砂石摻量對(duì)自密實(shí)生土材料耐久性的影響

劉志華　李　鵬　曲　烈　強(qiáng)培基　王　超　張文研　康茹茹

1天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（300384） 2河南省散裝水泥辦公室（450000）

砂石摻量對(duì)自密實(shí)生土材料耐久性的影響

劉志華1李鵬2曲烈1強(qiáng)培基1王超1張文研1康茹茹1

1天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（300384） 2河南省散裝水泥辦公室（450000）

研究了砂石摻量對(duì)自密實(shí)生土材料的耐久性影響。介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)生土材料的研究，以達(dá)到改善生土建筑施工條件的目的。

生土材料；自密實(shí)；砂石摻量；耐久性

0　引言

生土材料具有良好的保溫蓄熱能力，居住在生土建筑中冬暖夏涼。生土墻材可就地取材，且造價(jià)低廉，施工簡(jiǎn)單。在我國(guó)，生土建筑已擁有幾千年的歷史。根據(jù)2010年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部農(nóng)房現(xiàn)狀調(diào)查可知，生土建筑主要分布在中西部地區(qū)，生土材料使用比例平均超過(guò)了20%，在甘肅、西藏等地甚至超過(guò)了60%［1］。但生土墻體很容易受到風(fēng)雨侵蝕，造成墻體開(kāi)裂、墻根堿蝕及施工噪聲等問(wèn)題［2］。因此，采用自密實(shí)生土作為墻體材料，可避免其施工噪聲，亟待推廣應(yīng)用。

澳大利亞SteveBurroughs［3］采用水泥和石灰對(duì)生土材料進(jìn)行改性。研究表明，改性生土材料的最佳組成為生土∶砂∶水泥：石灰=15∶32∶2∶1。此配方的生土材料抗壓強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性都相對(duì)較高。Guettala等［4］進(jìn)行了為期4年的生土墻室外暴露試驗(yàn)。結(jié)果表明，在生土中摻加水泥、石灰、樹(shù)脂等改性劑均可明顯改善生土的耐久性。其中，同時(shí)摻加水泥和樹(shù)脂對(duì)生土材料耐久性的提升最為顯著。

在生土的改性方面，國(guó)內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)都在做相關(guān)的研究。郝傳文等［5］以沈陽(yáng)、內(nèi)蒙古、山西、陜西、甘肅及云南等地區(qū)的生土為原材料，通過(guò)水泥和防水劑對(duì)生土材料進(jìn)行改性研究，提出使用塑性指數(shù)作為生土分類(lèi)的指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥單摻摻量在4%～12%時(shí)，生土材料的抗壓強(qiáng)度、耐水性和抗凍融性均隨水泥摻量的增加而增加，而單摻防水劑則對(duì)生土材料的性能提升影響不明顯。袁劍軍［6］研究了大壩防滲墻的技術(shù)性能，發(fā)現(xiàn)澆筑施工所用的拌合物坍落度應(yīng)滿足18～22cm，擴(kuò)展度應(yīng)不小于34cm，28d抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到5MPa。在該基礎(chǔ)上作出適當(dāng)調(diào)整，盡可能地降低滲透系數(shù)，并增加其抗壓強(qiáng)度。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)自密實(shí)生土材料的耐久性很少報(bào)道，故需作進(jìn)一步研究［7］。

文章在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)自密實(shí)生土材料的耐久性能進(jìn)行系統(tǒng)分析。通過(guò)配料、成型、養(yǎng)護(hù)等過(guò)程制備自密實(shí)生土材料，并研究砂石摻量對(duì)自密實(shí)生土材料的耐久性影響，以達(dá)到改善生土建筑施工條件的目的，并為我國(guó)新農(nóng)村的建設(shè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1　原材料及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)原料

所用黃土取自河南省滎陽(yáng)市，取土深度2～15 cm。利用XRF熒光分析儀對(duì)黃土的化學(xué)組成進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1。從表1可知，黃土中有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O等礦物成分，其中SiO2含量最高，大約為50.5%。從黃土XRF圖譜（如圖1所示）可知，黃土的主要礦物是SiO2和鉀、鈉長(zhǎng)石。

表1　黃土的化學(xué)組成（%）

圖1　黃土XRD圖譜

利用激光粒度儀對(duì)黃土粒度分布進(jìn)行測(cè)試，黃土的平均粒徑為6.6μm。

所用活性礦粉為唐山市京東?；郀t礦渣粉廠生產(chǎn)。所用砂子為市售中砂，細(xì)度模數(shù)為3.75。所用石子為市售石子，粒徑小于5mm。所用水泥為42.5強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥，天津振興水泥廠生產(chǎn)。所用的高效聚羧酸減水劑為天津市雍陽(yáng)減水劑廠生產(chǎn)。試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

1.2試驗(yàn)方法

1）自密實(shí)生土材料的制備

將生土、水泥、礦粉進(jìn)行攪拌，再將干拌料放到攪拌機(jī)內(nèi)，加入少量的水，打開(kāi)攪拌機(jī)，慢速攪拌，然后逐漸加入剩余的水。水完全加入并攪拌1min后，加入砂和石子，繼續(xù)攪拌5min，出料，裝模，將新拌生土澆入試模內(nèi)（100mm×100mm×100mm）。利用剩余的新拌生土材料進(jìn)行坍落度和擴(kuò)展度測(cè)試。60℃烘箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h，第2d拆模，然后繼續(xù)在60℃烘箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2）耐水性能的測(cè)定

將試塊放置在合適的位置，用一定的距離、水壓作用在被測(cè)試塊上，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，觀察試塊被水浸濕的深度、噴淋面的損傷狀態(tài)以及試塊的質(zhì)量損失。噴淋模擬裝置包括噴頭、水壓表、橡皮管、支架等。試件距離噴頭55cm，噴頭上噴孔為30個(gè)，孔徑0.1mm，試驗(yàn)水壓為0.05MPa。按選定水壓調(diào)整好噴淋裝置后開(kāi)始試驗(yàn)，每隔20min查看一次被測(cè)試件的受沖蝕情況，試驗(yàn)共進(jìn)行60min。

3）吸水率測(cè)定

試件成型尺寸為40mm×40mm×160mm，在60℃恒溫干燥箱中養(yǎng)護(hù)7d后，其含水率小于1%以下，稱(chēng)量試件的干質(zhì)量為M0，然后將試件置于水中浸泡，使水面高出試件上表面20mm，浸泡1d后取出，用干的軟布擦去試件表面的水，再次測(cè)量試件的質(zhì)量M1，然后通過(guò)計(jì)算得出吸水率。

4）軟化系數(shù)測(cè)定

分為兩組進(jìn)行試驗(yàn)。第一組試件在養(yǎng)護(hù)7d后直接測(cè)試其抗壓強(qiáng)度I0。第二組試件在養(yǎng)護(hù)7d后將試件置于水中浸泡，使水面高出試件上表面20 mm，浸泡1d后取出，用干的軟布擦去試件表面的水，立即測(cè)定，此時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度I1。試件浸泡后的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度之比即軟化系數(shù)K。

5）凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率測(cè)定

試件在60℃恒溫干燥箱中養(yǎng)護(hù)7d后，將試件置于水中浸泡，使水面高出試件上表面20mm，浸泡1d后取出，用干的軟布擦去試件表面的水，然后將試塊放入-15℃的冰箱內(nèi)冷凍2h，再取出后放在25℃的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中融化2h。如此循環(huán)十次，結(jié)束后測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算強(qiáng)度損失率。

2　結(jié)果與討論

2.1養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)生土材料的力學(xué)性能影響

將B1、B2、B3這三種不同配合比的試樣，分別放置在20℃（室溫）、60℃和100℃三種條件下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)3d后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。從圖2中可以看出，三種養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，60℃條件下試塊的3d抗壓強(qiáng)度最高，100℃條件下試塊的3d抗壓強(qiáng)度次之，20℃條件下試塊的3d抗壓強(qiáng)度最低。20℃條件下的試樣因?yàn)樗终舭l(fā)慢，試樣內(nèi)部的自由水還大量存在，導(dǎo)致其抗壓能力相對(duì)較弱。100℃條件下，試樣的表層水分蒸發(fā)量過(guò)快導(dǎo)致內(nèi)外產(chǎn)生應(yīng)力差，外部收縮過(guò)快產(chǎn)生微小裂紋，故抗壓性能也不是最好。在60℃條件下，試樣表層的自由水基本能均勻蒸發(fā)，試樣內(nèi)部的自由水也能及時(shí)蒸發(fā)，讓內(nèi)外顆粒結(jié)構(gòu)同時(shí)緊縮，達(dá)到較好的抗壓強(qiáng)度。

圖2　養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)生土材料力學(xué)性能的影響

2.2膠凝材料對(duì)生土材料的力學(xué)性能影響

從圖3可以看出，在養(yǎng)護(hù)條件固定的情況下，當(dāng)膠凝材料摻量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度均高于摻量為15%時(shí)的強(qiáng)度。其中3～7d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較為迅速，7～14d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率則比較平緩。這是由于在剛澆筑成型時(shí)，試塊中膠凝材料與生土中的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得試樣的強(qiáng)度迅速提高。在養(yǎng)護(hù)7d以后，膠凝材料與土的反應(yīng)變慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率也隨之減緩。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中，取膠凝材料摻量為20%（如圖2所示）。

圖3　膠凝材料對(duì)生土力學(xué)性能的影響

2.3砂石摻量對(duì)生土材料的力學(xué)性能影響

從圖4可以看出，當(dāng)砂石摻量為30%和35%時(shí)，兩種配比下的試樣抗壓強(qiáng)度相差不大，其7d抗壓強(qiáng)度甚至相等。當(dāng)砂石摻量增加至40%時(shí)，3d、7d、14d試樣抗壓強(qiáng)度明顯提高。可見(jiàn)，砂率的改變對(duì)于生土材料的抗壓強(qiáng)度影響也較為顯著。砂石的摻入對(duì)生土材料起到骨架作用，從而提高了生土材料的抗壓強(qiáng)度。

圖4　砂石對(duì)生土力學(xué)性能的影響

2.4砂石摻量對(duì)生土材料耐久性的影響

如圖5a所示，當(dāng)生土中砂石摻量從30%增加至35%時(shí)，生土材料的軟化系數(shù)從0.85增加至0.88。當(dāng)砂石摻量增加至40%時(shí)，其軟化系數(shù)反而降至0.83。砂石作為改性材料加入生土中時(shí)，吸水量小，生土材料拌合物中的自由水增多，澆筑完成后所得試塊的密實(shí)度提高。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后再將試塊放入水中浸泡，試塊不會(huì)因吸水而變得松散，使得軟化系數(shù)提高。砂石摻入量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致試塊內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)增多，試塊浸泡后軟化系數(shù)反而下降。

圖5　砂石摻量對(duì)生土材料耐久性的影響

如圖5b所示，當(dāng)生土中砂石摻量從30%增加至40%時(shí)，生土材料的強(qiáng)度損失率從20.97%降至14.64%。純土材料在拌合時(shí)會(huì)吸收大量水分，在多次凍融循環(huán)后，生土試樣會(huì)因?yàn)樗肿邮軆雠蛎泴?dǎo)致結(jié)構(gòu)受損。在生土中摻入砂石時(shí)，試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)隨之變化，產(chǎn)生微小孔隙。當(dāng)試塊受凍時(shí)，試塊內(nèi)部的自由水能有滿足其膨脹的空間，故可緩解冰凍的破壞作用。

如圖5c所示，當(dāng)生土中砂石摻量從30%增加至40%時(shí)，生土材料的吸水率從25.26%下降至21.01%。產(chǎn)生這一結(jié)果，是由于砂石在生土中起到骨料作用，與水泥的水化產(chǎn)物相互膠結(jié)。砂石的摻入也增加了拌合物的流動(dòng)性，使得成型的試塊變得更加密實(shí)。加之砂石本身吸水率很低，生土材料的吸水率減小。

如圖6所示，在連續(xù)噴淋60min后，試件表面約有一半面積遭受?chē)娏芮治g，出現(xiàn)直徑1～4mm的凹坑。整體來(lái)看，雖然受淋表面有侵蝕，但該試件整體未出現(xiàn)較大的凹坑和貫穿性裂縫，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯破壞，耐水性能比較良好。

圖6　生土材料試件侵蝕情況

3　結(jié)論

自密實(shí)生土材料的最優(yōu)配合比為：40%生土、12%水泥、8%礦粉、30%砂、10%碎石、0.45水固比、1%減水劑。生土材料的7d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到7.7 MPa，吸水率為21.01%，軟化系數(shù)為0.83，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率為14.64%。

當(dāng)生土材料中砂石摻量從30%增加至35%時(shí)，材料的軟化系數(shù)從0.85增加至0.88。當(dāng)砂石摻量增加至40%時(shí)，其軟化系數(shù)反而降至0.83。當(dāng)生土材料中砂石摻量從30%增加至40%時(shí)，材料的強(qiáng)度損失率從20.97%降至14.64%。當(dāng)生土材料中砂石摻量從30%增加至40%時(shí)，材料的吸水率從25.26%下降至21.01%。產(chǎn)生這一結(jié)果，可能是由于砂石在生土中起到骨料作用，砂石的摻入也增加了拌合物的流動(dòng)性，使得成型的試塊變得更加密實(shí)。

［1］卜永紅.村鎮(zhèn)生土結(jié)構(gòu)房屋抗震性能研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

［2］王.陜南生土材料改性試驗(yàn)研究［J］.建筑科學(xué)，2011，20 （5）：35-39.

［3］Steve Burroughs.Soil property criteria for rammed earth stabilization［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2008，20（3）：264-273.

［4］A.Guettala，A.Abibsi，H.Houari.Durability study of stabilized earth concrete under both laboratory and climatic conditions exposure［J］.Construction and Building Materials，2005，20（3）：119-127.

［5］王偉超.豫西北地區(qū)改性生土建筑材料抗壓試驗(yàn)研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012：68-73.

［6］袁劍軍.土石壩防滲墻黏土混凝土材料的工程應(yīng)用初探［J］.水利建設(shè)與管理，2013，33（2）：33-35.

［7］郝傳文.改性方式對(duì)生土墻體材料耐久性影響的研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2011.

科研項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20141BAL03B03）.