凍融循環(huán)作用下改性生土材料強度特性研究

張　磊，楊　柳，麻向龍，何建濤，朱三普

(1.西安建筑科技大學建筑學院，西安　710055；2.西安建筑科技大學材料與礦資學院，西安　710055)

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凍融循環(huán)作用下改性生土材料強度特性研究

張磊1，楊柳1，麻向龍2，何建濤1，朱三普1

(1.西安建筑科技大學建筑學院，西安710055；2.西安建筑科技大學材料與礦資學院，西安710055)

針對生土材料在力學和抗凍性方面的缺陷，對水泥/礦渣復合改性生土材料的抗凍性進行分析，通過傅里葉變換紅外光譜分析和掃描電鏡分析對改性生土材料抗凍性提升機理進行研究，分析水泥、礦渣摻量對改性生土材料抗凍性能的影響。結果表明，改性生土材料在凍融前后的抗壓強度較素土均獲得了顯著提升。此外，隨著水泥、礦渣摻量的增加，改性生土材料抗壓強度逐漸提高，凍融循環(huán)后的強度損失逐漸減少。

凍融循環(huán)； 改性生土材料； 抗壓強度； 強度損失

1　引　言

生土材料具有蓄熱性好、綠色環(huán)保、可循環(huán)利用的特點，是一種理想的綠色建筑材料[1,2]。但是在力學及耐久性方面的缺陷使得生土建筑需要進行頻繁的修葺，造成了人力物力的消耗，嚴重制約了生土建筑的推廣。生土建筑所在地區(qū)的氣候條件普遍惡劣，冬季寒冷且夏季炎熱，造成生土建筑在冬夏兩季極端氣候作用下出現墻體開裂的現象，對生土建筑的結構安全和居住舒適性造成影響。當前，國內外學者多借助物理和化學改性的方法提升生土材料的力學性能[3-6]。對于生土材料抗凍性的研究只單純關注凍融循環(huán)后材料的剩余強度和強度損失量[7-9]，而未對改性生土材料抗凍性提升的作用機理進行深入分析[10,11]。因此，在凍融循環(huán)條件下，對改性生土材料系統地進行強度特性研究和機理分析能夠有效提升生土建筑抵御極端氣候侵襲的能力，提升生土建筑的使用壽命，推動生土建筑的應用和推廣。

此外，含水率對生土材料抗壓強度影響很大，當對生土材料進行機械壓制成型時，成型壓力使得土顆粒間距縮小，生土材料中的水分在此形成水分子膜。水分子膜的薄厚直接決定了生土材料塑性狀態(tài)和凝聚性的形成，微觀整體性結構對生土材料的力學性能優(yōu)劣產生影響。

因此，本文以新疆吐魯番地區(qū)的土為研究對象，對不同含水率下生土材料抗壓強度進行測試，以最優(yōu)抗壓強度條件下含水率為基礎指標，通過摻入水泥和礦渣的方式對生土材料進行改性，研究改性生土材料抵御凍融循環(huán)過程的能力。此外利用傅里葉變換紅外光譜和掃描電鏡測試方法，對改性生土材料抗凍性提升的作用機理分析，從而為今后生土材料的研究和應用提供理論借鑒和參考。

圖1　生土的XRD測試結果Fig.1　XRD measurement results of soil

2　試　驗

2.1試驗材料及試樣制備

試驗土樣取自新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市亞爾鄉(xiāng)英買里村；水泥(C)選用海螺水泥有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥；礦渣(SL)選用西安德龍粉體工程材料有限公司生產的超細礦渣粉。試驗所用土樣的物理參數指標見表1，試驗用硅酸鹽水泥和超細礦渣粉的化學組分及性能參數見表2和表3，生土的XRD圖如圖1所示，生土中的礦物以伊利石為主，其次為蒙脫石，而不是以石英為主。

表1　試驗用土樣的物理參數指標

表2　試驗用普通水泥和礦渣粉化學組分

表3　試驗用普通水泥和礦渣性能參數

取適量土樣在空氣中風干后碾碎并過篩，除去雜質且保證土樣的均勻。依據表4中水泥、礦渣的摻量進行土樣的均勻混合，混合土中加水攪拌均勻，水量的選擇依據混合土總量的10%、13%、16%、19%以及22%進行稱量，采用靜力壓實成型工藝，壓制尺寸為5 cm×5 cm×5 cm的立方體試件。將成型的試件放置室內進行養(yǎng)護，28 d后進行凍融循環(huán)測試。

2.2試驗方法

將養(yǎng)護完成后的改性生土試件放入低溫控制箱內進行凍結，在-20 ℃的溫度下持續(xù)凍結24 h。凍結完成后立即將改性生土試件放入恒溫箱(設定溫度為20 ℃)中融化24 h，此過程為一次凍融循環(huán)過程。每一組改性生土試件共進行20次凍融循環(huán)并用于抗壓強度的測試。

表4　改性生土材料配方設計表

3　結果與討論

3.1含水率對生土材料抗壓性能的影響

生土材料的抗壓強度在很大程度上受到含水率的影響，過高或過低的含水率都會對生土材料的抗壓強度產生限制。本文對不同含水率下生土材料抗壓強度進行測試，發(fā)現當含水率從10%增加到22%時，生土材料的抗壓強度呈現出先增大后減小的趨勢，在含水率為16%時生土材料的抗壓強度平均值達到1.28 MPa，如圖2。

圖2　不同含水率下生土材料的抗壓強度Fig.2　Compressive strength of earth material under different moisture content

黏土顆粒表面帶電荷，在靜電力的作用下吸附溶液中的水化離子并在其周圍形成反離子層。在黏粒表面吸引力和離子熱運動的作用下，一部分水化離子緊靠黏粒形成固定層，另一部分離黏粒較遠形成擴散層。反離子層的存在能夠通過黏粒表面電荷和水化離子之間的靜電力作用將黏土顆粒進行連結，在一定程度上形成結構并獲得一定的強度。由圖2可以看出，當含水率為10%和13%時，生土材料的抗壓強度不足，這是因為此時存在于生土材料孔隙中的水量不足，水化離子的總量不足以在黏粒表面形成水分子膜，黏粒之間由反離子層提供的結合力很低，導致土顆粒之間無法形成有效粘結；當含水率為16%時，在機械壓力作用下土顆粒間距縮小，土顆粒間存在厚度適當的水分子膜，生土材料展現出塑性狀態(tài)，土顆粒通過粘結力彼此形成相對穩(wěn)定的整體性結構，材料的抗壓強度獲得顯著提升；當含水率達到19%和22%時，黏土顆粒之間存在的水分子膜明顯變厚，在機械壓力作用下土顆粒間因過厚的水分子膜產生相對滑移，土顆粒之間無法形成有效粘結和穩(wěn)定結構，進而影響其抗壓強度。此外當生土試件養(yǎng)護完成后，過高的含水率導致水分蒸發(fā)后材料基體內存在大量的孔隙，進一步制約了生土材料的抗壓強度。

3.2復合改性生土材料抗凍性能分析

在16%最優(yōu)含水率條件下，針對不同水泥、礦渣摻量配方的改性生土材料進行凍融循環(huán)實驗，20次凍融循環(huán)后進行試件的抗壓強度測試，計算復合改性生土材料試件的抗壓強度損失，結果表明水泥和礦渣摻量影響復合改性生土試件的抗凍性能。

3.2.1水泥/礦渣復合改性對生土材料抗凍性能的影響

對不同改性配方下的生土材料試件進行凍融循環(huán)前后的抗壓強度測試并計算凍融循環(huán)后試件的強度損失率，結果表明不同水泥、礦渣摻量下復合改性生土材料試件凍融循環(huán)前后抗壓強度均有不同程度的提升且凍融循環(huán)后試件的強度損失率獲得了不同程度的降低，如圖3。

圖3　復合改性生土材料凍融前后抗壓強度及強度損失Fig.3　Compressive strength and strength loss of stabilized earth material before and after freezing and thawing cycle

在凍融循環(huán)作用下，由于熱脹冷縮作用產生的內部應力作用對生土試件的內部連接和結構進行破壞，宏觀上表現為產生細微的裂紋，造成改性生土試件抗壓強度的降低。圖3顯示未改性生土材料凍融循環(huán)作用后，試件抗壓強度損失率達到54%。采用水泥、礦渣混合材料對生土材料進行改性后，試件在凍融循環(huán)作用后抗壓強度損失率明顯低于未改性生土材料。這是因為當凍融循環(huán)作用時，復合改性生土材料內部由膠凝體粘聚土顆粒所形成的穩(wěn)定結構具備抵御熱脹冷縮產生內應力的能力，降低了材料內部出現的裂紋數量，使復合改性生土材料在凍融循環(huán)作用后依然具有較好的抗壓強度。

本文采用傅里葉紅外光譜分析儀對改性前后生土材料進行定性分析，針對改性前后生土材料抗壓強度的提升機理進行研究。

圖4　傅里葉紅外光譜分析結果(a)生土材料;(b)水泥/礦渣改性生土材料Fig.4　FT-IR test result

圖4(a)為未改性生土材料的紅外光譜分析，圖中3417.30 cm-1處吸收峰屬于H-O-H伸縮振動，表明材料中存在吸附水；1434.53 cm-1，1005.97 cm-1，873.24 cm-1，798.39 cm-1等處出現的吸收峰屬于伊利石、蒙脫石的特征峰，這一結果與前面對土料的礦物組成分析一致。

圖4(b)為復摻水泥-礦渣改性生土材料的紅外光譜分析。由圖可以看出，3400～3500 cm-1和997.00cm-1附近有吸收峰的存在，此范圍內的吸收峰的存在說明水泥-礦渣改性生土材料存在與水化硅酸鈣凝膠相似的產物；1424.00 cm-1、873.34 cm-1和715.82 cm-1處依然存在屬于伊利石和蒙脫石的特征峰，說明生土材料改性后其礦物組成未發(fā)生變化。此外，復摻改性后在1434.53 cm-1的特征峰移向1424.00 cm-1, 873.24 cm-1移向873.34 cm-1，說明在改性材料水化反應作用下生土材料中的黏粒與溶液中存在的陽離子發(fā)生了離子交換作用；吸收峰為水化硅酸鈣的特征峰，進一步證明復合改性生土材料中水泥水化生成了膠凝產物；666.77 cm-1處吸收峰為SiO42-基團彎曲振動特征峰，說明水泥水化過程中有一定量的石膏產生。

通過對改性生土材料進行紅外光譜分析，可知水泥/礦渣復合改性生土材料通過水化作用產生不溶于水的膠凝產物，其膠凝產物對土顆粒的包裹作用以及對結構孔隙的填充作用使得復合改性生土材料抗壓強度得到了顯著地提升。此外，水化膠凝產物與土顆粒形成整體性結構，能夠降低凍融循環(huán)作用時膨脹收縮產生的應力對生土材料內部結構的侵害，降低強度損失。

3.2.2水泥摻量對復合改性生土材料抗凍性能的影響

圖5為礦渣摻量為10%條件下，不同水泥摻量復合改性生土材料的抗壓強度和強度損失率。由圖可以看出，隨著水泥摻量的增加，改性生土材料凍融前抗壓強度均呈現出增長的趨勢，凍融循環(huán)作用后材料的強度損失率逐漸降低。這是因為隨著水泥摻量的增加，能夠產生更多的水化膠凝產物，與此同時生成的Ca(OH)2能夠為礦渣提供足夠的(OH)-，使得礦渣完成玻璃體的分解和礦渣的水化作用，產生水化硅酸鈣凝膠。水化生成的膠凝產物越多，土顆粒被包裹的越緊密，彼此之間的連接作用越明顯，原本相互獨立的土顆粒在膠凝產物的作用下團聚在一起，形成一種穩(wěn)定的結構形態(tài)，這種穩(wěn)定結構的形成使改性生土材料的抗壓強度得到了顯著提升。此外，密實的微觀結構能夠抵御冷熱交替所帶來的應力作用，降低凍融循環(huán)作用所引起的強度損失。因此，水泥摻量越多，改性生土材料中水化生成的膠凝材料越多，改性生土材料內部越致密，結構越穩(wěn)定，抗壓強度越高，抗凍融性能越強。

圖5　礦渣摻量為10%時，不同水泥摻量對抗凍性能的影響Fig.5　Influence of cement dosage on freezing-thawing durability when slag dosage is 10%

圖6為不同水泥摻量下復合改性生土材料的微觀形貌，由于本文僅關注不同水泥摻量下改性生土材料存在的微觀形貌差異，因此僅對3%、5%和7%水泥摻量下改性生土材料進行了掃描電鏡拍攝。由圖6可以看出，不同水泥摻量復合改性生土材料的微觀形貌存在明顯的差異。當水泥摻量為3%時(圖a)，由于水泥摻量較少，其水化生成的膠凝產物和Ca(OH)2較少，制約了礦渣玻璃體結構分解和水化。因此，圖a顯示出土顆粒被膠凝產物包裹并在一定程度上呈現出堆積的狀態(tài)，但是此時膠凝產物不足，導致土顆粒被包裹的不夠充分，可以看到有片層狀結構的物質裸露在外，證明此時水泥摻量不足；當水泥摻量為5%時(圖b)，隨著水泥摻量的增加，水化產物增多，礦渣的水化更加充分，膠凝產物開始將更多的土顆粒包裹進膠凝體中，此時裸露在外的片層狀土顆粒明顯減少，土顆粒被膠凝體充分包裹并形成一個整體，使得此時的生土材料抗壓強度及抗凍融性能較3%水泥摻量時有了一定的提升；當水泥摻量為7%時(圖c)，水泥水化產物的繼續(xù)增加，使得土顆粒全方位地被膠凝體所包裹，土顆粒表面已經幾乎看不到裸露的片層狀結構，而是形成一個質地均勻、表面平整的結構，說明土顆粒已經成了一種穩(wěn)定的結構，此時復合改性生土材料抗壓強度及抗凍融性能獲得了顯著的提升。

圖6　不同水泥摻量下生土材料微觀形貌(a)3%;(b)5%;(c)7%Fig.6　Microstructure of earth material under different cement contents

3.2.3礦渣摻量對復合改性生土材料抗凍性能的影響

圖7　水泥摻量為5%時，不同礦渣摻量對抗凍性能的影響Fig.7　Influence of slag dosage on freezing-thawing durability when cement dosage is 5%

圖7為水泥摻量為5%時，不同礦渣摻量下復合改性生土材料抗壓強度及凍融循環(huán)強度損失。由圖可以看出，隨著礦渣摻量的增加，復合改性生土材料抗壓強度逐漸提升且凍融循環(huán)強度損失逐漸減小。這是因為水泥水化生成一定量Ca(OH)2，形成一定的堿性環(huán)境，更多的礦渣被激發(fā)出活性后，能夠產生更多的水化膠凝產物。此時復合改性材料的抗壓強度提升效果更加顯著，抵御凍融循環(huán)作用的能力也越強，凍融循環(huán)強度損失越少。

圖8為礦渣摻量為5%、10%和15%條件下復合改性生土材料的掃描電鏡照片，以分析不同礦渣摻量下改性生土材料的微觀形貌差異。當礦渣摻量為5%時，水泥水化生成的膠凝產物對土顆粒進行包裹和連接。此時，少量的礦渣被堿性環(huán)境激發(fā)活性并生成膠凝產物，這部分膠凝體對生土材料進一步包裹和填充，但此時材料的表面仍然可以看到一些“凹陷”。當礦渣摻量為10%時，更多的礦渣被激發(fā)，從掃描電鏡照片上看，此時生土材料表面“凹陷”明顯減少，結構更加致密，因此材料的抗壓強度較5%礦渣摻量為更高。當礦渣摻量增加至15%時，土顆粒被膠凝產物完全包裹，材料表面凹陷進一步減少，材料的微觀結構光滑且飽滿，結構密實度得到進一步提升，此時材料的抗壓強度和抗凍性得到進一步增強。

圖8　不同礦渣摻量下生土材料微觀形貌(a)5%;(b)10%;(c)15%Fig.8　Microstructure of earth material under different slag contents

4　結　論

通過復摻水泥和礦渣對生土材料進行改性，在凍融循環(huán)作用前后對復合改性生土材料進行抗壓強度測試，利用傅里葉紅外光譜分析和掃描電鏡對材料的性能差異和改性機理進行微觀分析，得到以下結論：

(1)對生土材料進行水泥/礦渣復合改性，能夠顯著提升凍融循環(huán)作用前后生土材料的抗壓強度。這是因為復合改性材料的水化膠凝產物對生土具有包裹作用和填充作用。此外，由于膠凝產物彼此相連形成相對穩(wěn)定的結構，能夠抵御凍融循環(huán)作用在材料內部產生的應力，使得生土材料的抗凍性能得到提升；

(2)在一定礦渣摻量下，水泥摻量的增加能夠有效提升復合改性生土材料的抗壓強度，減少凍融循環(huán)作用下的強度損失率。這是因為水泥摻量的增大，能夠增加水化膠凝產物的產生，更多的Ca(OH)2激發(fā)出礦渣的活性，土體被膠凝體的包裹和填充作用更加明顯，從而形成一個質地均勻、表面平整的結構，復合改性生土材料抗壓強度及抗凍融性能也獲得了顯著的提升；

(3)當水泥摻量一定時，復合改性生土材料的抗壓強度隨礦渣摻量的增加而提升，凍融循環(huán)強度損失率隨之減少。這是因為在水泥水化生成的堿性環(huán)境中，更多的礦渣被激發(fā)并生成膠凝產物，使得生土材料表面凹陷和孔洞明顯減少，結構更加致密、飽滿，材料的抗壓強度和抗凍性得到提升。

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Strength Characteristic of Stabilized Earth Material under Freezing and Thawing Cycle

ZHANGLei1,YANGLiu1,MAXiang-long2,HEJian-tao1,ZHUSan-pu1

(1.College of Architecture,Xi'an University of Architecture & Technology,Xi'an 710055,China;2.College of Materials & Mineral Resources,Xi'an University of Architecture & Technology,Xi'an 710055,China)

Earth material have defects of mechanical property and freezing-thawing durability, freezing-thawing durability of stabilized earth material with both cement and slag was analyzed. The mechanism of freezing-thawing durability improvement was studied by FT-IR and SEM, the influence of dosage of cement and slag on freezing-thawing durability was analyzed. The results show that compared to soil, the compressive strength of stabilized earth materials were improved observably before and after freezing and thawing cycle. In addition, the compressive strength of stabilized earth material was improved with the increasing of dosage of cement and slag, losses of strength after freezing and thawing cycle were reduced.

freezing and thawing cycle;stabilized earth material;compressive strength;loss of strength

國家杰出青年基金項目(51325803)

張磊(1987-)，男，博士研究生.主要從事生土建筑室內熱環(huán)境方面的研究.

楊柳，博士，教授，博士生導師.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2094-07