水泥基固化污染土炉渣材料在地基路面中的应用及机理研究

摘要

随着我国经济的快速发展和城市化发展的不断推进，一方面，我国公路里程不断增加需要消耗大量的优质天然土石料，而优质填土及石料资源分布不平衡，供不应求的现象时有发生，影响工程建设的进度；另一方面，固化/稳定后的重金属污染土和城市固体垃圾焚烧炉渣如若只是定点填埋和堆放，将会占用大量的土地资源。因此，进行固化重金属污染土和焚烧炉渣在道路工程中资源化利用的可行性研究，不仅有助于减少天然土石料资源的消耗，亦可解决固化污染土和炉渣的处置问题。 基于这一背景，本文以重金属污染土与焚烧炉渣为试验对象，一方面，研究了重金属污染土被水泥固化/稳定后的强度与毒性浸出特性，并探讨其作用机理与作为路基材料的可能性。另一方面，研究了焚烧炉渣的基本理化性质、力学及环境特性，评估其在工程中替代天然碎石骨料的可能性；测试不同配合比的水泥稳定炉渣级配碎石试样的强度特性。依托于实际工程，制定水泥稳定炉渣碎石路面基层施工设计方法，并在试验路段进行水泥稳定炉渣级配碎石路面基层的试铺，养护7天后钻心取样进行检测。最后，将水泥固化重金属污染土与水泥稳定炉渣级配碎石共同运用于道路工程进行数值模拟。取得了以下主要成果： （1）水泥掺入土体后，各种物理及化学反应随着养护龄期不断进行，改善了土体的强度和淋滤特性。重金属浓度较低（1000 mg/kg）时，水泥的掺入可以有效的增加土体的强度，降低淋滤液中重金属的浓度。而高浓度的金属（10000 mg/kg）则会明显抑制水泥的固化稳定效果。 （2）当铅离子浓度低于10000 mg/kg、水泥掺量不小于7.5%时，水泥固化重金属污染土无侧限抗压强度大于1.0 MPa，达到了荷兰、法国等国家的修复标准。而在本试验中，只有在铅离子浓度为1000 mg/kg、水泥掺量为10%时，淋滤液中的铅离子小于5 mg/L，满足U. S. EPA的TCLP试验规定的最高限值。在力学及环境特性都满足相关要求的条件下，水泥固化重金属污染土的资源化再利用（如作为路基材料）是切实可行的。 （3）焚烧炉渣吸水率较高而密度较低，压碎值介于30%~45%，大于碎石20%的压碎指标但与海砂相似；CBR值大于25%且承受结晶压的坚固性良好；当浸取剂的pH值为2.88和6.92时，炉渣的各类重金属浓度浸出远远低于危险废物鉴别标准，属于一般固体废弃物，重金属污染程度小，资源化利用对环境造成的影响甚微。 （4）水泥稳定炉渣碎石的强度与刚度随着养生龄期的增长而增长，在相同的炉渣与水泥掺量下，原状炉渣试样强度和刚度明显低于同龄期破碎炉渣试样。当破碎炉渣掺量不超过30%，水泥掺量不小于4％时，试样7d无侧限抗压强度代表值在3.68~5.49 MPa，能够满足我国公路路面基层（底基层）材料的技术要求。试验路段的钻芯试样成型良好，表面光滑没有裂纹，破碎炉渣和小粒径的石灰岩碎石很好的填充了大粒径骨料之间的孔隙，水泥稳定炉渣级配碎石基层在试验路段获得了成功。 （5）将固化后的重金属污染土和水泥稳定炉渣碎石应用于道路工程，根据模拟计算得出：在荷载作用的路面中心处，路面沉降随路面基层和路床的刚度和厚度的增大呈现减小的趋势，但而上述不同因素对路面沉降的影响程度却不相同。路面下应力分布主要受路面基层和路床厚度影响。虽然水泥稳定炉渣碎石的性能并不优于传统路面基层水稳材料，但不会对道路性能产生明显的不良影响。由于水泥固化重金属土力学性质优于一般路床填料（如击实素粘土），所以对路面沉降有着更好的抑制作用。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

第二章 试验材料及试验方法

2.1 水泥固化重金属污染土试验

2.2 水泥稳定炉渣碎石试验

第三章 水泥固化重金属污染土强度及淋滤特性

3.1 水泥固化重金属污染土强度特性

3.2 水泥固化重金属污染土淋滤特性

3.3 本章小结

第四章 水泥稳定炉渣碎石材料的基本性质及强度特性

4.1 焚烧炉渣基本性质及环境影响评价

4.2 水泥稳定炉渣级配碎石强度特性

4.3 水泥稳定炉渣级配碎石道路基层适用性现场试验研究

4.4 本章小结

第五章 水泥固化污染土炉渣材料在道路工程中适用性研究

5.1 计算模型建立

5.2 根据模拟分析结果的适用性研究

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

图 表 目 录

致谢

作者简历

攻读硕士学位期间取得成果