、生产陶粒等，运用广泛，并有着非常好的效果。
例如，通往秦皇岛某造船基地的马路上，大量的重型大卡车来来往往，之前原本是一条烂泥塘，现在承载力能打到15t/㎡的马路是主要利用粉煤灰来修筑的。
（见图1-1、图1-2）
图1-1河边的烂泥塘，石头一砸一个坑
图1-2用粉煤灰填泥塘后的土地
从上面的具体实例上看出粉煤灰的改性作用，能够充分的改变淤泥原本的力学性质。
1.3研究的内容与意义
1.3.1本文研究内容
（1）了解太湖疏浚淤泥处理现状
（2）了解并分析太湖疏浚淤泥改性机理
（3）了解疏浚淤泥改性指标
（4）通过试验来确定影响疏浚淤泥物理力学特性的主要因素
（5）通过试验来了解改性后的淤泥力学性质
1.3.2研究的意义
我国在淤泥可利用化方面前行的不是很顺利，正是技术的不系统性、制度的不完善性才导致了目前的状况。
但是随着认识的深入，淤泥的可利用性的价值渐渐被人们认识。
于是逐渐的在堤岸、码头的建设上，将改性淤泥作为填筑材料来使用，也确实收到了不错的效果。
这样不仅节省了现有资源的使用，而且在强度上也与传统材料没有较大的差别，这就使得淤泥的可利用化的意义显现了出来。
本次研究所选取的淤泥试样来自太湖，也就是在太湖清淤工作中产生的淤泥。
通过一些列的研究能够对太湖淤泥的改性机理、淤泥改性指标、淤泥改性后的力学性质有所了解。
通过设计实验来进行对假设的验证；
让理论上的猜想在现实的实验中反映出来。
让粉煤灰以、水泥和石灰的改性作用得以显现。
第2章试验设备与淤泥固化机理
2.1试验设备
试验中使用的主要设备与装置有：
（1）WG-2型双联固结仪—由南京土壤仪器厂生产（见下图2-1）；
图2-1双联固结仪
（2）STYS-1型数显液塑限联合测定仪—由浙江土工仪器制造有限公司生产（见下图2-2）；
图2-2液、塑限联合测定仪
（3）PB602-NMettlerToledo电子天平max=610gd=0.01ge=0.1g；
（4）101-2A型电热鼓风干燥箱—由上海申通实验电器联营厂制造；
（5）直剪仪—由南京土壤仪器厂生产（见下图2-3）；
图2-3直剪仪
（6）BT-9300H激光粒度分布仪—由丹东市百特仪器有限公司生产（见下图2-4）；
图2-4激光粒度分布仪
其他的工具还有：
环刀（2cm，30cm²
）、秒表、百分表、电子天平、钢丝锯、土工刀、调土刀、铝盒、盛土杯等。
2.2淤泥固化机理
淤泥固化土的强度，就是通过固化反应在含有大量空隙的松散土体中形成固化土的骨架节后，从而使其强度提高。
因此，固化材料不仅具有胶结土粒的作用以形成骨架，还应具备填充骨架内部空隙的功能。
2.2.1水泥固化机理
采用水泥固化淤泥的基本原理就是由于水泥的水解水化反应以及水化产物以及淤泥颗粒与水化产物之间的胶结形成水泥-土骨架结构，其具体反应如下：
（1）水泥的水解水化反应{7}
普通的硅酸盐水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铝酸四钙等与水发生水解和水化反应，在淤泥中形成水泥石骨架；
水泥的水解反应：
2（3CaO.Si02）+6H2O一3CaO·
2Si02·
3H2O+3Ca（OH）2;
2（2CaO.Si02）+4H2O一3CaO·
3H2O+Ca（OH）2;
3CaO·
A12O3+6H2O一3CaO·
A12O3·
6H20;
水泥的水化反应：
4CaO·
A12O3Fe2O3+2Ca（OH）2+10H2O一3CaO.A12O3·
6H2O+3CaO·
Fe2O3+6H2O；
3CaSO4+3CaO·
A12O3+32H20一CaO.A12O3CaSO4·
32H20;
水泥的水化反应主要产物是氢氧化钠、水化硅酸钙，水化铝酸钙，水化铁酸钙等其他化合物。
所以生成的氢氧化钠、水化硅酸钙能迅速溶解与水中，便于接下来的一系列反应的继续进行。
水泥水化反应的生成物主要为氢氧化钙，水化硅酸钙，水化铝酸钙，水化铁酸钙和钙矾石（CaO·
A12O3CaSO4·
32H20）等化合物。
所生成的氢氧化钙，水化硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。
当溶液达到饱和后，水分子虽继续渗入颗粒内部，但新生成物不能再继续溶解，只能以胶体析出，悬浮在溶液中。
（2）淤泥颗粒与水泥水化物的作用
当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。
1）离子交换和团粒化作用
淤泥和水结合时就表现一定的胶体特性，如土中二氧化碳遇水后，形成胶体微粒，其表面带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子c扩十进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体的强度提高。
水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大1000倍，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合，形成固化土的团粒结构，并封闭各团粒的孔隙形成坚固的联结。
2）硬凝反应
随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换需要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，增大固化土强度。
反应式为:
SiO2+Ca（OH）2+nH2O一3CaO·
SiO2·
（nH）H2O
A12O3+Ca（OH）2+nH2O一CaO·
（n+1）H2O
3）碳酸化作用
水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使固化土增加强度，但增长强度较慢，幅度较小。
2.2.2粉煤灰固化机理
粉煤灰是一种具有潜在活性的火山灰质粉末,其化学成分以SiO2、Al2O3及其它金属氧化物为主。
研究表明,粉煤灰的活性不仅低于成分相近的火山灰质粉末材料（如矸石等）,而且更低于矿渣的水化活性。
{8}
（1）粉煤灰的活性来源
粉煤灰的活性一般包括物理活性和化学活性。
粉煤灰的物理活性产生的效应包括减水效应、微集料效应和密实效应。
减水效应也称颗粒形态效应,主要是指粉煤灰中球形玻璃体起滚珠轴承作用,从而使掺粉煤灰体系的流动性提高,起减水作用;
微集料效应是指粉煤灰颗粒充当微小集料,均匀分布在体系之中,填充孔隙和毛细孔,改善体系的孔结构和增大密实度;
密实效应是微集料效应和火山灰效应的共同作用的表生晶相,填补水膜层和水泥骨架空隙,提高密实度。
物理活性主要在掺粉煤灰体系的早期发挥作用[9]。
粉煤灰的化学活性指粉煤灰的火山灰性质,它来源于煤粉在高温燃烧后收缩成球状液珠后迅速冷却而形成的玻璃体中可溶性的SiO2,Al2O3,活性SiO2,Al2O3与石灰和水混合后能生成水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）[10]。
（2）激发方式
1）物理激发
物理激发即机械粉磨。
根据粉煤灰的物理产生的来源可以机械球磨。
煤灰经机械粉磨,含玻璃珠的粗颗粒即微珠粘联体被分散成单个微珠,较大的玻璃体和炭粒变成细屑,虽然颗粒表面积增大,表面吸附的水量增加,但是球形颗粒增多,发挥“滚珠”作用,使体系的流动性增加,和易性改善,从而减少了需水量[17]。
虽然机械粉磨激发粉煤灰活性工艺简单、成本较低,但是由于机械粉磨的激发效果随粉煤灰粒径的减小而呈指数下降,而且细磨粉煤灰对体系的强度贡献主要来自颗粒优化产生的形态效应,而对玻璃体表面破坏带来的活性效应还在其次,因此机械粉磨较适用于粗灰,对细灰的作用不是很明显,难以较大幅度地提高粉煤灰的活性[11]。
2）化学激发
常用的粉煤灰的化学激发方法有酸激发、碱激发、硫酸盐激发、氯盐激发和晶种激发等。
Ca2+是形成胶凝性水化物的必要条件,而由于粉煤灰与水泥相比,粉煤灰中含的CaO量非常低,所以在所有的激发方法中,首先必须提供充足的Ca2+。
下面简要介绍几种激发机理。
硫酸盐对粉煤灰活性的激发主要是SO42-在Ca2+的作用下,与溶解于液相的活性Al2O3反应生成水化硫铝酸钙AFt,即钙矾石，部分水化铝酸钙也可与石膏反应生成Aft。
同时,也有学者认为,SO42-生成的CaSO4和AFt均有一定的膨胀作用,可以填补水化空间的空隙,使浆体的密实度提高,起到补偿收缩的作用[12]。
常见的碱性激发剂有NaOH,KOH,Na2SiO3和Ca（OH）2等。
粉煤灰的化学成分呈弱碱性，在碱环境中其活性最容易被激发,粉煤灰活性激发的关键是使Si-O和A1-O键断裂。
有研究表明,在OH-的作用下,粉煤灰颗粒表面的Si-O和Al-O键断裂,Si-O-A1网络聚合体的聚合度降低,而且OH-浓度越大,对Si-O和Al-O键的破坏作用越强[13]。
常用氯盐激发剂主要有CaCl2和NaCl。
氯盐中的Ca2+和Cl-扩散能力较强,能够穿过粉煤灰颗粒表面的水化层,与内部的活性Al2O3反应生成水化氯铝酸钙使水化物包裹层内外渗透压增大,并可能导致包裹层破裂,从而促进了水化[14]。
Ca2++Al2O
升级会员 