吹填土生態(tài)膠凝材料制備及力學(xué)性能的研究

□文/曲 烈 李 劍 張 娜 孫樹棟 楊久俊 曹夢婷

吹填土生態(tài)膠凝材料制備及力學(xué)性能的研究

□文/曲 烈 李 劍 張 娜 孫樹棟 楊久俊 曹夢婷

研究了無機(jī)固化劑摻量對吹填土生態(tài)膠凝材料力學(xué)性能的影響及固化機(jī)理。通過對天津?yàn)I海新區(qū)吹填土中摻入50%自配不同無機(jī)固化劑，測定試件抗壓強(qiáng)度并采用超景深電鏡、X RD對吹填土生態(tài)膠凝材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，摻水泥和膨脹劑復(fù)合固化劑的吹填土生態(tài)膠凝材料力學(xué)性能明顯優(yōu)于未摻試件，微觀結(jié)構(gòu)分析說明其中產(chǎn)生大量的C-S-H凝膠和A Ft并且隨著固化劑摻量增加，該水泥力學(xué)性能明顯提高。當(dāng)水泥和膨脹劑摻量為50%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到了35.8 M Pa，說明該膠凝材料是一種新型生態(tài)水泥。

吹填土；生態(tài)膠凝材料；制備；固化作用；強(qiáng)度；力學(xué)性能

為保持生態(tài)環(huán)境，人類很早就學(xué)會(huì)了將生土材料應(yīng)用于建筑。以生土為原料，經(jīng)過處理制成建筑材料，使用后的材料經(jīng)過粉碎后可撒入土中，進(jìn)入當(dāng)?shù)氐难h(huán)系統(tǒng)，減少資源及環(huán)境負(fù)荷，這種材料是其他材料無法取代的。另一方面隨著天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)發(fā)展，土地資源日趨緊張，而新區(qū)建設(shè)又需要大量的建筑材料，濱海新區(qū)沉積淤泥即吹填土和難種植植被的鹽漬土則可能成為被利用的建筑材料，因而吹填土改性研究是天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)中必須解決的實(shí)際技術(shù)課題[1～3]。

吹填土類似鹽漬土，在其被吹填過程中，泥砂的組織結(jié)構(gòu)受到破壞并以細(xì)小顆粒的形式緩慢沉積而成，具有塑性指數(shù)大、孔隙比大、高壓縮性、滲透性小的特點(diǎn)；這些材料本身缺陷將影響吹填土作為生土建筑材料的利用，因而對吹填土建筑材料的激發(fā)改性是必不可少的。吹填土激發(fā)改性是指通過一定的工藝，向生土中加入激發(fā)材料，利用生土材料內(nèi)部發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)讓土粒膠結(jié)，從而改變生土材料的原有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，達(dá)到增強(qiáng)其物理力學(xué)性能的目的。國內(nèi)外學(xué)者正在研究對其進(jìn)行無機(jī)改性、有機(jī)改性，但是這些研究目的大多都是將改性后的生土材料用于道路或路基等[4～6]，故得到的試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度均較低，其改性材料不適合作為生態(tài)膠凝材料來使用。本文旨在研究以生土為主的復(fù)合膠凝材料結(jié)構(gòu)與性能。通過對天津?yàn)I海吹填土中加入不同摻量固化劑，測試其改性土體前后材料抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)，研究固化劑摻量對復(fù)合膠凝材料性能改善程度，使之能夠達(dá)到或接近普通水泥的力學(xué)性能，為其在城市和鄉(xiāng)村建設(shè)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 原料與儀器

所用吹填土取自天津?yàn)I海新區(qū)臨港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)臨海公路旁。吹填土經(jīng)球磨機(jī)粉磨30 min后，平均粒徑為9.26 μm。利用熒光分析吹填土的化學(xué)組成，得知吹填土中氧化物成分主要是種氧化物總含量達(dá)到70%以上，SiO2含量為48.67%。通過超景深電鏡照片發(fā)現(xiàn)，吹填土大部分由大小不一的結(jié)晶顆粒組成，其中主要是無色結(jié)晶微粒；經(jīng)XRD圖譜分析，主要含有石英、鈉鉀長石等。所用的42.5號普通硅酸鹽水泥為天津振興水泥廠生產(chǎn)的，所用的萘系減水劑系天津飛龍混凝土減水劑廠生產(chǎn)的，所用的UEA低堿砼膨脹劑是天津豹鳴建筑材料廠生產(chǎn)的。

試驗(yàn)儀器和設(shè)備：水泥凈漿攪拌機(jī)、試驗(yàn)用球磨機(jī)、燒杯（500 mL）、電子稱(精確至 0.1 g)、量筒（250 mL和10 mL）、玻璃棒、水泥凈漿成型養(yǎng)護(hù)模具、振實(shí)臺(tái)、JYE-300A型全自動(dòng)恒壓力機(jī)、DKZ-5000型水泥抗折試驗(yàn)機(jī)、水泥快速養(yǎng)護(hù)箱、40 mm×40 mm×160 mm鋼模、水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。強(qiáng)度測試參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行。

1.2 材料配方設(shè)計(jì)和制備

1）材料配方設(shè)計(jì)。單摻水泥生態(tài)膠凝材料組水泥摻量分別為 30%、35%、40%、45%、50%，水灰比為 0.25；復(fù)摻水泥和膨脹劑生態(tài)膠凝材料組水泥摻量為38%、40%、42%，膨脹劑為 12%、10%、8%，水灰比為 0.2 和 0.25，1%減水劑。材料制備按GB/T 17671—1999進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)制度為靜停-干熱養(yǎng)護(hù)，室溫靜停1 d脫模后，80℃養(yǎng)護(hù)1 d至試驗(yàn)日期。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水泥和膨脹劑對吹填土生態(tài)膠凝材料抗壓強(qiáng)度的影響

水泥摻量由0增加到30%時(shí)，試樣強(qiáng)度稍有提高，但是幅度并不是很大；但摻量為30%～35%試樣強(qiáng)度明顯提高增加了近1倍；之后當(dāng)水泥摻量在40%～45%間試樣強(qiáng)度達(dá)到20 MPa；當(dāng)水泥摻量為50%時(shí)，試樣強(qiáng)度達(dá)到25.2 MPa，見圖1。隨著水泥摻量的增加，試樣強(qiáng)度大幅度增加，其原因主要是土體通過化學(xué)改性，內(nèi)部的水泥發(fā)生水化反應(yīng)，即水泥顆粒、吹填土和水相遇后，水泥礦物與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣及鈣礬石將土體粘結(jié)在一起而使得強(qiáng)度提高。

另外，當(dāng)水灰比為0.25時(shí)，膨脹劑摻量為8%試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到32 MPa；當(dāng)摻量＞10%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢；當(dāng)膨脹劑摻量超過10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度又有所上升；而當(dāng)水灰比為0.20時(shí)，膨脹劑摻量從8%到10%，試塊抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢，在10%達(dá)到最大值35.8 MPa，但當(dāng)摻量繼續(xù)增加試塊抗壓強(qiáng)度又開始大幅下降；當(dāng)膨脹劑摻量為10%時(shí)，水灰比為0.20的試塊強(qiáng)度比水灰比為0.25的高很多，見圖2。

綜合考慮選取膨脹劑適宜摻量為8%～10%。摻膨脹劑提高強(qiáng)度的原因是增加了膨脹組分，即鈣礬石溶解度小且易結(jié)晶析出，結(jié)晶后體積增加顯著，能充填于土壤顆粒中的毛細(xì)孔、顆粒間隙孔中，使土的孔隙體積減小；當(dāng)水灰比為0.20時(shí)，水泥-土體內(nèi)部的密實(shí)性較高故而強(qiáng)度進(jìn)一步增加。

2.2 水灰比和減水劑對吹填土生態(tài)膠凝材料抗壓強(qiáng)度的影響

水灰比在0.21時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到35.2 MPa，但是水灰比為0.22時(shí)，強(qiáng)度卻下降很大，之后水灰比從0.22增加到0.24時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度又有大幅上升的趨勢，再到水灰比為0.25時(shí)，強(qiáng)度又開始略微下降，見圖3。

水灰比越大，成型時(shí)流動(dòng)性越好，但試樣抗壓強(qiáng)度減少。水灰比為0.22時(shí)，試塊強(qiáng)度下降的原因可能是由于振動(dòng)成型中出現(xiàn)的誤差。綜合考慮選擇水灰比為0.25。

摻加減水劑，可提高吹填土生態(tài)膠凝材料的分散、流動(dòng)性能，使得水泥和土壤粒子保持分散狀態(tài)。當(dāng)減水劑摻量從1.0%增加到1.6%，試塊抗壓強(qiáng)度隨之增加，見圖4。

圖4 減水劑對吹填土生態(tài)膠凝材料抗壓強(qiáng)度的影響

綜合考慮減水劑的最佳摻量選為1.0%～1.5%。

2.3 砂灰比對吹填土改性砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)砂灰比為0.5時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度為23.1 MPa，但隨著砂灰比增加到0.8時(shí)強(qiáng)度略微下降，當(dāng)砂灰比繼續(xù)增加到1.0時(shí)強(qiáng)度下降更大，而當(dāng)砂灰比增加到1.5時(shí)試塊強(qiáng)度又開始大幅上升，見圖5。

綜合考慮最佳砂灰比選擇為1.5。砂子在土體中不僅起到填充的作用，而且起到限制體積變形的作用。具體地說，土壤的彈性模量小于砂子的彈性模量，受壓時(shí)砂子起到限制橫向變形和剛性骨架的作用，而水泥-土則起到膠結(jié)作用，將剛性骨架砂子連接在一起共同承力。因此設(shè)計(jì)土基改性材料配比時(shí)，應(yīng)充分考慮砂灰比對生土材料強(qiáng)度和彈性模量的影響。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)和固化機(jī)理分析

本研究采用的土壤固化機(jī)理主要為綜合固化作用，既有物理化學(xué)作用又有化學(xué)作用。物理化學(xué)作用主要表現(xiàn)為摻加減水劑的分散作用；化學(xué)作用主要表現(xiàn)為水泥和膨脹劑固化組分的水化反應(yīng)以及與土壤顆粒之間的反應(yīng)機(jī)理[7～9]。通過超景深電鏡對摻入固化劑的土樣顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試，見圖6和圖7。

可以看到，摻水泥的土體內(nèi)部還有大量的孔隙且土體顆粒間連接松散；摻入膨脹劑后，有針狀或管狀的鈣礬石填充在土的顆粒之間或附在顆粒表面，將土的顆粒結(jié)成整體使試件強(qiáng)度有了很大提高。

XRD分析結(jié)果表明，摻膨脹劑試樣中生土改性材料將形成更多CSH凝膠及AFt水化產(chǎn)物，說明試樣強(qiáng)度不僅決定于水化產(chǎn)物的多少，還決定其水化產(chǎn)物的種類；摻膨脹劑增加AFt，將有利于強(qiáng)度的提高。當(dāng)膨脹劑摻量為 8%、10%、12%時(shí)(1%減水劑，0.25 水灰比)，吹填土生態(tài)膠凝材料中水化后主要產(chǎn)物是C-S-H凝膠、鈣礬石和Ca(OH)2結(jié)晶，還有一定的碳酸鈣；隨著膨脹劑摻量增多，石英的衍射峰略微下降，鈣礬石衍射峰逐漸上升。在30°左右處存在非晶物質(zhì)為C-S-H凝膠，見圖7。

3 結(jié)論

1）吹填土生態(tài)膠凝材料的最佳配方為水灰比0.25，減水劑摻量 1.0%，膨脹劑摻量 10%，水泥摻量40%；試樣放置在80℃下干熱養(yǎng)護(hù)1 d，其最高抗壓強(qiáng)度可達(dá)35.8 MPa。

2）摻膨脹劑和水泥的吹填土生態(tài)膠凝材料試樣將生成C-S-H凝膠和AFt晶體，土體內(nèi)部顆粒間空隙減少，使得試塊密實(shí)；摻減水劑后，可減少水灰比并使得土體內(nèi)部顆粒分布更密實(shí)。

3）當(dāng)水灰比為0.25，灰砂比為0.5時(shí)，吹填土改性砂漿強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度達(dá)到26.6 MPa。

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□李 劍、張 娜、孫樹棟、楊久俊、曹夢婷/天津城市建設(shè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院。

TU521.3

C

108-3197（2012）06-22-03

國家自然科學(xué)基金(50772071、50972099)、天津市高等教育科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目(20110910)和天津城市建設(shè)學(xué)院2011年學(xué)生科研立項(xiàng)項(xiàng)目部分資助。

2012－09－23

曲 烈/男，1958年出生，副教授，天津城市建設(shè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，主要從事生態(tài)建筑材料研究。