基于土聚水泥生土材料改性試驗(yàn)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)

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基于土聚水泥生土材料改性試驗(yàn)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)

生土材料是一種傳統(tǒng)的古老的生態(tài)建筑材料，但由于強(qiáng)度低，耐水性差難以在現(xiàn)代建筑工程中發(fā)揮作用。本文提出了一種以偏高嶺土作為主要原材料的土聚水泥用于生土材料改性，通過(guò)試驗(yàn)分別研究了堿性激發(fā)劑摻量、激發(fā)劑種類(lèi)以及促硬劑對(duì)土聚水泥改性生土材料力學(xué)性能及耐水性影響。研究結(jié)果表明，采用澆筑成型的方式，土聚水泥改性生土材料，其28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到18.0MPa，軟化系數(shù)為0.90。土聚水泥非常適合用于生土材料改性。

生土材料； 土聚水泥； 抗壓強(qiáng)度;耐水性

1　引　言

近年來(lái)，隨著人們不斷追逐生態(tài)，環(huán)保的理念，生土建筑由于其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，如較低的材料成本和能源消耗、優(yōu)良的室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)(可以有效地緩解室內(nèi)溫度和濕度波動(dòng)，吸收噪聲)、可循環(huán)利用性以及獨(dú)特的美感而重新獲得了世人的關(guān)注與認(rèn)可。構(gòu)建生土建筑諸多優(yōu)點(diǎn)是基于其采用的生土材料，這是一種最為古老的建筑材料。然而，由于生土材料自身的一些不足，如水穩(wěn)定性較差，強(qiáng)度較低等，難以在現(xiàn)代建筑中找到應(yīng)用空間。針對(duì)這一困境，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量針對(duì)生土材料的改性研究，提出并開(kāi)發(fā)了各類(lèi)生土材料改性固化劑[1-3]。這其中包括以水泥、石灰、粉煤灰等作為主要成分的無(wú)機(jī)加固劑，也含有以離子交換作為機(jī)理的液態(tài)固化劑及有機(jī)固化劑等，極大地提升生土材料在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用[4-6]。

土聚水泥作為一種不同于硅酸鹽水泥的化學(xué)激發(fā)膠凝材料，其生產(chǎn)能耗低，幾乎無(wú)污染，且不消耗石灰石資源，是一種環(huán)保型“綠色建筑材料”[7,8]。與普通硅酸鹽水泥相比，土聚水泥具有有機(jī)高聚物的鍵接結(jié)構(gòu)，通過(guò)硅氧四面體和鋁氧四面體聚合形成的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，具有更優(yōu)異的粘結(jié)性能，且早期強(qiáng)度高。與已有的生土改性固化劑相比，土聚水泥不僅環(huán)保，節(jié)能且與生土材料具有更好的相容性，更能發(fā)揮其聚合作用。然而，目前還未見(jiàn)有將土聚水泥用于生土材料改性的研究報(bào)道。針對(duì)傳統(tǒng)的生土墻體以夯實(shí)方式成型，需要消耗大量的能源，本文擬以澆筑成型方式制備生土改性材料，通過(guò)試驗(yàn)探討以偏高嶺土作為主要原材料的土聚水泥對(duì)生土材料進(jìn)行改性，測(cè)試改性生土材料不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，以期為生土材料的改性提供新的技術(shù)思路。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)用的生土取自甘肅蘭州黃土，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1所示，化學(xué)成分見(jiàn)表2。試驗(yàn)用水采用普通自來(lái)水，主要用于改性劑與調(diào)節(jié)生土的稠度。

表1　生土的物理性質(zhì)

表2　黃土與偏高嶺土的化學(xué)組成

選用陶瓷工業(yè)用的蘇州高嶺土，其具體化學(xué)成分見(jiàn)表2所示。試驗(yàn)時(shí)將一定細(xì)度的高嶺土放入高溫爐中，經(jīng)800 ℃高溫煅燒2h制得偏高嶺土，用于試驗(yàn)。

試驗(yàn)用的水玻璃原液模數(shù)為3.3，波美度Be為40，密度ρ=1.38g/cm3，可分別通過(guò)添加KOH和NaOH的化學(xué)試劑制備成模數(shù)為2.0的堿性激發(fā)劑用于試驗(yàn)。試驗(yàn)中Na2SiF6為中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司生產(chǎn)化學(xué)試劑。

選用聚羧酸高效減水劑，用于調(diào)整泥漿的流動(dòng)度，其摻量為粉體材料質(zhì)量0.5%～1.0%。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品制備

圖1　流動(dòng)度測(cè)試Fig.1　Testing of fluidity

本研究主要以偏高嶺土作為原材料在堿性激發(fā)劑作用下形成土聚水泥用于生土材料改性，分別考察了堿性激發(fā)劑摻量、類(lèi)別、促硬劑和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)生土改性材料力學(xué)性能影響。配比設(shè)計(jì)中 ，黃土與土聚水泥比固定為75∶25；土聚水泥由偏高嶺土與堿性激發(fā)劑按不同比例配制而成；水固比固定為0.20(包含堿性激發(fā)劑中含水量)。

樣品制備過(guò)程：先將偏高嶺土和堿性激發(fā)劑加入到水泥砂漿攪拌機(jī)中低速攪拌1.5min，然后將黃土加入攪拌1min；然后將摻有減水劑的拌合水加入并快速攪拌直至形成流態(tài)泥漿，在攪拌過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整減水劑摻量，確保泥漿流動(dòng)度為220～240mm之間，如圖1所示。將流態(tài)泥漿澆筑到70.7cm×70.7cm×70.7cm試模中并進(jìn)行振搗密實(shí)成型，1d后拆模，室溫下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行性能測(cè)試。

3　結(jié)果與討論

3.1激發(fā)劑摻量影響

堿性激發(fā)劑由氫氧化鈉試劑與水玻璃原液按模數(shù)為2配制而成，通過(guò)調(diào)整減水劑用量控制各組試樣流動(dòng)度在180～200cm之間，制備試樣，在常溫下養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)試3d，7d和28d抗壓強(qiáng)度并對(duì)于養(yǎng)護(hù)28d試樣進(jìn)行了耐水性測(cè)試。具體的配比和測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　不同堿性激發(fā)劑摻量配比及性能測(cè)試結(jié)果

從表3中不同齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果看，土聚水泥對(duì)生土材料改性效果明顯，即使是通過(guò)澆筑成型的方式，其3d抗壓強(qiáng)度也達(dá)到7.0MPa以上，而28d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)18.0MPa。以往的生土材料改性研究[2,5,6,9]，其28d抗壓強(qiáng)度一般在5MPa以內(nèi)，而在本研究中，采用土聚水泥進(jìn)行改性，其3d抗壓強(qiáng)度就已經(jīng)達(dá)到7.0MPa，28d則高達(dá)18.0MPa，展現(xiàn)出了與生土材料良好的相容性。通過(guò)對(duì)其軟化系數(shù)測(cè)試，采用生土材料進(jìn)行改性的試樣，浸泡24h后，完整無(wú)損，且抗壓強(qiáng)度降低不顯著，軟化系數(shù)達(dá)到0.80以上，遠(yuǎn)強(qiáng)于其它改性材料，非常適合生土材料改性。

圖2　激發(fā)劑摻量對(duì)不同齡期改性試樣抗壓強(qiáng)度影響Fig.2　Effect of activator on compressive strength

圖2給出了在保持土聚水泥質(zhì)量一定條件下，激發(fā)劑摻量對(duì)生土不同齡期抗壓強(qiáng)度影響。從圖中可以看出，在保持黃土用量不變時(shí)，在一定范圍內(nèi)，隨著堿性激發(fā)劑摻量的增加，即堿性激發(fā)劑與偏高嶺土比增大，改性生土材料的抗壓強(qiáng)度也逐漸增大，當(dāng)激發(fā)劑與偏高嶺土比為3∶4時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)堿性激發(fā)劑摻量繼續(xù)增大時(shí)，改性生土材料抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降。這表明，過(guò)量的堿性激發(fā)劑對(duì)土聚水泥改性生土材料帶來(lái)負(fù)面的效果，考慮到激發(fā)劑的價(jià)格要高于偏高嶺土，因此，在實(shí)際工程中建議堿性激發(fā)劑與偏高嶺土質(zhì)量比控制為1∶2。

3.2激發(fā)劑種類(lèi)影響

選用堿性激發(fā)劑與偏高嶺土比為1∶2，參照3.1試驗(yàn)方法，通過(guò)改變堿性激發(fā)劑種類(lèi)，用KOH代替NaOH與水玻璃原液按模數(shù)為2進(jìn)行堿性激發(fā)劑配制，并制備試樣，對(duì)比兩種激發(fā)劑作用效果。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4中測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，對(duì)于早齡期3d和7d抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，由KOH配制的堿性激發(fā)劑，其強(qiáng)度提高更顯著，與NaOH配制的堿性激發(fā)劑相比分別提高了7.5%和9.0%。這種差異反應(yīng)了陽(yáng)離子對(duì)土壤聚合作用的差異，而產(chǎn)生的這種差異的原因，可能是由于離子半徑或者堿性強(qiáng)弱引起的。而對(duì)比28d抗壓強(qiáng)度，兩者幾乎相同。采用兩種不同堿性激發(fā)劑的土聚水泥對(duì)生土材料耐水性沒(méi)有顯著影響，均展現(xiàn)出良好的耐水性，達(dá)到0.85以上，滿足耐水材料性能指標(biāo)。

表4　堿性激發(fā)劑類(lèi)別對(duì)生土改性效果

3.3促硬劑的影響

選用A3組配比，分別摻入堿性激發(fā)劑質(zhì)量的8%，10%和12%的Na2SiF6作為促硬劑，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5　促硬劑對(duì)生土改性效果

從表5的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，促硬劑Na2SiF6的加入，對(duì)不同齡期的抗壓強(qiáng)度均有不同幅度的提高，且隨著Na2SiF6的摻量的增大，其強(qiáng)度也提高。與不摻促硬劑相比，當(dāng)Na2SiF6摻量為激發(fā)劑質(zhì)量12%時(shí)，其28d抗壓強(qiáng)度提高了近15%。更為重要的是，促硬劑加入，同時(shí)提高了改性生土材料的耐水性，其軟化系數(shù)最高可達(dá)到0.90。但考慮到Na2SiF6具有較強(qiáng)的毒性，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)考慮其用量，建議其摻量不易超高堿性激發(fā)劑的10%。

3.4掃描電鏡分析

分別選取原狀土，B1，B2和C4三種試樣養(yǎng)護(hù)28d時(shí)取樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖3所示。

圖3　不同試樣掃描電鏡(a)原狀土;(b)B1;(c)B2;(d)C4Fig.3　SEM images of different samples(a)saw soil;(b)B1;(c)B2;(d)C4

對(duì)比圖中四組試樣的掃描電鏡：圖3a為原狀土，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較松散，土顆粒之間沒(méi)有相互粘結(jié)作用力，呈現(xiàn)生土材料原有的形貌；圖3b和圖3c分別是采用兩種不同堿性激發(fā)劑制備的土聚水泥改性生土材料，從圖片中可見(jiàn)，生土顆粒被大量絮狀凝膠結(jié)構(gòu)包裹，形成致密的結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了大量纖維狀晶體結(jié)構(gòu)，這可能是部分的生土顆粒參與了土聚水泥的反應(yīng)。對(duì)比圖3b和圖3c,兩種不同的堿性激發(fā)劑其微觀結(jié)構(gòu)比較接近，但NaOH激發(fā)劑呈現(xiàn)更多的纖維狀結(jié)構(gòu)，表明生土顆粒更多地參與了反應(yīng)。圖3d為摻入了Na2SiF6促硬劑，與圖3b和圖3c相比，其微觀結(jié)構(gòu)更加致密，絮狀膠凝體更加飽滿，而生土顆粒被包裹的更加緊密，表明偏高嶺土在堿性激發(fā)劑和促硬劑雙重作用下，反應(yīng)更加充分，其改性效果更加顯著。

4　結(jié)　論

通過(guò)以上的試驗(yàn)研究，可以得到如下的初步研究結(jié)論：

(1)利用偏高嶺土配制的土聚水泥可有效對(duì)生土材料進(jìn)行改性，摻加25%的土聚水泥改性后的生土材料，28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)18.0MPa，軟化系數(shù)達(dá)到0.90，滿足現(xiàn)代墻體材料性能需求；

(2)激發(fā)劑摻量對(duì)土聚水泥改性生土材料力學(xué)性能有較大影響。在一定范圍內(nèi)，隨著激發(fā)劑摻量增大，改性生土材料抗壓強(qiáng)度增大，當(dāng)堿性激發(fā)劑與偏高嶺土摻量比為3∶4時(shí)最佳。考慮到實(shí)際工程造價(jià)，建議其摻量比控制為1∶2；

(3)采用KOH和NaOH調(diào)整硅酸鈉模數(shù)制備堿性激發(fā)劑，對(duì)于早期強(qiáng)度，KOH提高更顯著，而28d抗壓強(qiáng)度和耐水性無(wú)顯著影響；

(4)采用促硬劑Na2SiF6能顯著提高改性生土材料不同齡期抗壓強(qiáng)度和耐水性，且隨著促硬劑摻量提高，其改性效果提高。

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ExperimentalResearchonPropertiesofRawSoilModifiedbyGeopolymericCement

LIU Zhi-hua1,LI Yuan-feng1,YANG Jiu-jun1,CHEN Bing2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinChenjianUniversity,Tianjin300384,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Soiliscertainlyoneofthemostancienteco-buildingmaterials.Thetraditionalraw-soilmaterialhasfatalflaws,suchaspoorcompressivestrengthandlowwaterresistance,whichrestricteditsapplicationinmodernconstruction.Thispaperprovidedageopolymericcement,whichconsistofMetakaolinandalkali-activator,tomodifyrawsoil.Effectofthecontentsofalkali-activator,kindsofalkali-activatorandhardening-acceleratingadmixturesonmechanicalpropertiesofrawsoilmodificationwereinvestigated.Thetestingresultsindicatedthatgeopolymericcementissuitableforrawsoilmodification.The28dcompressivestrengthoftherawsoilmodificationcanreach18.0MPaanditssoftcoefficientis0.90.

rawsoilmaterial;geopolymericcement;compressivestrength;waterresistance

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAL03B03)

劉志華(1977-)，男，博士，副教授.主要從事新型建筑材料方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)01-0073-05