阅读说明：本技术 一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试方法 (Method for testing expansibility and shear strength of carbonized soil in carbonization process of magnesium oxide solidified soil ) 是由 蔡光华 王中 赵志峰 邵光辉 刘成 张欣雅 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试方法,属于土木工程固化材料的参数测试。该方法包括氧化镁混合土样在碳化固化过程中温度、电阻率和体积膨胀的测试以及碳化试样的抗剪强度测试,具体包括装置组装与连接、试样制备、传感器调试、碳化养护与物理参数测试、直剪试验准备及直剪试验等步骤。本发明实时监测氧化镁固化土试样在碳化过程中温度和电阻率变化以及不同位置处的体积膨胀,以评价材料在不同条件下的碳化进程和膨胀特性；碳化养护后,对碳化试样进行加载,实现其全自动直剪试验和电阻率测试。该方法避免试样在装样过程的扰动、操作步骤简单、参数测试准确,对碳化固化土材料的工程应用和评价具有重要意义。(The invention discloses a method for testing the expansibility of magnesium oxide solidified soil in the carbonization process and the shear strength of carbonized soil, belonging to the parameter test of civil engineering solidified materials. The method comprises the steps of testing the temperature, the resistivity and the volume expansion of a magnesium oxide mixed soil sample in the carbonization and solidification process and testing the shear strength of a carbonized sample, and specifically comprises the steps of assembling and connecting devices, preparing the sample, debugging a sensor, carbonizing and curing, testing physical parameters, preparing a direct shear test, performing the direct shear test and the like. The method monitors the temperature and resistivity change and the volume expansion of different positions of the magnesia solidified soil sample in real time in the carbonization process so as to evaluate the carbonization process and the expansion characteristic of the material under different conditions; and after carbonization and maintenance, loading the carbonized sample to realize a full-automatic direct shear test and a resistivity test of the sample. The method avoids disturbance of the sample in the sample loading process, has simple operation steps and accurate parameter test, and has important significance for engineering application and evaluation of the carbonized solidified soil material.)

一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试 方法

所属领域

本发明属于土木工程材料测试方法类，具体涉及一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试方法。

背景技术

随着我国经济和城市化发展，城市建筑和交通水利等基础建设经常遇到不同厚度的软弱土层，而软弱土具有高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性等特点，给工程建设和地基处理带来了巨大挑战。在常用地基处理方法中，强夯法、振冲法施工因噪声大，传统换填法因工程量大、成本高，易出现承载力分布不均，而很少被推荐采用。水泥/石灰土桩、注浆法、高压旋喷桩等桩基础加固法是目前使用最多的技术，该方法处理养护周期长，所用固化材料主要为水泥和石灰，且水泥生产过程中能源资源消耗大、环境污染严重，给经济和环境可持续发展带来了诸多负面影响，为此岩土工程学者开始寻求新的替代材料和方法。近年来课题组采用活性氧化镁和二氧化碳作固化剂代替传统水泥进行软弱土固化处理，并公开了系列发明专利：如“一种土壤的碳化固化方法(201210097042.2)”、“一种土壤的碳化固化方法及其装置(201010604013.1)”、“一种利用工业废气热加固软土地基的处理系统及方法(201310122135.0)”、“一种用于地基加固的处理系统及碳化成桩方法(2014102039788)”、“一种软土地基的换填垫层碳化加固方法(2014102729571)”、“一种浅层软弱地基原位碳化固化处理方法(201510348797.9)”和“一种碳化搅拌桩-透气管桩复合地基及其施工方法(201710225231.6)”等等。这些发明专利均为基于氧化镁-二氧化碳固化机理而公开的软土处理施工技术。但是，软弱土经碳化处理后，土体物理特性和力学特性将产生巨大变化，对岩土工程施工产生重要影响，目前力学特性分析主要基于室内的无侧限抗压强度测试，物理特性是基于压碎土样的室内物理试验。针对软土碳化固化处理的特殊性，在碳化处理地基的工程设计过程中，对碳化固化土的膨胀性和抗剪性进行测试，合理确定物理特性、地基土承载力及强度参数(粘聚力和内摩擦角)则显得尤其重要。

众所周知，氧化镁混合土的碳化反应是一个放热、膨胀的化学加固过程，强度增长快、温度上升高、试样膨胀显著，因为现有的室内直剪试验均是基于环刀试样进行，碳化后的土样很难进行环刀取样；如果先将氧化镁混合土样压于环刀中再进行碳化，则很难反映试样的真实碳化过程。对氧化镁固化样的膨胀性评价，主要是对室内圆柱试样碳化前、后的尺寸进行测试并取平均值，还未有较准确的测试方法来评价碳化固化过程中的试样膨胀性。目前存在的膨胀性测试装置及测试方法多集中在岩土工程领域，多采用平衡加压法、反压法和减压法进行，容易导致试样破坏；且膨胀性的测试装置少、成本高。虽然文件公开了“一种膨胀注浆料固化过程膨胀性测试装置及测试方法(201710399344.8)”，但该专利是采用弹性约束零件控制材料的固化膨胀变形，测得了相应膨胀力以及不同约束条件下膨胀力随时间的变化特性，进而来揭示注浆材料的膨胀性，该方法复杂，需要准确测出约束材料膨胀力、刚度模量等，测试计算也相对复杂，很难适应碳化固化土无约束的膨胀测试。

目前，国内外大多采用传统的直剪仪对土层进行直接剪切试验，这些剪切仪主要包括剪切盒、垂直和水平加载装置等。而传统直剪试验往往使用环刀将待测试土样切割成特定形状并移至剪切盒内，土样在移动及切割过程中容易发生扰动、破坏，造成实验数据不准。现有直剪仪装置主要是基于特殊环境而改造成的，如文件“化学污染土剪切强度的测定方法及专用全自动直剪仪(2016100447885)”通过增加化学腐蚀装置，来模拟现场土体污染物腐蚀，以解决常规直剪试验仪无法测试化学污染土剪切强度参数的问题；“温控式直剪仪(201110079021.3)”是将试样置于恒温水箱，通过水温检测单元和测量机构来控制温度，完成恒温下的试样剪切强度测试；“大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪及试验操作方法(201210265653.3)”通过制冷装置的制冷液对土样实施降温，同时通过高精度温度传感器实时记录土样温度，且可以更换不同粗糙度钢板来模拟不同粗糙度的接触面，能够完成对冻土的剪切强度试验；“冻土-结构直剪仪及其使用方法(201110186321.1)”在剪切盒底部设置半导体制冷块，低温恒温槽内的冷却液输送管连接半导体制冷块，模拟不同冻结情况，测定冻土-结构接触面的剪应力与剪切位移的关系曲线；“一种控制相对湿度的非饱和土-结构材料接触面剪切仪(2019100476218)”设置封闭压力室和湿度环境控制模块来模拟不同湿度和压力环境，以再现实际工程现场湿度状态，获得可控的、吸力范围广的、适用于不同土类与不同结构材料的非饱和土-结构材料接触面力学特性；“组合式室内固结剪切仪(2018115645426)”设置竖向加载装置、横向加载装置，对固结完成的试样直接进行剪切试验，连续完成不同类型土体固结系数和抗剪强度测定。虽然以上直剪仪较传统直剪仪有很大改进，模拟了不同环境下的土体直剪测试，但仍然无法满足碳化过程中土体的膨胀性和碳化后土体的抗剪强度测试，也无法完成对碳化过程中土样温度和电阻率的检测。

立足于我国工程建设快速发展现状和新型碳化加固方法的优势，结合目前碳化加固过程中参数测试难和碳化土力学参数测试不准等现状，亟待研发一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试方法，在有效利用二氧化碳，合理工程设计和应用等方面具有重要意义。

发明内容

针对上述背景技术存在的不足，本发明旨在提出一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试方法，该方法包括氧化镁混合土样在碳化固化过程中温度、电阻率和体积膨胀的测试以及碳化试样的抗剪强度测试，具体包括装置组装与连接、试样制备、传感器调试、碳化养护与物理参数测试、直剪试验准备及直剪试验等步骤。本发明实时监测氧化镁固化土试样在碳化过程中温度和电阻率变化以及不同位置处的体积膨胀，以评价材料在不同条件下的碳化进程和膨胀特性；碳化养护后，对碳化试样进行加载，实现其全自动直剪试验和电阻率测试。该方法避免试样在装样过程中的扰动、操作步骤简单、参数测试准确，对碳化固化土材料的工程应用和评价具有重要意义。

为实现上述目的，本发明公开了一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.装置组装与连接：在下剪切盒中依次放置下透水板、滤纸、下电极板和温度传感器，在下剪切盒上放置上剪切盒，调节剪切盒内的所有弹簧螺栓使上剪切盒内壳的两瓣和下剪切盒内壳的两瓣紧闭，在上剪切盒内壳和下剪切盒内壳的内壁上涂抹凡士林，调节上卷轴和下卷轴并对接为一体，使下剪切盒和上剪切盒稳定为一整体；

b.试样制备：用环刀制取不同压实度下的氧化镁混合土试样，用脱模器将试样从环刀中压出至剪切盒内，使试样底部与温度传感器和下电极板紧密接触，然后在试样顶部依次放置上电极板、温度传感器、滤纸和上透水板，使上电极板和上透水板的预留孔对应；

c.传感器调试：先调节所有弹簧螺栓使上剪切盒内壳和下剪切盒内壳的内径扩大，然后转动上卷轴和下卷轴，使应变计从上剪切盒内壳和下剪切盒内壳的预留孔中伸出，并与试样侧面的接触，打开空压机和控制阀并调节液压杆，使平衡板上的应变计穿过上透水板和上电极板的预留孔，并使应变计与试样的上顶面接触，最后打开控制器中的数据采集装置，记录所有应变计、温度传感器和电阻率的初始读数；

d.试样碳化养护与物理参数测试：安装密封箱，关闭排水阀和排气阀、打开恒热器并调节调压阀至预定压力，进行通气碳化，完成指定通气时间后，关闭调压阀、打开排水阀和排气阀，进行标准养护；通气碳化和养护过程中通过应变计、温度传感器、下电极板和上电极板进行变形、温度和电阻率的实时监测；

e.直剪试验准备：试样碳化与养护完成后，手动调节推进杆使推进杆与下剪切盒外壳接触，使上剪切盒外壳与传力杆接触；旋动上卷轴，使应变计收缩至上剪切盒内壳和下剪切盒内壳的后面，并使上卷轴和下卷轴分离，调节并旋出所有弹簧螺栓使上剪切盒内壳和下剪切盒内壳的前面与碳化试样的表面紧密接触；调节控制阀并旋转液压杆使应变计从预留孔中收缩至平衡板中，先调节液压杆使上透水板与上电极板上的滤纸紧密接触，再调节液压缸和液压杆使压力传感器稳定至预定压力值，记录位移传感器和应力传感器的初始读数；

f.直剪试验：启动推进装置中的电动机，调节调速器使下剪切盒和上剪切盒发生剪切移动，剪切过程中记录位移传感器、应力传感器和电阻率值，计算碳化试样的剪切参数。

优选地，所述环刀的内径尺寸与上剪切盒内壳和下剪切盒内壳的最小内径尺寸相同。

作为一种优选方式，所述弹簧螺栓、上卷轴和下卷轴的调整均通过控制器实现。

作为另一种优选方式，所述密封箱为尺寸大于剪切盒尺寸的无底盖空心柱体。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)该方法实现了氧化镁固化土试样的温度和电阻率同步测试，便于对固化试样碳化进程的预测和评定；

2)应变计可以通过液压杆和卷轴进行调节，实现应变计在平衡板和剪切盒内空腔中的保护和自由工作测试，并准确测试无约束条件下试样在碳化过程中的体积膨胀；

3)通过剪切盒的双层壳体内的弹簧螺栓和柔性连接片的协同作用，实现了剪切盒内壳内径的自由变化，更好地满足试样剪切强度的测试；

4)碳化后试样不必移动可进行剪切试验，避免了碳化试样取样装样过程中的试样破损和应力释放，减小了外界环境对物理力学参数的影响，测试结果对碳化固化技术应用和碳化土地基设计具有重要意义

5)所有传感器、卷轴、弹簧螺栓均与集合控制器相连接，操作简便，减少了试验操作时间；

6)在通气管上特设恒热器，在下剪切盒底部设排水管，避免了低温压缩气体使气管冷凝和剪切盒底部的水汽积聚；

7)该方法实现了环保型氧化镁对土体的加固和二氧化碳气体的再利用，应用目的具有低碳环保和可持续发展的优点。

附图说明

图1为氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试装置的结构示意图；

图2为上、下剪切盒的剖面图；

图3为上剪切盒平面图；

图4为平衡板平面图；

图5为上透水石平面图；

图6为上电极板平面图；

图中：1、操作台，2、固定座，3、滑槽，4、滚珠，5、下剪切盒，6、下透水板，7、下电极板，8、温度传感器，9、试样，10、通气管，11、恒热器，12、调压阀，13、高压气罐，14、排水管，15、排水阀，16、支撑柱，17、密封箱，18、排气阀，19、横梁，20、上剪切盒，21、上电极板，22、上透水板，23、平衡板，24、液压杆，25、液压缸，26、推进装置，27、调速器，28、电动机，29、位移传感器，30、推进杆，31、传力杆，32、应力传感器，33、控制器，34、压力传感器，35、应变计，36、上卷轴，37、控制阀，38、空压机，39、连接片，40、弹簧螺栓，41、上剪切盒外壳，42、上剪切盒内壳，43、下卷轴，44、下剪切盒外壳，45、下剪切盒内壳，46、预留孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

实施例1

一种氧化镁固化土碳化过程膨胀性及碳化土抗剪强度测试方法，包括以下步骤：

a.装置组装与连接：在下剪切盒5中依次放置下透水板6、滤纸、下电极板7和温度传感器8，在下剪切盒5上放置上剪切盒20，调节剪切盒内的所有弹簧螺栓40使上剪切盒内壳42的两瓣和下剪切盒内壳45的两瓣紧闭，在上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的内壁上涂抹凡士林，调节上卷轴36和下卷轴43并对接为一体，使下剪切盒5和上剪切盒20稳定为一整体；

b.试样制备：用环刀制取不同压实度下的氧化镁混合土试样9，用脱模器将试样从环刀中压出至剪切盒内，使试样底部与温度传感器和下电极板7紧密接触，然后在试样9顶部依次放置上电极板21、温度传感器8、滤纸和上透水板22，使上电极板21和上透水板22的预留孔46对应；

c.传感器调试：先调节所有弹簧螺栓40使上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的内径扩大，然后转动上卷轴36和下卷轴43，使应变计35从上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的预留孔46中伸出，并与试样9侧面的接触，打开空压机38和控制阀37并调节液压杆24，使平衡板23上的应变计35穿过上透水板22和上电极板21的预留孔46，并使应变计35与试样9的上顶面接触，最后打开控制器33中的数据采集装置，记录所有应变计35、温度传感器8和电阻率的初始读数；

d.试样碳化养护与物理参数测试：安装密封箱17，关闭排水阀15和排气阀18、打开恒热器11并调节调压阀12至预定压力，进行通气碳化，完成指定通气时间后，关闭调压阀12、打开排水阀15和排气阀18，进行标准养护；通气碳化和养护过程中通过应变计35、温度传感器8、下电极板7和上电极板21进行变形、温度和电阻率的实时监测；

e.直剪试验准备：试样碳化与养护完成后，手动调节推进杆30使推进杆30与下剪切盒外壳44接触，使上剪切盒外壳41与传力杆31接触；旋动上卷轴36，使应变计35收缩至上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的后面，并使上卷轴36和下卷轴43分离，调节并旋出所有弹簧螺栓40使上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的前面与碳化试样9的表面紧密接触；调节控制阀37并旋转液压杆24使应变计35从预留孔46中收缩至平衡板23中，先调节液压杆24使上透水板22与上电极板21上的滤纸紧密接触，再调节液压缸25和液压杆24使压力传感器34稳定至预定压力值，记录位移传感器29和应力传感器32的初始读数；

f.直剪试验：启动推进装置26中的电动机28，调节调速器27使下剪切盒5和上剪切盒20发生剪切移动，剪切过程中记录位移传感器29、应力传感器32和电阻率值，计算碳化试样9的剪切参数。

优选地，所述环刀的内径尺寸与上剪切盒内壳42和下剪切盒内壳45的最小内径尺寸相同。

作为一种优选方式，所述弹簧螺栓40、上卷轴36和下卷轴43的调整均通过控制器37实现。

作为另一种优选方式，所述密封箱17为尺寸大于剪切盒尺寸的无底盖空心柱体。

本方法步骤操作简单，整体流程连贯高效，实时监测氧化镁固化土试样在碳化过程中温度和电阻率变化以及试样不同位置处的体积膨胀，可较准确地评价材料在不同条件下的碳化进程和膨胀特性；碳化养护后，可直接对碳化试样进行加载，实现其全自动直剪试验和电阻率测试。该方法避免试样在装样过程中的扰动，参数测试较为准确，对碳化固化土材料的工程应用和评价具有重要意义。

实施例2

在上述实施例1的基础上，通过具体参数对一些关键点进行说明。采用环刀制作最优含水率下、压实度为92％、直径6.18cm、高度2.0cm的圆柱试样9，在下剪切盒5内部依次放置下透水板6、滤纸和下电极板7，然后将环刀试样压入到剪切盒中，然后在试样上部依次放置上电极板21、滤纸和上透水板22。接着通过控制器33来自动调节上卷轴36、下卷轴43以及平衡板23，使应变计35整体旋转并对应至上剪切盒内壳42、下剪切盒内壳45和上透水板22的预留孔46。由于试样高度较小，可以在上剪切盒内壳42、下剪切盒内壳45分别设置4个相同间隔的应变计35，在平衡板中也设置4个应变计35。

由于氧化镁固化土试样9的膨胀性受试验土膨胀性和压实度等因素的显著影响，如果所用土样为砂土，膨胀性较小，可以通过弹簧螺栓40同步调节上剪切盒内壳42、下剪切盒内壳45的位置，使上剪切盒内壳42、下剪切盒内壳45的位置距离试样9侧面的距离为0.5cm，平衡板23底部距上透水板22的距离为0.5cm。随着土体膨胀性和压实度的增加，上剪切盒内壳42、下剪切盒内壳45与试样间的距离以及平衡板23底部距上透水板22的距离可增加，如为淤泥黏土或膨胀性黄土时，其间距可增大至1.0cm。该过程设置的目的是：使氧化镁固化试样9能在通气碳化过程中自由膨胀，不受干扰。通气碳化过程中，通气气压的调设压力随试样密实度而增加，并且通气管10上的恒热器11温度随气压升高而调高，以免高气压下通气管10结霜。碳化养护后，缓慢调节弹簧螺栓使上剪切盒内壳42、下剪切盒内壳45与试样9侧面紧密接触，并固定弹簧螺栓40。然后调节液压杆24使压力传感器34为一恒定压力值，进行抗剪强度测试。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。