石灰水泥改性垃圾土強度的試驗研究

王利平,王利夫,李虹辰,張愛軍,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設(shè)計院,河北保定071000;3.石門水庫管理局,陜西漢中723003)

隨著經(jīng)濟增長和城市化速度加快,城市固體垃圾的產(chǎn)量正在急劇增加,近來隨著城市的不斷擴大,城市不斷向郊區(qū)擴展,在擴建過程中必然會遇到處理垃圾土地基的問題,進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題。目前工程建設(shè)中遇到淺層垃圾地基主要通過換填和挖除解決,深層垃圾地基主要通過樁基解決,建設(shè)成本高,且其長期沉降變形問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度,土顆粒對各種離子的吸收可降低水泥加固土的強度。由于垃圾填埋場環(huán)境比較復(fù)雜,對于加固材料的長期穩(wěn)定性的研究是必須的,場地土對建筑物地基具有不同程度的腐蝕性破壞[4]。因此,垃圾填埋場不能直接作為建筑物的地基,需要進行地基處理。施建勇,冒俊[5]等分別進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)護齡期水泥垃圾土的無側(cè)限抗壓試驗。程祖鋒,牛中元,楊大順[6]等對人工垃圾土摻入不同質(zhì)量比的粉煤灰水泥,在8個不同養(yǎng)護齡期對樣品進行無側(cè)限抗壓試驗,研究了其隨著齡期增長的各種情況下的強度特征。本試驗在前人研究的基礎(chǔ)上進行了進一步的研究探索。

1 對楊凌垃圾土的調(diào)查分析

1.1 調(diào)查地點及調(diào)查方案

1.1.1 調(diào)查地點介紹

本次試驗調(diào)查的試驗場地選在楊凌示范區(qū)李村垃圾填埋場。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。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、其他有機物等。本次試驗在楊凌李村垃圾填埋場內(nèi)隨機取6個垃圾土試樣,通過垃圾分揀來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。對于一維的成分含量用其長度與樣本體積比值進行衡量,對于二維成分含量用其總面積與樣本體積比值進行衡量,對于三維成分含量用其體積百分數(shù)進行衡量。進而得出垃圾土的相關(guān)級配情況。

此外通過取樣用烘干法測其含水率,并采用灌水法測體積并稱重,進而求出其干密度。得出垃圾土中各成分含量及其級配情況,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。具體過程有取樣、用灌水法測體積、測定含水率、測樣本質(zhì)量、分揀。

1.2 調(diào)查試驗結(jié)果及成果分析

1.2.1 垃圾土含水率及密度

經(jīng)過取樣測得垃圾土含水率及密度見表1。由表1可知楊凌李村垃圾填埋場垃圾土含水率在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垃圾土含水率及密度

1.2.2 垃圾土組成成分分析

通過對垃圾土樣本的分揀,并用電子稱測得楊凌李村垃圾填埋場垃圾土各成分在面干狀態(tài)下的各組成成分百分比見表2。

表2 楊凌李村垃圾填埋場垃圾土各組成成分質(zhì)量百分比 單位:%

1.2.3 垃圾土級配

按前面所述試驗方法測得楊凌李村垃圾填埋場垃圾土的級配情況見表3。

表3 楊凌李村垃圾填埋場垃圾土各成分與樣本質(zhì)量的比值

以上為本次試驗所測得的楊凌李村垃圾填埋場垃圾土的級配情況,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度的試驗研究

2.1 試驗條件

2.1.1 實驗材料

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

表4 室內(nèi)配置垃圾土各組成成分百分比 單位:%

通過前期的探索試驗及查閱大量相關(guān)資料,本試驗有三個實驗組: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。對各試驗組參考《水工混凝土試驗規(guī)范》做7 d、14 d、28 d、90 d、150 d齡期的抗壓強度試驗,并采用電阻應(yīng)變片法做28 d齡期的單軸壓縮變形實驗,具體實驗操作按《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》執(zhí)行。

2.1.2 試樣的制備方法

本試驗參考《土工試驗規(guī)程》按如下方法進行具體操作。本次試驗有三個試驗組,每次平行試驗需3個試件,總共有5個齡期,每個實驗組需制作15個試件,總共需制作45個試件。按上述試驗材料配比,通過計算把一個實驗組15個試件的材料都準備好,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做到密封,防止水分散失并貼上標簽,稱重檢驗是否符合濕密度2.0 g/cm3的要求,若符合要求在地下養(yǎng)護室進行養(yǎng)護,地下養(yǎng)護室溫度為25℃,濕度為95%,到相應(yīng)的齡期后進行試驗 。

2.2 試驗結(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驗得相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖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)系曲線都有一個轉(zhuǎn)折點,轉(zhuǎn)折點大約在最大應(yīng)力的50%～60%處。通過對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,強度比較低;結(jié)核外部為堅硬的外殼,主要為水泥水化和石灰硬化所形成。因此在轉(zhuǎn)折點之前主要由結(jié)核外殼受力,故彈性模量較高,在轉(zhuǎn)折點之后結(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)通過對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度隨齡期的變化規(guī)律

參考《水工混凝土試驗規(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垃圾土試件抗壓強度試驗可得垃圾土強度隨齡期的變化規(guī)律見圖2。

圖2 水泥石灰垃圾土強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度隨齡期的變化經(jīng)過3個階段,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,垃圾土強度迅速增加,增幅較大。

(2)通過對各階段強度的對比可知,水泥石灰比29∶6和25∶10的垃圾土試件其150 d的強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)核外部為堅硬的外殼,主要為水泥水化和石灰硬化所形成。有機質(zhì)降解使結(jié)核內(nèi)部局部體積減小并對骨架有軟化作用,而石灰硬化時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垃圾土的降解也有一定的減緩作用。

3 結(jié) 論

(1)通過對楊凌垃圾土的調(diào)查分析,得出楊凌李村垃圾填埋場垃圾土的相關(guān)性質(zhì)并得出了垃圾土的相關(guān)級配參數(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%處曲線都有一個轉(zhuǎn)折點,在轉(zhuǎn)折點前后垃圾土彈性模量發(fā)生明顯的變化;改性后垃圾土的強度隨齡期的變化經(jīng)過3個明顯的階段;得到最佳的水泥石灰比為29∶6,改性后垃圾土的強度和彈性模量獲得較大的提高,150 d的強度可達到1.52 MPa,28 d的彈性模量可達到1.01 GPa。

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