MgO水泥碳化加固软弱土技术研究,,刘松玉 东 南 大 学 岩 土 工 程 研 究 所 江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室 2017年4月16日 北京,第二十讲黄文熙讲座学术报告●清华大学,1.研究背景 2.基本物理力学性质和变形强度特征 3.渗透特性 4.耐久性 5.微观机理与模型 6.工程应用模型试验 7.结论与展望,报告内容,国家交通运输网规划逐步实施，运输线急剧增加，路基加固量增多； 沿海沿江地区基础设施建设最为密集，城市建筑、交通水利基础设施和地下空间的开发利用日新月异 江苏地区普遍分布软土和粉质类土等软弱土层（高含水量、大孔隙比、低强度、高渗透性、高压缩性),工程建设需要,,,,1吨水泥=0.85吨CO2 ，水泥CO2排放占人为排放的10%以上；每年排放粉尘1300万吨，占总排放37.4%，NOx 100万吨，占5.56%，SO2 60万吨，占2.43%； 引起二次污染（酸雨、地下水和温度变化），固化土体碱性增高抑制植物生长,CO2浓度达370ppm (Li, 2013),水泥排放CO2占14%,中国水泥产量最高 (Meng, 2007),,大气污染严重,环境二次污染,水泥传统固化剂的缺陷：CO2排放和大气污染严重,资源能源消耗严重 1吨水泥料=0.95吨石灰石+0.13吨粘土+0.11吨标准煤 煅烧温度>1450℃，资源消耗大且不可逆；水泥土固化强度增长较慢、养护时间长水泥土一般需养护28天才能有较高强度,《建筑地基处理技术规范 JGJ79-2002》规定90天标养强度为设计强度,水泥窑煅烧,抢险工程中难以实施,硅酸盐水泥热力学循环,煅烧温度高、能源消耗大！,,MgO(水泥) 碳化强度增长快 MgO(水泥)碳化土可在数小时内达到或超过相同掺量下水泥固化土28天强度,2001—2004，澳大利亚科学家Harrison发明了一种以活性MgO和波特兰水泥混合的新型水泥，证明MgO水泥具有优良的工程力学性质和环境效益。
镁资源丰富 镁矿石煅烧温度低(700-800ºC) MgCO3 →MgO＋CO2 碳化过程吸收相当量CO2MgO＋H2O ＋CO2→镁的碳酸化合物,镁水泥热力学循环,可持续性,MgO水泥的优势,剑桥大学Al-Tabbaa课题组、国内的莫立武教授等对MgO水泥，MgO+PC， MgO+PC+PFA等砌块进行了碳化研究，若以MgO作固化剂，经强制碳化能达2~3倍PC水泥砌块的强度，强度增长较快，并吸收与MgO相同质量CO2MgO碳化砌块抗硫酸镁能力强，优于硅酸盐水泥砌块 碳化研究以水泥混凝土砌块为主，MgO碳化固化软土国内外空白镁碳酸盐晶体典型SEM图. a 碳酸镁(M)Magnesite b 三水碳酸镁(N) Nesquehonite c 球碳镁石(D)Dypingite d 水菱镁矿(H) Hydromagnesite,MgCO3,MgCO3·3H2O,(Mg)5(CO3)4(OH)2·5H2O,(Mg)5(CO3)4(OH)2·4H2O,MgO的填充作用,MgO水泥的研究现状,氧化镁的物理性质,活性MgO,水泥,试验土的物理特性,材料颗分,MgO碳化固化软弱土的研究,,MgO活性测定方法： 定性方法：比表面积法、碘吸附法和热分析法； 定量方法：水合法和柠檬酸中和法等。
试验土化学成分,柠檬酸中和法,ASAP2020型吸附分析仪,固化剂化学成分,,(a) 材料搅拌,(b) 制样模具,(c) 静压制样,碳化桶碳化装置,试样碳化方法,三轴碳化装置,,,静 压 制 样,,,碳化主要产物：MgCO3·3H2O、Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O和Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O 由化学式可知碳化过程中MgO吸收CO2的比例有两种： 产物为MgCO3·3H2O：MgO与CO2摩尔比为1:1（质量比为1:1.1）； 产物为Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O和Mg5(CO3)4(OH)2·4H2OMgO与CO2摩尔比为5:4（质量比为1:0.88）碳化度是以碳化固化土与硝酸反应生成的CO2质量（mco2）与碳化固化土中所加入的MgO质量（mMgO）的比值表示,,,基于活性测试结果的氧化镁碳化度理论值,碳化度测定,低频交流电阻率测试,电阻率公式：,电导率测试,电阻率测试,式中：R—试样的电阻(Ω)；D、H —分别为试验直径和高度(cm)；,1.研究背景 2.基本物理力学性质和变形强度特征 3.渗透特性 4.耐久性 5.微观机理与模型 6.工程应用模型试验 7.结论与展望,报告内容,质量变化,粉质黏土,粉土,MgO活性,掺量影响,初始含水率影响,碳化土质量较碳化前明显增加，质量增加率为1%-9%， 随MgO掺量增加而增加；碳化时间越长，质量增加率越高； 质量增长率随初始含水率增加略有增加,基本物理性质,,,,,碳化后试样体积发生膨胀；粉质黏土试样体积膨胀明显，膨胀最高可达16.7%；粉土试样体积膨胀相对较低，最高仅为3.8%。
体积变化,MgO活性,粉质黏土,粉土,MgO碳化土体积增长率为2%-8.5% 体积增长率随MgO掺量增加而减小；碳化时间越长，体积增长率越高； 当初始含水率为30%时，体积增长率比其他初始含水率下的要大,掺量影响,初始含水率影响,MgO掺量5–15%,MgO掺量17.5–30%,碳化产生的最高温度,随碳化时间温度先快速增加后缓慢减小MgO掺量增加，碳化产生的最高温度越高，达到最高温度所需的碳化时间越短最高温度对应的碳化时间,温度变化,MgO固化土的在碳化1.2 h内即达到了最高温度，高含水率下碳化效果较差 温度也随碳化时间先快速升高后缓慢降低，MgO活性越高，水化和碳化速度较快，产生的温度越高,两种MgO活性,随着CO2通气压力增大，MgO固化土达到最高温度所需的时间逐渐减小，且最高温度之后，温度的衰减也依次加快CO2通气压力影响,初始含水率影响,氧化镁活性越高，碳化固化后密度越大；粉质黏土试样碳化后密度有所降低；粉土试样碳化后密度较碳化前有所增加密度变化,粉土,粉质黏土,当MgO掺量大于12.5且碳化时间小于3.0h或掺量小于12.5%时，碳化土密度比碳化前减小； 当初始含水率小于25%、碳化时间为3.0 h时，碳化土密度随初始含水率增加而增加； 当初始含水率由25%增加至30%时，干密度随时间减小。
掺量影响,初始含水率影响,MgO活性影响,含水率和碳化度,,碳化土含水率较碳化前显著减小，MgO掺量越高、初始含水率越小，碳化后含水率越低 碳化前后的含水率均随似水灰比增大而增加，且与似水灰比可用幂函数进行拟合,MgO掺量和碳化时间,初始含水率影响,似水灰比影响,MgO活性影响,粉质黏土,粉土,MgO活性越高，碳化度越高；粉质黏土的碳化度在12.0h达到最大并趋于稳定，粉土为3.0h碳化土pH＝9.0—10.75低于水泥和石灰固化土的pH值(12)pH值随碳化时间发展呈降低的规律； 随MgO掺量增加而增加； 随初始含水率增加先降低后增加,,,石灰固化的PH值影响,养护龄期影响,粉质黏土,粉土,初始含水率影响,PH值,MgO掺量影响,碳化时间影响,电阻率随含水率或似水灰比增加而减小，两者可用幂函数拟合 当w0/c小于2.5时，电阻率随碳化时间增长较快,初始含水率影响,似水灰比影响,电阻率特性,碳化后的电阻率明显增加,随MgO掺量增加而增加；碳化时间越长，增长越快；且电阻率和MgO掺量可用线性函数拟合,,,,粘土碳化6h后强度最高可达4MPa粉土样碳化2h后强度最高达7MPa 氧化镁活性越高，掺量越大碳化固化后强度越大。
高活性氧化镁碳化后强度均高于相同掺量正常养护28天水泥土强度MgO活性影响,粉质黏土,粉土,无侧限抗压强度,碳化土强度随MgO掺量增加而增加； 强度随初始含水率增加而减小，碳化3.0h后，均达到2.0MPa； 强度随似水灰比增加而降低，强度预测公式,MgO掺量影响,初始含水率影响,似水灰比影响,影响碳化土强度的因素分析,《建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2002)》建议水泥土变形模量取100~150倍无侧限抗压强度 碳化体变形模量E50与无侧限抗压强度大致呈线性关系， 模量随强度增加而增加，且二者比值E50/qu分别为60~200 MgO碳化土与水泥土有类似的力学特性,变形模量,掺量影响,初始含水率影响,随着初始压实度增加，土样强度呈现先增加后减小趋势，当初始压实度为89%时碳化土样强度达到峰值压实度对碳化效果影响,含水率,干密度,无侧限抗压强度,MgO碳化土强度随含水率的增加而降低；强度随碳化土干密度的增加而增加 强度随pH值增加而降低（强度由碳化产物提供，pH值由氢氧化镁或MgO所提供）,强度与物理指标的关系,强度—含水率,强度—干密度,强度—pH值,强度—电阻率,碳化土强度与电阻率呈线性关系,1.研究背景 2.基本物理力学性质和变形强度特征 3.渗透特性 4.耐久性 5.微观机理与模型 6.工程应用模型试验 7.结论与展望,报告内容,柔性壁渗透试验,渗透性测试方法,式中：k—试样的渗透系数(cm/s)；q —单位时间内渗滤出水的体积(cm3/s)；L —试样的高度(cm)；A —试样的横截面积(cm2)；H —等效的水力梯度高度(cm)。
MgO掺量越高，试样渗透系数越小；碳化固化粉质黏土的渗透系数均小于粉土的；碳化土渗透系数均稍大于相应水泥土渗透系数，但处于同一数量级；渗透系数随碳化时间略有增加,渗透系数,固化剂掺量影响,碳化时间影响,MgO碳化粉土的渗透系数约为2×10-4 -1×10-6 cm/s，渗透系数随似水灰比和含水率增加而增加，随干密度增大而减小； 碳化6.0h的渗透系数最小，渗透系数与孔隙比可用幂函数进行拟合，MgO碳化土的渗透规律大体上与水泥固化土、重塑土一致,似水灰比影响,碳化土含水率,碳化土干密度,渗透系数与抗压强度关系,1.研究背景 2.基本物理力学性质和变形强度特征 3.渗透特性 4.耐久性 5.微观机理与模型 6.工程应用模型试验 7.结论与展望,报告内容,干湿循环试验,参考（ASTM）D4843－88（Reapproved 2009），Estabragh ，Ahmed等人的研究成果进行改进和简化 干循环：放置在30℃烘箱中48小时； 湿循环：试样在常温条件下冷却1小时，在蒸馏水中浸泡23 h设置6次循环冻融循环试验,参照ASTM-D560-03冻：在-23 ℃冻融箱中24小时；融：在标准养护室中（20℃）23小时。
设置10次循环碳化试样碳化完成后标准养护1天、水泥土标准养护28天后进行试验硫酸盐侵蚀试验,参照ASTM C1012/C1012M-10浸泡溶液为质量分数5% 的Na2SO4（0.347 mol/L，pH=7.92）溶液和MgSO4（0.416 mol/L，pH=7.25）溶液，每周更新一次溶液浸泡最长时间28天试验方案,,评价指标：试样健全度、密度和强度等,,,,日本规范中试样健全度等级划分,耐久性评价指标,,,,,,,,,碳化固化土,水泥固化土,软土（武汉）,软土（南京）,粉土（宿迁）,,耐久性—干湿循环特性,,,,,,,碳化固化土试样每次干湿循环后的含水率增加程度高于水泥土试样，碳化固化土试样经过干湿循环后干密度都有不同程度的下降，而水泥土干密度则基本不变含水率变化,干密度变化,物理性质随干湿循环变化,,无侧限抗压强度随干湿循环变化,,碳化软土干湿循环后强度明显降低，而水泥固化武汉软土试样仍达到65%以上软土（武汉）,粉质黏土（南京）,粉土（宿迁）,电镜扫描试验（SEM）,干湿循环前,标准养护21d,1次干湿循环,6次干湿循环,各个阶段都有棱柱状的碳酸镁石及花骨状和片状的水碳镁石和球碳镁石存在。
各个阶段均有三种产物，但水碳镁石和球碳镁石增多，到6次后棱柱状晶体较难发现软土（武汉）,软土（南京）,粉土（宿迁）,。