硫酸鈉對(duì)生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能影響研究

丁蘇金，楊鼎宜，王武祥,吳春麗

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州　225009；2.中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京　100024)

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硫酸鈉對(duì)生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能影響研究

丁蘇金1,2，楊鼎宜1，王武祥2,吳春麗2

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州225009；2.中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024)

研究了水泥-礦渣-硫酸鈉復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料時(shí)，硫酸鈉對(duì)生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能的影響，并對(duì)配合比參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：硫酸鈉在水泥-礦渣-硫酸鈉復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料中的增強(qiáng)作用要優(yōu)于在水泥-硫酸鈉復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料中的增強(qiáng)作用；考察強(qiáng)度增長(zhǎng)率時(shí)，最優(yōu)配合比為水泥摻量=0.050～0.075，水泥/礦渣=1.0～3.0，硫酸鈉/(水泥+礦渣)=0.12～0.25；考察抗壓強(qiáng)度時(shí)，最優(yōu)配合比為水泥摻量=0.075，水泥/礦渣=1.0～1.5，硫酸鈉/(水泥+礦渣)=0.12～0.20。

生土； 膠凝材料； 粘結(jié)材料； 改性； 力學(xué)性能

1　引　言

生土泛指未經(jīng)焙燒、僅經(jīng)過簡(jiǎn)單加工的原狀土質(zhì)材料。以生土作為主要建筑材料建造房屋最早可追溯至公元前1萬年[1]，具有造價(jià)低廉、取材方便、保溫隔熱等優(yōu)點(diǎn)，在我國尤其是貧困農(nóng)村地區(qū)房屋建設(shè)中，具有相適宜的應(yīng)用定位和充分的發(fā)揮空間[2-4]。近年來，國內(nèi)外在生土材料改性研究方面已取得顯著進(jìn)展，但與現(xiàn)代村鎮(zhèn)建筑材料和生土建筑要求尚有差距，主要體現(xiàn)在生土材料物理力學(xué)性能和耐久性等方面。

生土材料改性方法主要包括物理改性和化學(xué)改性兩種方式，物理改性即摻加一定比例粗細(xì)骨料、纖維狀材料等，通過改進(jìn)施工工藝來改善和提高生土材料性能[5,6]，化學(xué)改性則是在生土材料中摻加膠凝材料、活性混合材、化學(xué)激發(fā)劑等一種或幾種，促使生土材料內(nèi)部膠結(jié)成具有一定強(qiáng)度的硅酸鹽材料，從而提高生土材料物理力學(xué)性能和耐久性[7,8]。

本文在實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上，優(yōu)選出硫酸鈉作為生土基粘結(jié)材料外加劑，將硫酸鈉與生土-水泥-礦渣在不同摻量下復(fù)合，制備生土基粘結(jié)材料(主要用于生土砌塊砌體的砌筑)，對(duì)硫酸鈉-水泥-礦渣改性生土基粘結(jié)材料和硫酸鈉-水泥改性生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能進(jìn)行分析，對(duì)水泥、礦渣、硫酸鈉等配合比參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料

生土：陜西黃土，氧化鈣/二氧化硅(鈣硅比)為0.2，粘粒含量10%，顆粒粒度見表1，化學(xué)組成見表2；

水泥：唐山冀東水泥廠產(chǎn)42.5R普通硅酸鹽水泥；

磨細(xì)礦渣粉：S95級(jí)普通礦渣，化學(xué)成分見表2；

硫酸鈉：分析純?cè)噭坎簧儆?9.5%；

水：北京市自來水。

表1　陜西生土粒度

表2　生土、礦渣化學(xué)成分表

2.2試驗(yàn)方法

成型方法：按設(shè)計(jì)配合比稱量干粉和水，將干粉倒進(jìn)攪拌機(jī)預(yù)拌30s使其混合均勻。緩緩將水倒入攪拌機(jī)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及漿體稠度調(diào)整并記錄實(shí)際加水量，控制漿體稠度在70～80mm之間。按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》(JGJ/T70-2009)成型70.7mm×70.7mm×70.7mm試件，成型后試件在(20±5) ℃的室內(nèi)環(huán)境養(yǎng)護(hù)48h后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d。

稠度測(cè)試方法：按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》測(cè)定生土基粘結(jié)材料漿體稠度，稠度不滿足要求的漿體重新制備。

抗壓試驗(yàn)方法：取出養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試件，立即放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在(40±2) ℃，鼓風(fēng)條件下干燥至含水率為27%±4%，冷卻至室溫后測(cè)試抗壓強(qiáng)度。

2.3配合比設(shè)計(jì)

水泥和礦渣摻量均為2.5%、5.0%、7.5%，硫酸鈉摻量為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。用水量以控制漿體稠度在70～80mm之間時(shí)實(shí)際用水量為準(zhǔn)，一方面保證生土基粘結(jié)材料施工性能，另一方面增加試驗(yàn)結(jié)果可比性。

3　結(jié)果與討論

3.1硫酸鈉-水泥-礦渣復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能分析

強(qiáng)度增長(zhǎng)率反映了生土基粘結(jié)材料的改性效率，但討論強(qiáng)度增長(zhǎng)率時(shí)，試件強(qiáng)度基數(shù)較小會(huì)造成強(qiáng)度增長(zhǎng)率偏高，生土建筑設(shè)計(jì)、建造、使用過程中，生土基粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度對(duì)建筑安全至關(guān)重要，因此本文使用強(qiáng)度增長(zhǎng)率和抗壓強(qiáng)度作為生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

水泥摻量為2.5%、5.0%、7.5%時(shí)，硫酸鈉對(duì)生土基粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響見圖1～3。由圖可見，隨著硫酸鈉摻量逐漸增加，粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

圖1　水泥摻量為2.5%時(shí)硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響Fig.1　Effect of sodium sulfate on compressive strength and strength growth rate of bonding materials with cement content of 2.5%

圖2　水泥摻量為5.0%時(shí)硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響Fig.2　Effect of sodium sulfate on compressive strength and strength growth rate of bonding materials with cement content of 5.0%

圖3　水泥摻量為7.5%時(shí)硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響Fig.3　Effect of sodium sulfate on compressive strength and strength growth rate of bonding materials with cement content of 7.5%

圖1所示水泥摻量為2.5%。礦渣摻量5.0%時(shí)，硫酸鈉摻量變化對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度基本沒有影響，最大強(qiáng)度為4.0MPa。當(dāng)?shù)V渣摻量為7.5%，硫酸鈉摻量大于1.5%(含1.5%)時(shí)，粘結(jié)材料強(qiáng)度隨硫酸鈉摻量增加出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，當(dāng)硫酸鈉摻量為2.5%時(shí)有最大強(qiáng)度6.4MPa，此時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)率為44%。圖2所示水泥摻量為5.0%，礦渣摻量分別為2.5%、5.0%、7.5%。當(dāng)?shù)V渣摻量從2.5%增加至5.0%，粘結(jié)材料最大強(qiáng)度從3.8MPa增加至5.6MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)達(dá)47%，當(dāng)?shù)V渣摻量為7.5%時(shí)，最大強(qiáng)度為6.4MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率為14%，可見水泥和礦渣摻量均為5.0%時(shí)，硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度有較好的提升效果。水泥摻量5.0%，礦渣摻量7.5%時(shí)，粘結(jié)材料最大強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，但是強(qiáng)度增長(zhǎng)率下降，且增加2.5%礦渣使粘結(jié)材料成本增大，不利于在貧困地區(qū)推廣。圖2b中，水泥摻量5.0%，礦渣摻量2.5%，硫酸鈉摻量0.5%～2.0%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，增長(zhǎng)率為29%～41%；水泥摻量5.0%，礦渣摻量為5.0%和7.5%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)率出現(xiàn)明顯下降，硫酸鈉摻量從0.0%到2.5%，試件的最大強(qiáng)度增長(zhǎng)率僅為18%，強(qiáng)度增長(zhǎng)率變小，一方面是由于試件強(qiáng)度基數(shù)變大，一方面也可能是因?yàn)楦男孕Ч儾顚?dǎo)致。當(dāng)水泥摻量為7.5%時(shí)(圖3)，抗壓強(qiáng)度-硫酸鈉摻量曲線基本平行，說明硫酸鈉對(duì)此三組粘結(jié)材料強(qiáng)度影響相似。圖3b中，礦渣摻量2.5%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨硫酸鈉摻量增加顯著提高，礦渣摻量5.0%和7.5%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)率變化相似，且最大強(qiáng)度增長(zhǎng)率大于水泥摻量5.0%時(shí)最大強(qiáng)度增長(zhǎng)率，說明水泥摻量為7.5%時(shí)，硫酸鈉能更好的改善粘結(jié)材料強(qiáng)度。當(dāng)水泥、礦渣摻量均為7.5%，硫酸鈉摻量為2.5%時(shí)，粘結(jié)材料有最大抗壓強(qiáng)度11.2MPa，與未摻硫酸鈉時(shí)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度7.9MPa相比，強(qiáng)度增長(zhǎng)41%。當(dāng)水泥摻量為7.5%，礦渣摻量為2.5%，硫酸鈉摻量為2.0%時(shí)，有最大強(qiáng)度增長(zhǎng)率66%，硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度提升顯著。

綜上所述，為顯著提升生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能，硫酸鈉摻量以1.0%～2.5%為宜，水泥摻量5.0%～7.5%為宜，礦渣摻量2.5%～5.0%為宜，有0.050≤C≤0.075，1.0≤C/S≤3.0，0.12≤Na/(C+S)≤0.25，C為水泥摻量，S為礦渣摻量，Na為硫酸鈉摻量。

3.2硫酸鈉-水泥復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能分析

圖1～3中，最大抗壓強(qiáng)度為11.2MPa，此時(shí)水泥、礦渣摻量均為7.5%，膠凝材料總量為15%。為對(duì)比硫酸鈉對(duì)水泥-礦渣復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料和水泥單摻改性生土基粘結(jié)材料力學(xué)性能的影響，研究了水泥摻量15%時(shí)，硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響，見圖4。

圖4　硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度的影響Fig.4　Effect of Na2SO4 on compressive strength

由圖4可見，硫酸鈉摻量由1.25%增到2.0%，生土基粘結(jié)材料強(qiáng)度從7.8MPa增到9.7MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)24%。隨著硫酸鈉摻量由2.0%增到3.0%，粘結(jié)材料強(qiáng)度基本不變，當(dāng)硫酸鈉摻量由3.0%增到3.5%時(shí)，粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度開始下降?？梢?，硫酸鈉摻量取2.0%較為適宜，此時(shí)粘結(jié)材料強(qiáng)度為9.7MPa，繼續(xù)增大硫酸鈉摻量收效甚微，甚至可能因?yàn)榱蛩徕c過飽和，影響粘結(jié)材料改性效果，硫酸鈉摻量過大還會(huì)使試件表面出現(xiàn)鹽析現(xiàn)象，影響美觀。

以抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，硫酸鈉-水泥復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料的最大抗壓強(qiáng)度為9.7MPa，小于硫酸鈉-水泥-礦渣復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料的11.2MPa，說明硫酸鈉對(duì)水泥-礦渣復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料的改性效果要優(yōu)于水泥單摻改性生土基粘結(jié)材料。

對(duì)于普通硅酸鹽水泥，石膏摻量是決定水泥水化產(chǎn)物類別、數(shù)量及C3A水化速率的主要因素。在水泥水化過程中，水化鋁酸鈣能與石膏溶解的硫酸根離子反應(yīng)生成鈣礬石。當(dāng)硫酸根離子含量較少時(shí)，水泥中剩余未完全水化的C3A，水化鋁酸鈣會(huì)與鈣礬石反應(yīng)生成單硫型水化硫鋁酸鈣。當(dāng)硫酸根離子含量極少，在所有鈣礬石都轉(zhuǎn)化成單硫型水化硫鋁酸鈣后，可能還有C3A剩余，在這種情況下，可能會(huì)生成單硫型固溶體和C4AH13[11]。，不利于粘結(jié)材料強(qiáng)度發(fā)展。摻加硫酸鈉后，硫酸鈉在粘結(jié)材料漿體中遇水易電離出硫酸根離子，促使粘結(jié)材料中鈣礬石生成量增加，提高粘結(jié)材料強(qiáng)度。

4　結(jié)　論

(1)硫酸鈉在生土基粘結(jié)材料內(nèi)能起到硫酸鹽激發(fā)和堿激發(fā)的雙重作用，增加粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度。在膠凝材料總量相同的情況下，硫酸鈉-水泥-礦渣復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料的增強(qiáng)作用優(yōu)于硫酸鈉-水泥復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料。對(duì)于硫酸鈉-水泥-礦渣復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料，水泥摻量大于礦渣摻量時(shí)，硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料的增強(qiáng)作用更顯著；

(2)當(dāng)0.050≤C≤0.075，1.0≤C/S≤3.0，0.12≤Na/(C+S)≤0.25時(shí)，生土基粘結(jié)材料有較大強(qiáng)度增長(zhǎng)率，當(dāng)C=0.075，C/S=3.00，Na/(C+S)=0.20時(shí)，有最大強(qiáng)度增長(zhǎng)率66%。當(dāng)C=0.075，1.0≤C/S≤1.5，0.12≤Na/(C+S)≤0.20時(shí)生土基粘結(jié)材料強(qiáng)度較大，當(dāng)C=0.075，C/S=1.0，Na/(C+S)=0.17時(shí)有最大抗壓強(qiáng)度11.2MPa。

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AnalysisonStrengthofModifiedRawSoilBondingMaterialsInfluencedbySodiumSulfate

DING Su-jin1,2,YANG Ding-yi1,WANG Wu-xiang2,WU Chun-li2

(1.CollegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China;2.ChinaBuildingMaterialsAcademy,Beijing100024,China)

Basedonthemodifiedrawsoilbondingmaterialofcement-slag-Na2SO4,theeffectofsodiumsulfateonmechanicalpropertiesofbondingmaterialwasinvestigatedandthematchingparameterswereoptimized.Theresultsindicatethatsodiumsulfatehasbettereffectonmodificationofcement-slag-Na2SO4thanmodificationofcement-Na2SO4.Whileinvestigatingstrengthgrowthratio,theoptimumproportionofbondingmaterialsiscement=0.050-0.075,cement/slag=1.0-3.0,Na2SO4/(cement+slag)=0.12-0.25.Theoptimumproportioniscement=0.075,cement/slag=1.0-1.5,Na2SO4/(cement+slag)=0.12-0.20whileinspectingcompressivestrength.

rawsoil;cementingmaterial;bondingmaterial;modification;mechanicalproperty

國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAL03B03)

丁蘇金(1989-)，男，碩士研究生.主要從事建筑材料方面的研究.

楊鼎宜，教授，博導(dǎo).

TU5

A

1001-1625(2016)01-0204-05