自密實生土基墻體材料的試驗研究

劉志華，李園楓，楊久俊，陳兵

（1.天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津　300384；2.上海交通大學(xué) 土木系，上海　200240）

摘要：以原狀黃土為基料，選用高效固化劑混摻粉煤灰作為膠凝材料，制備自密實生土基墻體材料。研究了水固比、減水劑摻量對生土基改性材料流動度、抗壓強度和耐水性能的影響。結(jié)果表明：生土基改性材料拌合物流動度隨水固比及減水劑摻量的增大而增大；抗壓強度隨水固比的增大基本呈線性降低，隨減水劑摻量的增加有小幅提高；生土基改性材料吸水率低、軟化系數(shù)大于0.90，具有良好的耐水性能。以0.40為基準(zhǔn)水固比，16%高效固化劑+10%粉煤灰+1.5%減水劑制備的生土基改性材料28 d抗壓強度為3.2 MPa，軟化系數(shù)為0.94，具有自密實特性。

自密實生土基墻體材料的試驗研究

劉志華1，李園楓1，楊久俊1，陳兵2

（1.天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384；2.上海交通大學(xué) 土木系，上海200240）

摘要：以原狀黃土為基料，選用高效固化劑混摻粉煤灰作為膠凝材料，制備自密實生土基墻體材料。研究了水固比、減水劑摻量對生土基改性材料流動度、抗壓強度和耐水性能的影響。結(jié)果表明：生土基改性材料拌合物流動度隨水固比及減水劑摻量的增大而增大；抗壓強度隨水固比的增大基本呈線性降低，隨減水劑摻量的增加有小幅提高；生土基改性材料吸水率低、軟化系數(shù)大于0.90，具有良好的耐水性能。以0.40為基準(zhǔn)水固比，16%高效固化劑+10%粉煤灰+1.5%減水劑制備的生土基改性材料28 d抗壓強度為3.2 MPa，軟化系數(shù)為0.94，具有自密實特性。

生土基改性材料；自密實；抗壓強度；耐水性能

0　引言

作為最早使用的建筑材料之一，生土材料已有數(shù)千年的應(yīng)用歷史［1］。生土材料因其特有天然礦物成分及孔隙結(jié)構(gòu)，不僅取材方便、造價低廉，同時具有熱工性能優(yōu)良、隔聲效果好、可循環(huán)利用等優(yōu)點，是天然的、生態(tài)化的建筑材料，可為居住空間創(chuàng)造舒適環(huán)境［2］。當(dāng)前，我國中西部部分村鎮(zhèn)仍有大量建筑將生土作為墻體材料，如黃土高原的窯洞。但由于生土材料存在耐水性能差、抗雨水沖擊能力弱、強度較低等問題，生土基墻體材料的廣泛應(yīng)用受到限制［3］。因此，采用膠凝材料對生土材料進行改性，提高其力學(xué)性能及耐水性能，延長生土基墻體的使用年限，成為眾多研究者關(guān)注的重點［4-5］。

常用膠凝材料包括生石灰、硅酸鹽水泥等。生石灰摻入土壤可與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，使土壤中少量Al2O3、SiO2的活性得以激發(fā)，發(fā)生火山灰反應(yīng)生成膠凝產(chǎn)物，此技術(shù)廣泛應(yīng)用于早期的村鎮(zhèn)土坯房建設(shè)［6］。因生石灰與水反應(yīng)劇烈，不利于拌合物成形，近些年大多已被硅酸鹽水泥替代。隨著環(huán)境污染受到廣泛關(guān)注，高耗能的硅酸鹽水泥的大量使用受到一定程度的限制［7］。但低摻量水泥改性生土材料不能獲得較好的力學(xué)性能，因此，在制備生土基墻體砌塊時需進行擊實作業(yè)，不僅增加工藝難度，還往往造成因擊實不均勻造成的砌塊損毀。本研究擬采用一種高效黏土無機固化劑混摻粉煤灰改性生土材料，使拌合物具有自密實特性（漿體流動度≥25 cm），無需擊實便可獲得耐水性能較好、強度較高且均勻的生土基墻體砌塊。

1　試驗

1.1原材料

試驗用生土為黃土，取自黃土高原甘肅某地，取土深度為3 m。對試驗土樣的粒徑分析可知，該黃土100%過0.075 mm篩。根據(jù)土的分類方法，試驗用土屬于低液限粉土（ML），其含水率為7.62%，比重2.70，液限28.2%，塑限20.3%，塑性指數(shù)7.9%。土樣的主要化學(xué)成分見表1。

高效黏土無機固化劑：實驗室自制，主要組分為水泥與堿助劑和激發(fā)劑。水泥：海螺水泥廠生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要化學(xué)成分見表1。堿助劑：硅酸鈉溶液，模數(shù)為2.5；堿激發(fā)劑：氫氧化鈉，按一定比例配制；堿助劑和堿激發(fā)劑的1 mol/L水溶液的pH值為12～14。粉煤灰：F類，主要化學(xué)成分見表1。聚羧酸高效減水劑：固含量為40%，減水率為35%。

表1　黃土、水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分　%

1.2試樣制作與養(yǎng)護

參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》制備自密實生土基拌合物。試樣制備步驟具體為：

（1）將黃土與目標(biāo)摻入水量混合攪拌1～2 min，制得拌合均勻的土水混合物；

（2）摻入目標(biāo)摻量的水泥與粉煤灰，繼續(xù)攪拌2～3 min；

（3）逐次添加對應(yīng)摻量的堿助劑、堿激發(fā)劑與減水劑，攪拌2～3 min，得到均勻性良好的自密實生土基拌合物，高效固化劑摻量固定為16%（以干黃土質(zhì)量計），粉煤灰摻量為10%；

（4）將拌合物倒入模具后，為使其盡可能均勻，將成型試件放上振動臺振動60 s，隨后置入恒溫恒濕養(yǎng)護箱［（20±2）℃，相對濕度（98±2）%］，養(yǎng)護3 d后，脫模，將脫模后的試樣放入養(yǎng)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護至28 d，取出進行相關(guān)試驗。

1.3性能測試

參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測試方法》進行拌合物流動度測試。將拌合物注入截錐圓模內(nèi)，穩(wěn)定后，提起截錐圓模，測量拌合物在玻璃界面上自由流淌的最大直徑。

抗壓強度測試選用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試樣。在300 kN的液壓伺服試驗機上進行試樣的抗壓強度測試，加載速度為0.5 mm/min。每組取3個試樣進行平行試驗，其平均值即為該配方時試樣的無側(cè)限抗壓強度。

吸水率測試選用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試樣。先測試養(yǎng)護齡期為28 d試樣的質(zhì)量，再將其放入水中浸泡一定時間后測試試樣的質(zhì)量，隨后計算試樣的吸水率。

軟化系數(shù)K由試樣浸水1 d后的抗壓強度與未浸水試樣的抗壓強度計算而得。即同一配方成型2組試樣，第1組試樣在養(yǎng)護28 d后直接進行抗壓強度測試；第2組試樣在養(yǎng)護28 d后浸水1 d，然后再測試其抗壓強度，隨后計算軟化系數(shù)。

2　試驗結(jié)果與討論

2.1流動度

泥漿流動度受多因素影響，其中水固比［m（水）∶m（水泥+生土+粉煤灰）］和減水劑摻量對其影響顯著。圖1為水固比對生土基改性材料拌合物流動度的影響，其中減水劑摻量為1.0%（以干黃土質(zhì)量計，下同）。

圖1　水固比對生土基改性材料拌合物流動度的影響

由圖1可以看出，當(dāng)水固比小于0.40時，拌合物流動度低于15 cm，可看作不流動漿體（截錐圓模內(nèi)徑為10 cm）；當(dāng)水固比為0.45時，拌合物流動度相較0.40水固比時出現(xiàn)大幅增加，這說明此時拌合物中的水分足以使拌合物固態(tài)顆粒潤濕，開始呈現(xiàn)流動狀態(tài)；隨著水固比的繼續(xù)增大，拌合物的流動度隨之增大。值得注意的是，即使水固比高達0.60時，漿體的流動度也小于25 cm，這表明一定量減水劑是制備自密實生土基拌合物必不可少的組分之一。

為探究減水劑對黃土-固化材料拌合物流動度的影響，選擇水固比為0.40，測試了減水劑摻量對生土基改性材料拌合物的流動度的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，漿體流動度隨減水劑摻量的變化呈現(xiàn)出與水固比影響類似的規(guī)律，當(dāng)減水劑摻量低于1.0%時，拌合物流動度僅有小幅增加；當(dāng)減水劑摻量為1.5%時，拌合物流動度為23 cm，與不摻減水劑、水固比為0.6的拌合物流動度相當(dāng)，較摻1.0%減水劑的拌合物流動度提高了23%，表明減水劑大分子與固體顆粒之間的作用開始在拌合物中產(chǎn)生有效的分散及潤滑作用；當(dāng)減水劑摻量大于1.5%時，拌合物流動度持續(xù)增大。但對水固比為0.40的拌合物，較優(yōu)的減水劑摻量為1.5%～2.0%，不僅滿足自密實漿體的流動度要求，還可避免因過量使用減水劑而導(dǎo)致成本增加的問題。

圖2　減水劑摻量對生土基改性材料拌合物流動度的影響

2.2抗壓強度

測試了不同水固比下的生土基改性材料（減水劑摻量固定為1.5%）的28 d無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果如圖3所示。

圖3　水固比對生土基改性材料28 d抗壓強度的影響

由圖3可以看出，隨水固比的增大，抗壓強度顯著降低，水固比為0.30時的抗壓強度大于5.00 MPa，而水固比為0.45 和0.60的抗壓強度分別為2.25 MPa和0.50 MPa，表明水固比對試樣抗壓強度的影響十分顯著。本研究目的是為開發(fā)經(jīng)濟實用的自密實生土基墻體材料，需要綜合考慮流動度、抗壓強度二方面，水固比為0.60時，試樣拌合物摻入少量減水劑即可，但抗壓強度較低；而水固比為0.30時，雖具有較高的抗壓強度，卻需要摻入大量的減水劑，經(jīng)濟性降低。綜合評估，0.35～0.45為制備自密實生土基墻體材料的水固比備選區(qū)間。

工程應(yīng)用中，高流態(tài)的水泥砂漿僅需摻入0.2%～0.5%減水劑，因此，減水劑對硬化漿體的中長期抗壓強度影響較?。?］。而在制備自密實生土基墻體材料（水固比為0.35～0.45）時，減水劑摻量較大，可能對固化試樣的抗壓強度產(chǎn)生一定的影響?；诖?，測試了水固比為0.40時，減水劑摻量對生土基改性材料28 d無側(cè)限抗壓強度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4　減水劑摻量對生土基改性材料28 d無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖4可以看出，隨減水劑摻量增加，生土基改性材料的抗壓強度提高；當(dāng)減水劑摻量小于1.0%時，減水劑摻量對抗壓強度的影響并不顯著；但當(dāng)減水劑摻量大于1.0%時，抗壓強度有一定提高。摻入2.0%減水劑的生土基改性材料28 d無側(cè)限抗壓強度比不摻減水劑的提高11%。

2.3吸水率

在使用過程中，生土墻體材料不可避免地會受到雨水的浸泡，而傳統(tǒng)的生土材料耐水性很差，水浸泡后基本無強度［9］為確定生土基改性材料的耐水性，測試了不同水固比、減水劑摻量為1.5%的生土基改性材料養(yǎng)護28 d的吸水率，如圖5所示。

圖5　不同水固比時生土基改性材料養(yǎng)護28 d的吸水率

由圖5可以看出，各生土基改性材料養(yǎng)護28 d后浸水初期的吸水速率較快，1 h后吸水飽和，此后吸水率增長幅度有限；隨著水固比的增大，固化試樣最終吸水率呈先降低后增加的趨勢；吸水率最低的2組試樣的水固比分別為0.40和0.45吸水率最高的試樣水固比為0.30。影響試樣吸水率的主要因素是試樣內(nèi)部連通孔隙的數(shù)量，對生土基改性材料拌合物的固化試樣，其連通孔隙數(shù)量由水化膠凝產(chǎn)物收縮性及拌合物均勻度決定。水固比較高時（0.50～0.60），固化劑生成的水化膠凝產(chǎn)物收縮性提高，增加了生土基改性材料中的連通微孔隙，使試樣吸水率增大；由于摻加1.5%的減水劑可使水固比為0.40的拌合物獲得較佳的流動性，同等摻量減水劑不能使水固比為0.30或0.35的拌合物呈現(xiàn)流動狀態(tài)。因此，水固比低的生土基改性材料均勻性較差，連通孔隙較多，也導(dǎo)致了試樣的吸水率增加。

2.4軟化系數(shù)

軟化系數(shù)是評價無機墻體材料耐水性能的重要指標(biāo)之一［10］。測試了不同水固比對生土基改性材料養(yǎng)護28 d軟化系數(shù)的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，各生土基改性材料的軟化系數(shù)均大于0.90，這表明高效固化劑混摻粉煤灰的改性生土材料具有優(yōu)異的耐水性能，可滿足一般建筑工程需求。當(dāng)試樣水固比低于0.45時，軟化系數(shù)隨水固比增大而升高；水固比大于0.45時，軟化系數(shù)小幅降低，這一現(xiàn)象與試樣的吸水率規(guī)律類似。

圖6　不同水固比時生土基改性材料養(yǎng)護28 d的軟化系數(shù)

2.5SEM分析

選取未處理黃土，水固比分別為0.30、0.40及0.50并養(yǎng)護28 d后的生土基改性材料進行掃描電鏡（SEM）分析，微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　未處理黃土和不同水固比時生土基改性材料的SEM照片

對比圖7（a）與（b）可以看出，固化試樣的黃土顆粒表面有較多的針狀、蜂窩狀水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)生，這些水化產(chǎn)物或吸附在黃土顆粒表面或填充在顆?？紫吨衅鸬侥z結(jié)作用，可改善黃土的力學(xué)性能及耐水性能［11］。對比圖7（b）、（c）與（d）可以看出，3個試樣水化硅酸鈣凝膠產(chǎn)物的數(shù)量及形態(tài)并未發(fā)生明顯變化，但水固比0.30試樣中的水化產(chǎn)物在黃土顆粒孔隙間的填充更加緊密，從微觀層面上解釋了水固比對抗壓強度及耐水性能的影響機理。

3　結(jié)論

（1）水固比顯著影響生土基改性材料拌合物的流動度，但即使水固比高達0.60時，漿體的流動度也小于25 cm，說明減水劑是制備自密實生土基材料的必要組分；減水劑對某一水固比時的拌合物流動度的影響存在臨界摻量，當(dāng)減水劑摻量高于臨界摻量時，漿體流動度顯著增大。

（2）水固比決定生土基改性材料的抗壓強度，隨水固比降低，抗壓強度基本呈線性增長；減水劑摻量對固化試樣28 d抗壓強度的影響并不顯著，但當(dāng)減水劑摻量較大時，抗壓強度有小幅提高。

（3）生土基改性材料的吸水率較低，且不同水固比下的試樣軟化系數(shù)基本都大于0.90，表現(xiàn)出良好的耐水性能；水固比及減水劑摻量影響固化試樣中連通孔隙的數(shù)量，進而影響試樣的耐水性。

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Experimental study on self-compacting soil-based walls

LIU Zhihua，LI Yuanfeng，YANG Jiujun，CHEN Bing
（1.School of Material Science and Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；
2.Department of Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Undisturbed loess was used as filler to prepare self-compacting soil-based material in this study，and a type of high-efficiency clay stabilizer was used as cementing material.The influence of water-solid ratio，the superplasticizer content on the fluidity，unconfined compressive strength and water resistance of self-compacting soil-based material was explored.The experimental results indicate that the fluidity of the mixture of soil-stabilizer-fly ash increases with increasing of the water-solid ratio and the superplasticizer content.The compressive strength decreases linearly with increasing of the water-solid ratio，and increases slightly with the increasing of superplasticizer content.The water absorption of self-compacting soil-based material is low，and the softening coefficient is bigger than 0.90，which implies perfect water resistance.In this study，0.40 can be regarded as the fiducial watersolid ratio，for the soil-based material prepared by 16%high-efficiency clay stabilizer blended with 10%fly ash and 1.5% superplasticizer，the 28 days strength is 3.2 MPa and the softening coefficient is 0.94.

undisturbed loess modified material，self-compacting，compressive strength，water resistance

TU528.59；V351.11

A

1001-702X（2015）10-0045-041112

國家科技支撐計劃項目（2014BAL03B03）

2015-07-10；

2015-08-17

劉志華，男，1977年生，博士，副教授，研究方向：固體廢棄物資源化利用、綠色建筑材料制備理論與技術(shù)。