黃河泥沙基生土材料改性及機(jī)理研究

劉俊霞，海然，張磊，李建偉（.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州　450007；.天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津　0084；.河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司，河南 鄭州　45000）

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黃河泥沙基生土材料改性及機(jī)理研究

劉俊霞1，海然1，張磊2，李建偉3
（1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州450007；2.天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384；3.河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司，河南 鄭州450002）

研究無機(jī)膠凝材料、有機(jī)聚合物和植物纖維3種改性措施對黃河泥沙基生土材料抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)的振搗成型自然養(yǎng)護(hù)工藝，按m（活化泥沙）∶m（無機(jī)膠凝材料）∶m（砂）=65∶25∶10配比，再摻加1.8%聚丙烯酸鈣和0.8%黃麻纖維，可制備出抗壓強(qiáng)度達(dá)13.9 MPa，軟化系數(shù)為0.88的生土材料；SEM和EDS分析顯示，改性后黃河泥沙顆粒得到良好固結(jié)，拔出黃麻纖維與基體材料粘結(jié)緊密；無機(jī)水化產(chǎn)物、有機(jī)聚合物和植物纖維協(xié)同作用，形成連續(xù)、半連續(xù)和互相搭接的3套網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，共同固結(jié)強(qiáng)化黃河泥沙。

黃河泥沙；生土材料；生土改性；協(xié)同效應(yīng)

黃河河道淤積泥沙礦物組成主要是石英、長石、方解石和黏土，其化學(xué)組成除硅鋁外，其它組分大致有如下規(guī)律［1］：CaO＞Fe2O3＞MgO＞TiO2＞MnO［1］，有機(jī)質(zhì)含量為0.4%～0.8%，pH值為7.5～8.5［2］。顆粒主要為0.005～0.075 mm的粉粒，粉粒含量一般高達(dá)80%以上，粘粒不足20%。這造成了黃河泥沙可塑性和抗壓強(qiáng)度低，在工程應(yīng)用方面表現(xiàn)為難以與穩(wěn)定材料形成良好的物理化學(xué)聯(lián)結(jié)，限制了黃河泥沙在生土材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，通常利用水泥、石灰、工業(yè)固體廢棄物、有機(jī)物、纖維等材料固結(jié)強(qiáng)化生土，改善生土材料的力學(xué)性能和耐水性。Burroughs［3］分析了104種土壤，并通過石灰和水泥改性土壤，結(jié)果表明，土體自身的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于2 MPa才能夠取得良好的固結(jié)強(qiáng)化效果。Ciancio等［4］的研究表明，生石灰摻量3%～4%時，生土材料的孔隙率達(dá)到最佳。Mehmet等［5］研究了黏土和砂摻量對生土材料抗壓強(qiáng)度和可塑性的影響。Sayyed等［6］通過植物根莖改善生土材料的強(qiáng)度和耐水性。錢覺時等［7］利用脫硫石膏、粉煤灰等改性生土材料，改性后生土材料抗壓強(qiáng)度提高2～4倍，抗折強(qiáng)度超過1.0 MPa，比傳統(tǒng)生土材料提高1倍，干燥收縮顯著降低，耐水性和耐候性有很大的提升。

本文在借鑒上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，探索黃河河道淤積泥沙固結(jié)強(qiáng)化并應(yīng)用于生土材料的可能性。通過無機(jī)膠凝材料、有機(jī)聚合物和植物纖維共同固結(jié)強(qiáng)化黃河泥沙，研究了3種改性措施之間的協(xié)同效用，為推進(jìn)黃河泥沙的資源化利用提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1　試驗

1.1原材料

黃河泥沙：取自黃河下游的花園口，天然含水率44.8%，主要化學(xué)成分見表1，使用時將黃河泥沙用6%CaCl2活化處理，得到活化泥沙；P·O42.5水泥：開封孟電水泥有限公司生產(chǎn)，28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為8.8、53.4 MPa；CaCl2、Ca（OH）2和丙烯酸：分析純試劑；生石灰：市售，有效CaO含量大于70%；粉煤灰：活性指數(shù)為0.78；試驗用砂為河砂，Ⅱ區(qū)中砂；黃麻纖維：長8 mm，密度1.2 g/cm3，長徑比70，拉伸強(qiáng)度405 MPa，拉伸模量16.4 GPa。

表1　黃河泥沙的主要化學(xué)成分　%

1.2生土材料的制備

以CaCl2活化黃河泥沙為主要原料，按照表2配合比制備生土材料，其中無機(jī)膠凝材料組成為m（水泥）∶m（生石灰）∶m（粉煤灰）=1∶1∶1.2，丙烯酸鈣通過丙烯酸和氫氧化鈣反應(yīng)制得。拌合料在模具內(nèi)振搗成型，試件尺寸為240 mm×115 mm× 53 mm，脫模后室溫自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行性能測試。

表2　黃河泥沙基生土材料配合比

1.3性能測試方法

28 d抗壓強(qiáng)度依據(jù)GB/T 5101—2003《燒結(jié)普通磚》進(jìn)行測試，軟化系數(shù)是自然養(yǎng)護(hù)27 d后浸水24 h試件與自然養(yǎng)護(hù)28 d試件抗壓強(qiáng)度的比值［8］。用日本理學(xué)JSM-6700F掃描電鏡對生土材料斷面進(jìn)行SEM微觀結(jié)構(gòu)和EDS分析。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1無機(jī)膠凝材料對生土材料性能的影響（見圖1）

圖1　無機(jī)膠凝材料對黃河泥沙基生土材料性能的影響

由圖1可以看出，隨著無機(jī)膠凝材料摻量的增加，生土材料的抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)呈上升趨勢。在無機(jī)膠凝材料摻量由16%增至25%時，生土材料的抗壓強(qiáng)度增長比較明顯，由2.8 MPa增至7.1 MPa；無機(jī)膠凝材料摻量繼續(xù)增大到28%時，抗壓強(qiáng)度僅增至7.3 MPa，增速明顯放緩。生土材料的軟化系數(shù)與抗壓強(qiáng)度的增長趨勢基本一致。這是由于拌合料中水泥、生石灰和粉煤灰總摻量的增加，體系內(nèi)水化硅酸鈣、Ca（OH）2和硅膠所構(gòu)成無機(jī)膠凝水化網(wǎng)絡(luò)的固化作用和抗水性隨之增強(qiáng)。因此，從最大程度地利用消納黃河泥沙和滿足產(chǎn)品的基本性能指標(biāo)這兩方面考慮，試樣中黃河泥沙的摻量為65%，無機(jī)膠凝材料為25%，砂為10%，擬通過聚合物和植物纖維進(jìn)一步改善生土材料的性能。

2.2丙烯酸鈣對生土材料性能的影響（見圖2）

圖2　丙烯酸鈣對黃河泥沙基生土材料性能的影響

由圖2可以看出，丙烯酸鈣摻量為1.8%時，生土材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到14.1 MPa，與基準(zhǔn)試樣相比提高1倍以上。這是由于丙烯酸和氫氧化鈣加入到黃河淤泥后發(fā)生酸堿中和反應(yīng)生成丙烯酸鈣，丙烯酸鈣會發(fā)生自由基聚合反應(yīng)，形成不溶于水的網(wǎng)狀高分子鏈，這樣生土顆粒就被強(qiáng)度高、有塑性的鏈包圍，形成一個空間網(wǎng)，并與無機(jī)膠凝材料的水化產(chǎn)物共同起到提高生土砌塊強(qiáng)度的作用［9］。同時由于丙烯酸鈣聚合物有保水作用，在試件飽水條件下吸收的大量水分會減少泥沙顆粒在受壓條件下的滑移阻力，因而軟化系數(shù)明顯下降。

2.3黃麻纖維對生土材料性能的影響（見圖3）

圖3　黃麻纖維摻量對黃河泥沙基生土材料性能的影響

由圖3可以看出，摻入黃麻纖維能夠提高生土材料的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)體積摻量為0.8%時，試件抗壓強(qiáng)度為9.3 MPa，較基準(zhǔn)試件提高33%，黃麻纖維的摻入可以在生土材料中形成互相搭接的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在材料受壓產(chǎn)生變形時，由于黃麻纖維牽拉作用能夠吸收部分破壞能量，減緩裂紋的延伸，進(jìn)而提高生土材料的強(qiáng)度。同樣，由于黃麻纖維的阻裂作用，試件的軟化系數(shù)與基準(zhǔn)試件相比并無太大差異，都維持在0.9以上。但黃麻體積摻量過大時，會增大生土材料的氣孔率，并在纖維間產(chǎn)生棚架效應(yīng)劣化其性能。盡管黃麻纖維具有明顯的增強(qiáng)效果，但其本身的局部物理強(qiáng)化作用與丙烯酸鈣的有機(jī)網(wǎng)絡(luò)還是有一定差距，強(qiáng)度的提高仍然有限。

2.4黃河泥沙基生土材料微觀結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)以上試驗結(jié)果，丙烯酸鈣的最佳摻量為1.8%、黃麻纖維為0.8%，采用物理強(qiáng)化與有機(jī)聚合物固化相結(jié)合的方法，制備的黃河泥沙基生土材料28 d抗壓強(qiáng)度為13.9 MPa，軟化系數(shù)為0.88，說明黃麻纖維有效地彌補(bǔ)了丙烯酸鈣降低生土材料耐水性的不足，并與聚丙烯酸鈣共同強(qiáng)化基體材料。

表2中18#試件的SEM照片和EDS圖譜見圖4，圖4（c）中各點(diǎn)的能譜分析見表3。

圖4　18#試件的SEM照片和EDS圖譜

表3　圖4（c）中各點(diǎn)的能譜分析　%

圖4（a）和（b）顯示，粗砂和泥沙顆粒周圍均勻分布大量的絮狀膠凝材料，黃河泥沙得到良好固結(jié)強(qiáng)化，確保生土材料具有初步的強(qiáng)度和耐水性。圖4（c）中拔出纖維表面凸凹不平，有大量的水泥和生石灰的水化產(chǎn)物；EDS分析結(jié)果顯示主要是C-S-H和CH（見表3），說明黃麻纖維與生土材料基體界面結(jié)合緊密，能夠有效地強(qiáng)化生土材料。由于丙烯酸鈣摻量較低，SEM未能分析明顯有機(jī)聚合物網(wǎng)絡(luò)以及互穿網(wǎng)絡(luò)的微觀形態(tài)［10］。生土材料的強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)體系以無機(jī)膠凝材料作為最基本強(qiáng)度的支撐體，以聚合物和植物纖維作為改性固結(jié)的輔助體，最終形成連續(xù)、半連續(xù)和互相搭接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，共同強(qiáng)化固結(jié)黃河泥沙。

3　結(jié)論

（1）通過無機(jī)膠凝材料、聚丙烯酸鈣和黃麻纖維3套網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同作用，黃河泥沙能夠得到良好固結(jié)。

（2）SEM和EDS結(jié)果顯示，粗砂和黃河泥沙顆粒周圍均勻分布大量的絮狀膠凝材料，拔出纖維表面粘結(jié)有大量無機(jī)水化產(chǎn)物，表明黃麻纖維與基體材料形成良好的物理粘結(jié)。

（3）以65%黃河泥沙和25%的無機(jī)膠凝材料，輔以1.8%丙烯酸鈣和0.8%黃麻纖維，采用傳統(tǒng)的振搗成型和自然養(yǎng)護(hù)工藝，能夠制備出抗壓強(qiáng)度13.9 MPa、軟化系數(shù)0.88的生土材料。

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Modification technique and mechanism of stabilized earth materials prepared from the Yellow River sediment

LIU Junxia1，HAI Ran1，ZHANG Lei2，LI Jianwei3
（1.Architectural Engineering Department，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China；2.Department of Materials Science and Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；3.Henan Building Materials Research and Design Institute Co.Ltd.，Zhengzhou 450002，China）

In this paper，the influences of inorganic cementitious material，polymer bonding agent and jute fiber on the compressive strength，softening coefficient and microstructure of the stabilized earth concrete prepared from the Yellow River sediment were investigated respectively.The results showed that by adopting traditional vibrating forming and natural curing process，stabilized earth with compressive strength of 13.9 MPa and softening coefficient of 0.88 can be prepared when the mixture ratio of activated silt/cementitious binder/sand was 65/25/10，strengthened with 1.8%polypropylene calcium and 0.8%jute fiber.SEM images and EDS spectral analysis results showed that the modified Yellow River sediment could be better consolidated and the jute fiber could joint with the base material closely.There was indeed synergy among inorganic hydration products，polymer bonding agent and jute fiber，which could jointly solidify and strengthen the Yellow River sediment particles continuously，semi-continuously and of interconnecting form.

the Yellow River sediment，stabilized earth materials，earth modification，synergy effect

TU528.09

A

1001-702X（2016）06-0014-03

國家科技支撐計劃項目（2014BAL03B03）

2016-01-21；

2016-03-10

劉俊霞，女，1972年生，河南武陟人，博士，主要從事水泥基復(fù)合材料和生土材料的研究和教學(xué)工作。地址：鄭州市中原區(qū)中原中路41號，E-mail：liujunxia80600@163.com。