CN114414407B - 基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置及方法，该装置包括具有水准泡的底板以及设在所述底板上的模具、托盘、悬臂、落锤与导轨。通过采用该装置实施试验评价，利用落锤掉落过程中的能量转换，对试样进行击打，通过试样首次测量中下沉高度及直径的扩大和二次测量中高度的变化来评价其固结强度。本发明应用于基础工程废弃泥浆处理后固结效果评价技术领域，能够快速有效地评价废弃泥浆处理后的固结强度。通过烘干废弃泥浆并重新调配不同含水率试样的方式，可以筛选出各个固化配方所能达到较好的固化效果的临界含水率，便于优选固化材料的配方体系，为废弃泥浆固化后的后续处理和再利用提供有效的试验评价依据。

Description

基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置及方法
技术领域
本发明涉及基础工程废弃泥浆处理后固结效果评价技术领域，具体是一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置及方法。
背景技术
目前，随着经济的发展，我国的基础设施建设规模越来越大，施工过程中产生的污染物剧增。在桩基工程、基坑工程、地铁以及其他地下工程建设过程中，产生的废弃泥浆也越来越多。对废弃泥浆的处理大多采用沉淀除渣、脱水压滤的预处理方法，并用物理或化学加速其固化，对于固结后的废弃泥浆采用直接外运排放的方式或者作为路基填料，以实现资源化利用。
对固结后的废弃泥浆运输的过程中，如果其固结强度达不到外运的要求，运输过程中易溢出造成环境污染，且无法满足路基填料对于力学性能的要求，不利于废弃泥浆的资源化利用。因此，针对基础工程现场进行沉淀除渣等预处理后颗粒粒径≦0.5mm的废弃泥浆，需要在满足工程进度及经济效益的基础上，优选固化剂配方或者选择物理固化的方式，对固结后废弃泥浆的固结强度综合分析，准确评价其处理效果，为废弃泥浆的后续处理提供有效的依据。
国内外对废弃泥浆的处理方法以及固化配方的优选已经形成了完备的体系，但对废弃泥浆处置后固结强度的评价方法较少。废弃泥浆进行固化处置后的状态介于膏浆和混凝土标准试块之间，用于膏浆及混凝土的测试方法并不适用于废弃泥浆处置后固结强度的评价。本发明针对上述困难，设计了一种废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置及基于该装置的评价方法，能行之有效的评价固结体的固结强度，对固化方法、配方的优选及废弃泥浆资源化再利用有深远的意义。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，为了能客观评价废弃泥浆处置后的固结强度，完成对固化方法、配方的优选及废弃泥浆资源化再利用，本发明提供一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置及方法，该装置及方法利用落锤掉落过程中的能量转换，对试样进行击打，通过试样首次测量中下沉高度及直径的扩大和二次测量中高度的变化来评价其固结强度。
为实现上述目的，本发明提供一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置，包括具有水准泡的底板以及设在所述底板上的：
模具，为空心圆柱结构，用于试样的成型；
托盘，可拆卸地设在底板上，所述模具位于所述托盘内；
悬臂，通过立架支撑设在所述底板上，且位于所述模具的上方；
落锤，通过释放机构可拆卸地吊设在所述悬臂上，且位于所述模具的正上方；
导轨，数量为两个，平行连接在所述悬臂上且竖直向下延伸，所述落锤位于两个所述导轨之间，用于控制所述落锤的下落轨迹。
进一步具体地，所述释放机构包括升降轮组、吊绳、电磁铁与电磁释放开关；
所述升降轮组固定设在所述悬臂上，所述吊绳的一端与所述升降轮组相连，另一端竖直下垂，所述电磁铁固定设在所述吊绳的下垂端且位于所述模具的正上方；
所述落锤吸附连接在所述电磁铁上，所述电磁释放开关与所述电磁铁电连接，以控制所述落锤的下落。
进一步具体地，所述立架上设有竖向的刻度尺，以确定每次试验落锤下落的高度。
为实现上述目的，本发明还提供一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，采用上述试验评价装置，所述试验评价方法包括如下步骤：
S1、废弃泥浆烘干：取基础工程现场废弃泥浆，在100℃-120℃下烘干24-48小时，同时测量其天然含水率ω0；
S2、试样预处理：将烘干后的废弃泥浆破碎研磨，按比例与水充分混合，调配成接近废弃泥浆天然含水率的若干组；
S3、试样固化：对S2中预处理后的试样采用化学或物理方法进行固化；
S4、试样成型：将固化处理时间达到3-6小时的废弃泥浆，装入中空的圆柱体模具中，制成圆柱体试样；
S5、首次测量：在平整的托盘上将S4中制得的试样脱模，使其自然塌落至不再发生明显形变，用游标卡尺测量其直径φ和高度H1；
S6、二次测量：累计固化时长达到20-24小时以后，将托盘装入试验装置底座，使用500-1000g的落锤从6-12cm的高度自由落下，击打在S5中的试样上，测量试样最低点的高度H2；
S7、评价分析：通过对直径和高度的比较，来评价固化配方的固化效果，直径φ越小，高度H1、H2越大，说明固化效果越好。
在步骤S1中，废弃泥浆取自工程现场废弃泥浆池，以使得更具代表性，也确保了对固化效果进行评价的可靠性和真实性。
在步骤S2中，烘干后的废弃泥浆破碎研磨后泥浆颗粒粒径小于或等于0.5mm，便于充分与水混合，还原废弃泥浆的各项性质。
在步骤S2中，将废弃泥浆调配成接近废弃泥浆天然含水率的若干组时：
在0.5ω0-1.2ω0区间内设计3个梯度，以10%-30%作为梯度间隔；
在1.2ω0-3.2ω0区间内设计3个梯度，以50%-100%作为梯度间隔；
在3.2ω0-7.2ω0区间内设计2个梯度，以150%-200%作为梯度间隔。
步骤S4中，先在模具内壁涂上脱模剂，再将固化泥浆装入中空的圆柱体模具，以便于脱模；其中，需将模具内的固化泥浆捣实，多余的部分用土工刀削去，将模具内的试样两端整平。
在步骤S5中，保持托盘平整，并将试样置于托盘中央，确保试样仅在自身重力的作用下均匀塌落。
在骤S6中，采用重量500-1000g落锤从6-12cm的高度落下击打试样，忽略能量的损失，通过重力势能-动能转换，其实质为能量转换的过程为：m·g·h=1/2m·v2；测量的高度H2为试样被击打后的最低点高度，其最小值为0。
本发明提供的一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置及方法，具有如下有益技术效果：
1、本发明试验条件及试验操作方法简易，试验装置轻便，容易快捷实施。试验结果定量分析指标直观，容易理解，较少产生误差，试验结果精准度高，重现性好；
2、本发明可有效快速地对固化方法、配方进行优选，适用范围大，不仅限于本发明中使用的固化剂。且可快速筛选出各个配方所能达到最好固结效果的界限含水率，对于不同含水率范围的废弃泥浆，针对性地选用经济、有效的固化配方；
3、本发明从能量转换的角度对固化处置后的废弃泥浆进行评价，可更加有效、直观的评价泥浆的固化效果，测量指标多元，确保了评价结果的可靠性。为固化泥浆的后续处理，包括外运、作为基础填料等，提供了可靠的依据，有利于资源的循环利用，达到节能减排的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中试验评价装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中模具的尺寸设计图；
图3为本发明实施例中落锤的尺寸设计图；
图4为本发明实施例中试验评价方法的流程图。
附图标号：底板1、导轨2、模具3、托盘4、悬臂5、落锤6、卡扣7、立架8、刻度尺9、升降轮组10、吊绳11、电磁铁12与电磁释放开关13。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示为本实施例公开的一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置，包括底板1以及设在底板1上的导轨2、模具3、托盘4、悬臂5与落锤6。
底板1为试验装置的底座，底板1上设置有金属的水准泡，水准泡用于确保试验装置保持水平，以实现落锤6沿竖直方向下落。
托盘4通过卡扣7可拆卸地设置在底板1上。托盘4材质为Q235普通碳素结构钢，尺寸为120×120mm的正方形托盘4。在具体实施过程中，也可在底板1上同时设置多个托盘4，进而可同时开展多次试验。
参考图2，模具3为圆柱体，内部中空且上部无盖板，材质为碳钢，其主要测量面的硬度不低于58HRC，用于试样的成型。本实施例中，模具3的外径为40mm，内径为37.9mm，壁厚2.1mm高度为82.8mm。
悬臂5通过立架8支撑设在底板1上，且悬臂5位于托盘4的上方。落锤6通过释放机构可拆卸地吊设在悬臂5上，且落锤6位于模具3的正上方。导轨2的数量为两个，两个导轨2平行连接在悬臂5上且竖直向下延伸，落锤6位于两个所述导轨2之间，以用于控制所述落锤6的下落轨迹。本实施例中，落锤6的材质为铸铁，参考图3，落锤6的形状为两个圆台组合而成的简单组合体，顶部圆直径为30mm，中间圆直径为50mm，底部圆直径为40mm，高度为35mm，质量为500g。
作为优选地实施方式，立架8上设有竖向的金属材质刻度尺9，以确定每次试验落锤6下落的高度，例如确保落锤6每次都以10cm的高度下落。
在具体实施过程中，释放机构包括升降轮组10、吊绳11、电磁铁12与电磁释放开关13。升降轮组10固定设在悬臂5上，吊绳11的一端与升降轮组10相连，另一端竖直下垂，电磁铁12固定设在吊绳11的下垂端且位于模具3的正上方；落锤6吸附连接在电磁铁12上，电磁铁12开关与电磁铁12电连接，以控制落锤6的下落。升降轮组10可通过电机驱动，电磁释放开关13功率为5W，通过电磁铁12吸附落锤6，顶部则通过电机驱动升降轮组10来提升落锤6的高度。
参考图4，本实施例还公开了一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，该方法采用上述试验评价装置，具体包括如下步骤：
S1、废弃泥浆烘干：取基础工程现场废弃泥浆，在100~120℃下烘干24~48小时，同时测量其天然含水率ω0，其中，在100~120℃下烘干24~48小时优选为：在105℃下烘干24小时；
S2、试样预处理：将烘干后的废弃泥浆破碎研磨，按比例与水充分混合，调配成接近废弃泥浆天然含水率的若干组；
S3、试样固化：对S2中预处理后的试样采用化学或物理方法进行固化；
S4、试样成型：将固化处理时间达到3~6小时的废弃泥浆，装入中空的圆柱体模具3中，制成圆柱体试样，其中，将固化处理时间达到3~6小时的废弃泥浆优选为：将固化处理时间达到5小时的废弃泥浆；
S5、首次测量：在平整的托盘上将S4中制得的试样脱模，使其自然塌落至不再发生明显形变，用游标卡尺测量其直径φ和高度H1；
S6、二次测量：累计固化时长达到20~24小时以后，将托盘4装入试验装置底座，使用500~1000g的落锤6从6~12cm的高度自由落下，击打在S5中的试样上，测量试样最低点的高度H2，其中，累计固化时长达到20~24小时以后优选为：累计固化时长达到21小时以后；使用500~1000g的落锤6从6~12cm的高度自由落下优选为：使用500g的落锤6从10cm的高度自由落下；
S7、评价分析：通过对直径和高度的比较，来评价固化配方的固化效果，直径φ越小，高度H1、H2越大，说明固化效果越好。
在步骤S1中，废弃泥浆取自工程现场废弃泥浆池，以使得更具代表性，也确保了对固化效果进行评价的可靠性和真实性。对于不同基础工程现场的废弃泥浆，针对性地选择不同的固化剂配比，再用所述方法对固化处置后的废弃泥浆进行评价，优选固化材料的配方体系。
在步骤S2中，烘干后的废弃泥浆破碎研磨后泥浆颗粒粒径小于或等于0.5mm，以便充分溶解于水，还原废弃泥浆的各项性质。对于废弃泥浆含水率梯度的调配，在0.5ω0-1.2ω0区间内设计3个梯度，以10%-30%作为梯度间隔；在1.2ω0-3.2ω0区间内设计3个梯度，以50%-100%作为梯度间隔；在3.2ω0-7.2ω0区间内设计2个梯度，以150%-200%作为梯度间隔。
在步骤S4中，先在模具3内壁涂上脱模剂，再将固化泥浆装入中空的圆柱体模具3，以便于脱模。其中，还需将模具3内的固化泥浆捣实，多余的部分用土工刀削去，将模具3内的试样两端整平。
在步骤S5中，托盘4为120×120mm的正方形托盘4，保持托盘4水平且平整，并将试样置于托盘4中央，确保试样仅在自身重力的作用下均匀塌落。测量的直径φ为试样塌落后的最大直径，最小值φ0为圆柱体模具3内径；高度H1为试样最高点高度，其最大值H0为圆柱体模具3高度。
在骤S6中，落锤6形状的设计可以较大限度的减小其与导轨2的接触面积，同时尽量使导轨2与落锤6的接触面光滑。落锤6落下的过程实质为能量转换的过程，若忽略能量的损失，通过重力势能-动能转换公式m·g·h=1/2m·v2，计算可得500g落锤6从10cm高度落下，击打在试样上的速度为1.4m/s。鉴于固化泥浆的状态介于膏浆和混凝土标准试块之间，选用500g落锤6从10cm高度落下是较为适用的，其能测量的范围较大，对于含水率在50%至700%的之间的废弃泥浆试样均适用。测量的高度H2为试样被击打后的最低点高度，其最小值为0。
下面结合具体示例对本实施例中的试验评价方法作出进一步的说明。
取基础工程现场废弃泥浆，在105℃下烘干24小时，同时测得其平均天然含水率为98%，再将烘干后的废弃泥浆与水充分混合、搅拌，得到含水率为50%、80%、100%、150%、200%、300%、500%、700%等八个梯度的废弃泥浆样品。
采用化学固化的方法，将不同固化剂类别及不同配比的固化配方按比例添加到各个梯度的废弃泥浆中，搅拌均匀，等待其固化。固化累计时间达到5小时，执行步骤S4制备圆柱体试样，并进行S5首次测量，测得试样的直径φ和高度H1，固化累计时间达到21小时时，执行步骤S6二次测量，得到试样最低点的高度H2。
需要注意的是，本示例中其他试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；本示例中试样的制备方法如无特殊说明，均为发明内容中的方法；本示例中所用的试验材料如无特殊说明，均为市场购买得到。
示例一
1.固化剂配方
在300ml不同含水率废弃泥浆样品中各加入5%水泥+5%石膏+10%硅粉。
2.试验结果：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
3.试验结果分析
随着含水率的增大，试样塌落的直径φ整体呈现增大趋势，高度H1、H2整体呈下降趋势，且在含水率达到300%时，H2的数值大小骤降，说明示例一的固化剂配方的临界含水率在200%-300%，超过该临界含水率时，应当先对废弃泥浆进行絮凝、除水以后，再用该配方进行固化。
示例二
1.固化剂配方
在300ml不同含水率废弃泥浆样品中各加入5%水泥+5%石膏+5%硅粉。
2.试验结果：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
3.试验结果分析
随着含水率的增大，试样塌落的直径φ整体呈现增大趋势，高度H1、H2整体呈下降趋势，且在含水率达到300%时，H2的数值大小骤降，说明示例二的固化剂配方的临界含水率在200%-300%，超过该临界含水率时，应当先对废弃泥浆进行絮凝、除水以后，再用该配方进行固化。相较于示例一，在含水率相同时示例二中的直径φ更大，而高度H1、H2更小，且三项数据的变化都更加急剧，说明在界限含水率以下时，增大硅粉的用量可以有效加强固结效果。
示例三
1.固化剂配方
在300ml不同含水率废弃泥浆样品中各加入5%水泥+5%石膏+5%水玻璃。
2.试验结果：
Figure 200344DEST_PATH_IMAGE003
3.试验结果分析
随着含水率的增大，试样塌落的直径φ整体呈现增大趋势，高度H1、H2整体呈下降趋势，且在含水率达到500%时，H2的数值降为0，说明示例三的固化剂配方的临界含水率在500%-700%，超过该临界含水率时，应当先对废弃泥浆进行絮凝、除水以后，再用该配方进行固化。此外，在试验过程中发现，相较于示例一、示例二，示例三的固化剂配方能较快的达到固结效果，说明水玻璃在前期吸水较快，但固结较长时间以后（超过21小时），硅粉的效果更佳。
从上述最优选的示例及对示例得到的试验数据的分析，充分证实本实施例的提出的一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置及方法，可以有效地评价废弃泥浆固化处置后的固结强度，进而对固化剂配方进行优选，为废弃泥浆的后续处理提供坚实的试验依据。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，其特征在于，采用基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价装置，装置包括具有水准泡的底板以及设在所述底板上的：
模具，为空心圆柱结构，用于试样的成型；
托盘，可拆卸地设在底板上，所述模具位于所述托盘内；
悬臂，通过立架支撑设在所述底板上，且位于所述模具的上方；
落锤，通过释放机构可拆卸地吊设在所述悬臂上，且位于所述模具的正上方，所述落锤的形状为两个圆台组合而成；
导轨，数量为两个，平行连接在所述悬臂上且竖直向下延伸，所述落锤位于两个所述导轨之间，用于控制所述落锤的下落轨迹；
方法包括如下步骤：
S1、废弃泥浆烘干：取基础工程现场废弃泥浆，在100℃-120℃下烘干24-48小时，同时测量其天然含水率ω0；
S2、试样预处理：将烘干后的废弃泥浆破碎研磨，按比例与水充分混合，调配成接近废弃泥浆天然含水率的若干组；
S3、试样固化：对S2中预处理后的试样采用化学或物理方法进行固化；
S4、试样成型：将固化处理时间达到3-6小时的废弃泥浆，装入中空的圆柱体模具中，制成圆柱体试样；
S5、首次测量：在平整的托盘上将S4中制得的试样脱模，使其自然塌落至不再发生明显形变，用游标卡尺测量其直径φ和高度H1；
S6、二次测量：累计固化时长达到20-24小时以后，将托盘装入试验装置底座，使用500-1000g的落锤从6-12cm的高度自由落下，击打在S5中的试样上，测量试样最低点的高度H2；
S7、评价分析：通过对直径和高度的比较，来评价固化配方的固化效果，直径φ越小，高度H1、H2越大，说明固化效果越好。
2.根据权利要求1所述基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，其特征在于，所述释放机构包括升降轮组、吊绳、电磁铁与电磁释放开关；
所述升降轮组固定设在所述悬臂上，所述吊绳的一端与所述升降轮组相连，另一端竖直下垂，所述电磁铁固定设在所述吊绳的下垂端且位于所述模具的正上方；
所述落锤吸附连接在所述电磁铁上，所述电磁释放开关与所述电磁铁电连接，以控制所述落锤的下落。
3.根据权利要求1或2所述基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，其特征在于，所述立架上设有竖向的刻度尺，以确定每次试验落锤下落的高度。
4.根据权利要求1所述基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，其特征在于，步骤S1中，废弃泥浆取自工程现场废弃泥浆池。
5.根据权利要求1所述基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，其特征在于，步骤S2中，烘干后的废弃泥浆破碎研磨后泥浆颗粒粒径小于或等于0.5mm，便于充分与水混合，还原废弃泥浆的各项性质。
6.根据权利要求1所述基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，其特征在于，步骤S2中，将废弃泥浆调配成接近废弃泥浆天然含水率的若干组时：
在0.5ω0-1.2ω0区间内设计3个梯度，以10%-30%作为梯度间隔；
在1.2ω0-3.2ω0区间内设计3个梯度，以50%-100%作为梯度间隔；
在3.2ω0-7.2ω0区间内设计2个梯度，以150%-200%作为梯度间隔。
7.根据权利要求1所述基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，其特征在于，步骤S4中，先在模具内壁涂上脱模剂，再将固化泥浆装入中空的圆柱体模具，以便于脱模；其中，需将模具内的固化泥浆捣实，多余的部分用土工刀削去，将模具内的试样两端整平。
8.根据权利要求1所述基础工程废弃泥浆处置后固结强度的试验评价方法，其特征在于，步骤S5中，保持托盘平整，并将试样置于托盘中央，确保试样仅在自身重力的作用下均匀塌落。
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