石灰水泥改性垃圾土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

王利平,王利夫,李虹辰,張愛(ài)軍,陳俊英

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌712100;2.保定市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,河北保定071000;3.石門水庫(kù)管理局,陜西漢中723003)

隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和城市化速度加快,城市固體垃圾的產(chǎn)量正在急劇增加,近來(lái)隨著城市的不斷擴(kuò)大,城市不斷向郊區(qū)擴(kuò)展,在擴(kuò)建過(guò)程中必然會(huì)遇到處理垃圾土地基的問(wèn)題,進(jìn)行垃圾地基加固改性處理是工程建設(shè)中迫切要求解決的問(wèn)題。目前工程建設(shè)中遇到淺層垃圾地基主要通過(guò)換填和挖除解決,深層垃圾地基主要通過(guò)樁基解決,建設(shè)成本高,且其長(zhǎng)期沉降變形問(wèn)題尚未得到很好解決。從張?zhí)旒t[1]、李文斌[2]、李永華[3]等對(duì)水泥改性垃圾土做的研究可知,改性劑可提高水泥垃圾土的早期強(qiáng)度,土顆粒對(duì)各種離子的吸收可降低水泥加固土的強(qiáng)度。由于垃圾填埋場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜,對(duì)于加固材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究是必須的,場(chǎng)地土對(duì)建筑物地基具有不同程度的腐蝕性破壞[4]。因此,垃圾填埋場(chǎng)不能直接作為建筑物的地基,需要進(jìn)行地基處理。施建勇,冒俊[5]等分別進(jìn)行了人工配置垃圾土未降解、降解旺盛期、降解穩(wěn)定期在水泥摻入量為25%、35%、45%三種條件下不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥垃圾土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。程祖鋒,牛中元,楊大順[6]等對(duì)人工垃圾土摻入不同質(zhì)量比的粉煤灰水泥,在8個(gè)不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)樣品進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn),研究了其隨著齡期增長(zhǎng)的各種情況下的強(qiáng)度特征。本試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的研究探索。

1 對(duì)楊凌垃圾土的調(diào)查分析

1.1 調(diào)查地點(diǎn)及調(diào)查方案

1.1.1 調(diào)查地點(diǎn)介紹

本次試驗(yàn)調(diào)查的試驗(yàn)場(chǎng)地選在楊凌示范區(qū)李村垃圾填埋場(chǎng)。楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)全區(qū)面積94 km2,總?cè)丝?4.6×104人,新建區(qū)規(guī)劃面積22.12 km2。李村垃圾填埋場(chǎng)在楊凌市區(qū)西北6 km處,是楊凌市區(qū)最大的垃圾填埋場(chǎng)。由于楊凌區(qū)有兩所高校,工礦企業(yè)少,高校人口占市內(nèi)人口比重較大,所以垃圾大多為日常生活垃圾。

1.1.2 調(diào)查方案

垃圾土成分復(fù)雜多變且受多種因素影響,但根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料及相關(guān)人員的大量分析研究,其成分大致可分為塑料、橡膠、紡纖、紙張、廚余、毛骨、木條、灰渣、玻璃、金屬、其他有機(jī)物等。本次試驗(yàn)在楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)隨機(jī)取6個(gè)垃圾土試樣,通過(guò)垃圾分揀來(lái)確定各成分所占百分比。

垃圾土中的各成分按形狀和大小的不同可分為一維的木條、金屬條等,二維的塑料膜、玻璃片等,三維的玻璃瓶等。對(duì)于一維的成分含量用其長(zhǎng)度與樣本體積比值進(jìn)行衡量,對(duì)于二維成分含量用其總面積與樣本體積比值進(jìn)行衡量,對(duì)于三維成分含量用其體積百分?jǐn)?shù)進(jìn)行衡量。進(jìn)而得出垃圾土的相關(guān)級(jí)配情況。

此外通過(guò)取樣用烘干法測(cè)其含水率,并采用灌水法測(cè)體積并稱重,進(jìn)而求出其干密度。得出垃圾土中各成分含量及其級(jí)配情況,為室內(nèi)人工配置垃圾土提供基礎(chǔ)資料,研究垃圾土中纖維成分的加筋作用。具體過(guò)程有取樣、用灌水法測(cè)體積、測(cè)定含水率、測(cè)樣本質(zhì)量、分揀。

1.2 調(diào)查試驗(yàn)結(jié)果及成果分析

1.2.1 垃圾土含水率及密度

經(jīng)過(guò)取樣測(cè)得垃圾土含水率及密度見(jiàn)表1。由表1可知楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土含水率在26.72%～57.34%之間,平均值42.08%,變化范圍比較大;干密度在0.743 g/cm3～1.1 g/cm3之間,平均值0.939 g/cm3。

表1 楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土含水率及密度

1.2.2 垃圾土組成成分分析

通過(guò)對(duì)垃圾土樣本的分揀,并用電子稱測(cè)得楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土各成分在面干狀態(tài)下的各組成成分百分比見(jiàn)表2。

表2 楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土各組成成分質(zhì)量百分比 單位:%

1.2.3 垃圾土級(jí)配

按前面所述試驗(yàn)方法測(cè)得楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土的級(jí)配情況見(jiàn)表3。

表3 楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土各成分與樣本質(zhì)量的比值

以上為本次試驗(yàn)所測(cè)得的楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土的級(jí)配情況,其將為后面室內(nèi)配置垃圾土并研究垃圾土中的加筋現(xiàn)象提供一定的參考。

2 石灰水泥混合料改性垃圾土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

綜合考慮楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土各組成成分百分比和大量對(duì)試樣制備方法的探索,參考河海大學(xué)的彭功勛[7]、冒俊[8]等分析的國(guó)內(nèi)外典型垃圾組成,確定本次試驗(yàn)的垃圾土配比見(jiàn)表4。

表4 室內(nèi)配置垃圾土各組成成分百分比 單位:%

通過(guò)前期的探索試驗(yàn)及查閱大量相關(guān)資料,本試驗(yàn)有三個(gè)實(shí)驗(yàn)組:第Ⅰ組水泥石灰比為29∶6,第Ⅱ組水泥石灰比為25∶10,第Ⅲ組水泥石灰比為33∶2。對(duì)各試驗(yàn)組參考《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)范》做7 d、14 d、28 d、90 d、150 d齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),并采用電阻應(yīng)變片法做28 d齡期的單軸壓縮變形實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)操作按《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行。

2.1.2 試樣的制備方法

本試驗(yàn)參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》按如下方法進(jìn)行具體操作。本次試驗(yàn)有三個(gè)試驗(yàn)組,每次平行試驗(yàn)需3個(gè)試件,總共有5個(gè)齡期,每個(gè)實(shí)驗(yàn)組需制作15個(gè)試件,總共需制作45個(gè)試件。按上述試驗(yàn)材料配比,通過(guò)計(jì)算把一個(gè)實(shí)驗(yàn)組15個(gè)試件的材料都準(zhǔn)備好,一次性攪拌均勻,然后再加入水泥和石灰質(zhì)量和的19%的水后攪拌均勻,用內(nèi)徑150 mm,高150 mm的鋼模在壓力機(jī)上擠壓成型,將其濕密度控制在2.0 g/cm3。

將試樣用千斤頂從鋼模中取出后立即用塑料袋包起來(lái)做到密封,防止水分散失并貼上標(biāo)簽,稱重檢驗(yàn)是否符合濕密度2.0 g/cm3的要求,若符合要求在地下養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),地下養(yǎng)護(hù)室溫度為25℃,濕度為95%,到相應(yīng)的齡期后進(jìn)行試驗(yàn) 。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及初步分析

2.2.1 不同水泥石灰配比改性后垃圾土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

參考《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》采用電阻應(yīng)變片法做28 d齡期的水泥石灰比分別為29∶6、25∶10、33∶2垃圾土試件單軸壓縮變形實(shí)驗(yàn)得相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 水泥石灰垃圾土試件28 d齡期應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較

根據(jù)圖1可得:

(1)28 d齡期三種水泥石灰比的垃圾土試件應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線都屬于硬化型曲線。

(2)三種水泥石灰比的垃圾土試件28 d齡期應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線都有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約在最大應(yīng)力的50%～60%處。通過(guò)對(duì)破壞后試件破壞面的觀察,在試件內(nèi)部形成了很多結(jié)核,結(jié)核內(nèi)部為垃圾和土的混合物,強(qiáng)度比較低;結(jié)核外部為堅(jiān)硬的外殼,主要為水泥水化和石灰硬化所形成。因此在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前主要由結(jié)核外殼受力,故彈性模量較高,在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后結(jié)核外殼被破壞,主要由結(jié)核內(nèi)部垃圾和土受力,故彈性模量較低。

(3)通過(guò)對(duì)不同水泥石灰配比垃圾土試件應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的比較,可知水泥石灰比為29∶6的垃圾土彈性模量最大,為水泥石灰比為33∶2和25∶10的垃圾土的5倍,因此水泥石灰比對(duì)垃圾土的彈性模量有較大的影響,而且最佳比例為29∶6。

2.2.2 不同水泥石灰配比改性后垃圾土的強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律

參考《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)范》做7 d、14 d、28 d、90 d、150 d齡期的水泥石灰比分別為29∶6、25∶10、33∶2垃圾土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可得垃圾土強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 水泥石灰垃圾土強(qiáng)度隨齡期的變化曲線

從圖2中可知

(1)不同水泥石灰配比改性后垃圾土的強(qiáng)度隨齡期的變化經(jīng)過(guò)3個(gè)階段,第一階段0～14 d垃圾土降解速度小于水泥和石灰的凝結(jié)硬化速度,垃圾土強(qiáng)度迅速增加,增幅很大;第二階段14 d～90 d垃圾土降解速度基本等于水泥和石灰的凝結(jié)硬化速度,垃圾土強(qiáng)度基本不變;第三階段90 d以后垃圾土降解速度小于水泥和石灰的凝結(jié)硬化速度,垃圾土強(qiáng)度迅速增加,增幅較大。

(2)通過(guò)對(duì)各階段強(qiáng)度的對(duì)比可知,水泥石灰比29∶6和25∶10的垃圾土試件其150 d的強(qiáng)度明顯大于水泥石灰比33∶2的試件,其中水泥石灰比29∶6的試件強(qiáng)度最高,其值為水泥石灰比33∶2的試件的1.46倍,故最佳配比為29∶6。

(3)試件內(nèi)部形成了很多結(jié)核,結(jié)核內(nèi)部為垃圾和土的混合物,結(jié)核外部為堅(jiān)硬的外殼,主要為水泥水化和石灰硬化所形成。有機(jī)質(zhì)降解使結(jié)核內(nèi)部局部體積減小并對(duì)骨架有軟化作用,而石灰硬化時(shí)的收縮也能在一定程度上減小結(jié)核內(nèi)部的空隙。此外加入石灰后垃圾土呈堿性對(duì)垃圾土的降解也有一定的減緩作用。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)楊凌垃圾土的調(diào)查分析,得出楊凌李村垃圾填埋場(chǎng)垃圾土的相關(guān)性質(zhì)并得出了垃圾土的相關(guān)級(jí)配參數(shù),為室內(nèi)人工配置垃圾土和研究垃圾土中纖維成分的加筋作用提供基礎(chǔ)資料。

(2)研究了不同水泥石灰配比改性后,垃圾土28 d齡期的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和垃圾土的強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律。研究表明:改性后垃圾土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線都屬于硬化型曲線;在最大應(yīng)力的50%～60%處曲線都有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后垃圾土彈性模量發(fā)生明顯的變化;改性后垃圾土的強(qiáng)度隨齡期的變化經(jīng)過(guò)3個(gè)明顯的階段;得到最佳的水泥石灰比為29∶6,改性后垃圾土的強(qiáng)度和彈性模量獲得較大的提高,150 d的強(qiáng)度可達(dá)到1.52 MPa,28 d的彈性模量可達(dá)到1.01 GPa。

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