改性材料對(duì)生土物理力學(xué)性能的影響及作用機(jī)理

余海燕，程海平，石峻堯，任亞楠，楊久俊

(天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津　300384)

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改性材料對(duì)生土物理力學(xué)性能的影響及作用機(jī)理

余海燕，程海平，石峻堯，任亞楠，楊久俊

(天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384)

生土材料強(qiáng)度低、耐水性差的缺點(diǎn)限制其在生土建筑中的應(yīng)用，為滿足現(xiàn)代生土建筑的要求，有必要對(duì)生土的改性進(jìn)行深入的研究。本文主要研究了水泥、礦渣、粉煤灰和水玻璃對(duì)改性生土力學(xué)性能及耐久性的影響，并通過(guò)XRD、SEM等微觀分析，探究了改性材料的作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)m(生土)∶m(礦渣)∶m(砂)∶m(激活劑)∶m(減水劑)=0.6∶0.2∶0.2∶0.01∶0.01，在水料比為0.15時(shí)，制備出的生土改性材料，其強(qiáng)度達(dá)到了25.3 MPa，軟化系數(shù)為0.89，凍融系數(shù)為0.85。

生土； 改性材料； 力學(xué)性能； 軟化系數(shù)

1　引　言

生土是人類(lèi)最早使用的建筑材料之一[1-3]，因其具有保溫隔熱、可循環(huán)利用、取材廣泛、施工技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用[4]，甚至到現(xiàn)在，這種古老的建筑材料仍具有強(qiáng)大的生命力[5-7]，資料顯示[8]現(xiàn)在世界上約有1/3的人口仍居住在生土建筑中。但生土材料強(qiáng)度低、耐水性差等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到限制[9,10]。因此，如何提高生土材料的強(qiáng)度和耐水性，延長(zhǎng)生土建筑的使用年限，成為生土材料研究的熱點(diǎn)之一[11-14]。

Jayasinghe等[15]在紅壤土中摻加不少于6.0%的水泥，改性后生土的抗壓強(qiáng)度提高了1～2倍。Degirmenci[16]利用磷石膏和天然石膏對(duì)生土磚進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)改性后生土磚的28 d抗壓強(qiáng)度提高了4倍，其抗折強(qiáng)度和干收縮性能也得到提高。韓曉雷等[17]利用石灰對(duì)生土進(jìn)行了改性，按灰比土為3∶7的比例配制灰土，采取夯實(shí)成型，自然養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度為1 MPa。錢(qián)覺(jué)時(shí)等[18]利用脫硫石膏、粉煤灰等電廠廢料作為生土的改性材料，改性后生土材料抗壓強(qiáng)度提高2～4倍，抗折強(qiáng)度超過(guò)1.0 MPa，相比傳統(tǒng)生土材料提高1倍，干燥收縮顯著降低，耐水性和耐候性均有較大提升。周鐵鋼等[19]利用石膏改性土建造的墻體不僅具有較好的物理力學(xué)性能，同時(shí)也具有良好的抗震性能。

上述改性的生土材料可以滿足墻體材料的性能要求，是良好的生態(tài)建筑材料。本文主要通過(guò)對(duì)生土材料進(jìn)行深度改性，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度及耐水性，以期滿足生土建筑使用的要求。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原材料

黃土：取自陜西綏德縣，其由XRF及XRD測(cè)得的化學(xué)組成及礦物如表1和圖1所示。從表1和圖1可以看出黃土的主要化學(xué)成分包括SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3等，其礦物組成主要是α-SiO2、鈉長(zhǎng)石、葉臘石和方解石等；

圖1　西北黃土和礦渣的XRD圖譜Fig.1　XRD pattern of the raw-soil and slag

水泥：所用的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥來(lái)自天津振興水泥有限公司；

減水劑：天津飛龍混凝土減水劑廠生產(chǎn)的聚羧酸減水劑；

自制激活劑：其主要成分為硫鋁酸鹽和氧化鈣的燒結(jié)物；

礦渣：唐山市京東粒化高爐礦渣粉廠生產(chǎn)的S95級(jí)活性礦粉，其由XRF及XRD測(cè)得的化學(xué)組成及礦物如表2和圖1所示。從表2和圖1可以看出，其化學(xué)成分主要包括Al2O3、SiO2和CaO等，其礦物組成主要是大量的無(wú)定型活性物質(zhì)；

粉煤灰：來(lái)自天津市圣得威商貿(mào)有限公司；

水玻璃：來(lái)自保定市潤(rùn)豐實(shí)業(yè)有限公司，模數(shù)為1.5。

表1生土化學(xué)組成

Tab.1Chemical composition of raw-soil/%

SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOK2ONa2OCO2Others50.312.19.84.22.73.51.715.21.5

表2礦渣化學(xué)成分

Tab.2Chemical composition of slag/%

Al2O3SiO2Fe2O3CaOCO2MgOOthers12.724.71.239.88.47.65.6

2.2試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用材料的配合比如表3和表4所示。

2.3試驗(yàn)方法及主要實(shí)驗(yàn)儀器

強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行。

軟化系數(shù)測(cè)定是將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試塊，浸泡在水中1 d，在飽和面干狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；K=f/F，K為材料的軟化系數(shù)；f為材料在水飽和狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；F為材料在干燥狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa。凍融系數(shù)測(cè)定：將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試塊放入TDR-1型混凝土快速凍融裝置(工作溫度-20～10 ℃)中凍融循環(huán)30次；凍融系數(shù)=凍后壓強(qiáng)/凍前壓強(qiáng)。

X射線熒光光譜儀：日本RIGAKU公司生產(chǎn)的D/MAX-2500 PC型射線熒光光譜儀。

X射線衍射儀：日本RIGAKU公司生產(chǎn)的D/MAX-2500 PCX型射線衍射儀。

場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡：日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-7800F型場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡。

表3單摻改性劑的試驗(yàn)配合比

Tab.3Test mixure of the single-doped modifier

編號(hào)土水泥礦渣粉煤灰砂激活劑減水劑水料比T10.80000.20.010.010.15T20.70.1000.20.010.010.15T30.650.15000.20.010.010.15T40.60.2000.20.010.010.15T50.700.100.20.010.010.15T60.6500.1500.20.010.010.15T70.600.200.20.010.010.15T80.7000.10.20.010.010.15T90.65000.150.20.010.010.15T100.6000.20.20.010.010.15

表4復(fù)摻改性劑的試驗(yàn)配合比

Tab.4Test mixure of the admixed modifiers

編號(hào)土水泥礦渣粉煤灰水玻璃砂激活劑減水劑水料比S10.60.150.05000.20.010.010.15S20.60.130.07000.20.010.010.15S30.60.10.1000.20.010.010.15S40.60.070.13000.20.010.010.15S50.60.050.15000.20.010.010.15S60.60.1500.0500.20.010.010.15S70.60.1300.0700.20.010.010.15S80.60.100.100.20.010.010.15S90.60.0700.1300.20.010.010.15S100.60.0500.1500.20.010.010.15S110.700.100.0360.20.010.010.15S120.6500.1500.0360.20.010.010.15S130.600.200.0360.20.010.010.15

3　結(jié)果與討論

3.1單摻改性材料對(duì)生土性能的影響

按照表3的試驗(yàn)配合比，分別以水泥、礦渣和粉煤灰作為改性材料對(duì)生土進(jìn)行改性，改性材料的摻量分別為10%、15%和20%，改性生土材料的28 d強(qiáng)度、軟化系數(shù)及抗凍性如圖2所示。

由圖2a可知，隨著改性材料摻量的增加，改性生土材料的抗壓強(qiáng)度顯著提高。其中，水泥摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度分別為19.4 MPa、27.6 MPa和35.9 MPa，分別提高了397%、608%和821%；礦渣摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度分別為16.9 MPa、21.4 MPa和25.3 MPa，分別提高了333%、448%和549%；粉煤灰摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度分別為5.2 MPa、8.1 MPa和14.6 MPa，分別提高了33%、108%和274%。比較三種改性材料的改性效果，在相同摻量的條件下，水泥的效果最好，礦渣次之，粉煤灰的效果最差。產(chǎn)生這種效果的原因是水泥水化的水化物以及礦渣和粉煤灰在激活劑作用下的水化物主要是水化硅酸鈣凝膠及水化鋁酸鈣等，其具有很大的比表面積，可以將粘土顆粒膠結(jié)在一起，從而提高生土材料的強(qiáng)度。對(duì)于28 d齡期，水泥、礦渣、粉煤灰的水化程度有差異，生成的水化物的量有所不同，因此，三者的改性效果也存在差異，以水化程度較高的水泥改性效果最好。圖2b所示的改性材料對(duì)生土28 d抗折強(qiáng)度的影響與其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響一致。

由圖2c可知，隨著改性材料摻量的增加，改性生土材料的軟化系數(shù)逐漸提高。其中，水泥摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊軟化系數(shù)分別為0.85、0.91和0.96；礦渣摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊軟化系數(shù)分別為0.76、0.82和0.89；粉煤灰摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊軟化系數(shù)分別為0.63、0.74和0.79。與不摻改性材料的生土試塊遇水潰散相比，改性生土材料耐水性高的主要原因是改性材料水化生成了耐水性較強(qiáng)的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，其在生土材料中起骨架作用，并將土顆粒粘結(jié)在一起，使其具有較好的耐水性。

由圖2d可知，隨著改性材料摻量的增加，改性生土材料的凍融系數(shù)逐漸提高。其中，水泥摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊凍融系數(shù)分別為0.8、0.89和0.92；礦渣摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊凍融系數(shù)分別為0.7、0.79和0.85；粉煤灰摻量為10%、15%和20%時(shí)，試塊凍融系數(shù)分別為0.55、0.64和0.71。與不摻改性材料的生土試塊完全不抗凍相比，改性生土材料抗凍性高的主要原因是改性材料的水化物不僅提高了試塊的強(qiáng)度，同時(shí)也提高其耐水性，因此受凍融循環(huán)作用時(shí)試件抗冰凍破壞的能力提高。

圖2　單摻改性材料對(duì)生土性能的影響(a、b)單摻改性材料對(duì)生土28 d抗壓、抗折強(qiáng)度的影響; (c、d)單摻改性材料對(duì)生土軟化系數(shù)、凍融系數(shù)的影響

3.2復(fù)摻改性材料對(duì)生土性能的影響

按照表3的試驗(yàn)配合比，分別以水泥和礦渣、水泥和粉煤灰復(fù)摻作為改性材料對(duì)生土進(jìn)行改性，改性材料總摻量為20%，水泥:礦渣(粉煤灰)分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3，即S1(S6)、S2(S7)、S3(S8)、S4(S9)和S5(S10)，改性后生土材料的28 d抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)及抗凍性如圖3所示。

由3a可知，相同比例的摻量下，復(fù)摻水泥和礦渣的S1、S2、S3、S4和S5比復(fù)摻水泥和粉煤灰S6、S7、S8、S9和S10抗壓強(qiáng)度分別提高了15%、33%、41%、67%和92%，比較兩種復(fù)摻改性材料的改性效果，復(fù)摻水泥和礦渣較好。

由3c可知，相同比例的摻量下，復(fù)摻水泥和礦渣的S1、S2、S3、S4和S5比復(fù)摻水泥和粉煤灰S6、S7、S8、S9和S10軟化系數(shù)分別提高了2.1%、2.7%、3.2%、3.6%和4.0%；由4d可知，相同比例的摻量下，S1、S2、S3、S4和S5比復(fù)摻水泥和粉煤灰S6、S7、S8、S9和S10凍融系數(shù)分別提高了3.3%、5.1%、6.4%、7.5%和8.8%，礦渣在激活劑的作用下，水化更加充分，生成膠凝性物質(zhì)，并膠結(jié)生土顆粒，填充空隙。

圖3　復(fù)摻改性材料對(duì)生土性能的影響(a、b)復(fù)摻改性材料對(duì)生土28 d抗壓、抗折強(qiáng)度的影響;(c、d)復(fù)摻改性材料對(duì)生土軟化系數(shù)、凍融系數(shù)的影響Fig.3　Admixed modified materials impacting on performance of raw-soil

比較單摻與復(fù)摻的改性效果，水泥部分取代礦渣或粉煤灰的復(fù)摻較單摻礦渣或粉煤灰的改性效果稍好；但是，考慮到在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益，單摻20%礦渣(T7)的效果最佳，其28 d抗壓強(qiáng)度為25.3 MPa，軟化系數(shù)為0.89，凍融系數(shù)為0.85。

3.3水玻璃對(duì)礦渣改性土性能的影響

按照表4的試驗(yàn)配合比，分別以礦渣、水玻璃作為改性材料對(duì)生土進(jìn)行改性，礦渣的摻量分別為10%、15%和20%，并摻入一定量的水玻璃，改性生土材料的28 d強(qiáng)度、軟化系數(shù)及抗凍性如圖4所示。

由圖4a可知，比較S11、S12、S13與T5、T6、T7的抗壓強(qiáng)度，摻入水玻璃后，其抗壓強(qiáng)度分別提高了8%、11%和41%；由4c可知，比較S11、S12、S13與T5、T6、T7的軟化系數(shù)，摻入水玻璃后，其軟化系數(shù)分別提高了6%、4%和3%。由4(d)可知，比較S11、S12、S13與T5、T6、T7的凍融系數(shù)，摻入水玻璃后，其凍融系數(shù)分別提高了4%、4%和9%。

首先水玻璃[20]水解生成Si(OH)4，并有大量的OH-進(jìn)入漿體并擴(kuò)散到礦渣表面，加速了激活劑對(duì)礦渣玻璃體中的Si-O和Al-O鍵的斷鍵作用，相同齡期內(nèi)生成了較多的水化物；此外，水玻璃失水固結(jié)生成具有一定膠凝性的硅膠，強(qiáng)化了凝膠物對(duì)土顆粒的粘結(jié)作用，表現(xiàn)為試件強(qiáng)度的大幅提升。但由于生成的硅膠抗水性較差，因此試件的軟化系數(shù)以及抗凍系數(shù)的增加幅度沒(méi)有強(qiáng)度增加得多。

圖4　水玻璃對(duì)礦渣改性土性能的影響(a、b)水玻璃對(duì)礦渣改性土28 d抗壓、抗折強(qiáng)度的影響;(c、d)水玻璃對(duì)礦渣改性土軟化系數(shù)、凍融系數(shù)的影響Fig.4　Sodium silicate impacting on performance of slag modified soil

在礦渣中摻入一定量的水玻璃，可使改性后生土材料的強(qiáng)度有所提高，但提高的幅度并不明顯，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中沒(méi)必要再摻加水玻璃作為激活劑。

3.4生土改性機(jī)理

改性材料對(duì)生土的改性效果與其改性后生成的產(chǎn)物及其產(chǎn)物存在的形式有關(guān)，分別對(duì)改性生土材料進(jìn)行XRD、SEM分析，以期探索出生土材料改性后其礦物成分與礦物形貌之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　改性材料的XRD圖譜(a)單摻改性材料XRD；(b)復(fù)摻改性生土的XRD Fig.5　XRD patterns of the modified materials

圖6　改性生土的掃描電鏡圖片(a)生土；(b)20%水泥(激發(fā)劑)；(c)20%礦渣(激發(fā)劑)；(d)20%粉煤灰(激發(fā)劑)；(e)20%礦渣+水玻璃(激發(fā)劑)；(f)20%(水泥∶礦渣=1∶1)(激發(fā)劑);(g)20%(水泥∶粉煤灰=1∶1)(激發(fā)劑)Fig.6　SEM images of the modified raw-soil

由圖5和圖6可知，未經(jīng)改性處理的生土結(jié)構(gòu)疏松，顆粒與顆粒之間存在著較大的空隙；而摻有改性材料的樣品結(jié)構(gòu)致密，改性材料(尤其是礦渣和粉煤灰)在激活劑的作用下可生成大量的膠凝性物質(zhì)，激活劑的主要成分是硫酸鹽和氧化鈣的混合物，激活劑可促使礦渣和粉煤灰中更多的的Si-O和Al-O鍵斷裂，從而生成了更多的膠凝性物質(zhì)，同時(shí)，激活劑本身參與反應(yīng)后，也可生成膠凝性物質(zhì)；因此，土顆粒的表面被水化生成的絮凝狀或網(wǎng)狀C-S-H凝膠、針棒狀的鈣礬石等水化物所包裹，這些水化物通過(guò)交叉與連接形成了改性土質(zhì)材料的骨架，并將土顆粒牢牢地粘結(jié)[21-24]在一起，使改性土的強(qiáng)度有很大的提升；同時(shí)水化物的包裹，一方面使生土中粘土礦物吸水后層間距離的增加受到限制，阻礙其膨脹[25]；另一方面，使水分不宜滲透到土顆粒的表面，從而提高了土質(zhì)材料的抗水性及抗凍性[26-30]。對(duì)于水化齡期為28 d的試件來(lái)講，水泥的水化程度最高，生成的水化物最多，改性土的結(jié)構(gòu)最致密，其強(qiáng)度與耐久性最好；而礦渣改性土的結(jié)構(gòu)較水泥改性土稍差一些，但比粉煤灰改性土的結(jié)構(gòu)致密得多，因此其宏觀性能介于二者之間。

4　結(jié)　論

(1)在生土中摻入水泥、礦渣、粉煤灰等材料可以提高生土材料的力學(xué)性能及耐久性，并且隨著摻量的增加改性效果更明顯；

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)摻比單摻的改性效果好，但從綜合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮，單摻礦渣(S7)效果較好，即生土、礦渣、砂、激活劑、減水劑、水的質(zhì)量比為0.6∶0.2∶0.2∶0.01∶0.01∶0.15時(shí)為最佳配合比；由此制備出的生土改性材料的強(qiáng)度為25.3 MPa，軟化系數(shù)為0.89，凍融系數(shù)為0.85；

(3)改性材料對(duì)生土改性的機(jī)理是由于改性材料在激活劑的作用下生成大量的水化物，增強(qiáng)了粘土顆粒間的作用力，提高了試件的密實(shí)性，從而使改性生土具有較高的強(qiáng)度及耐久性。

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Effect of Modified Agent on the Physical and Mechanical Properties of Raw-soil and Its Action Mechanism

YUHai-yan,CHENGHai-ping,SHIJun-yao,RENYa-nan,YANGJiu-jun

(School of Materials Science and Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China)

The shortcomings of raw-soil material are low strength and poor water resistance, which limits its application in the raw-soil buildings. In order to meet the requirement of modern raw-soil buildings, the modification of the raw-soil need to do more research. This paper studied the influence of the cement, slag ,fly ash and sodium silicate on the mechanics performance and durability of modified raw-soil and explored the mechanism of modified materials by the microscopic analysis of XRD and SEM. The testing results showed that when the mix ratio of raw-soil, slag, sand, activator, water reducing agent is 0.6∶0.2∶0.2∶0.01∶0.01 and water to binder ratio is 0.15, the strength, softening coefficient and coefficient of freezing and thawing of modified raw-soil can reach to 25.3 MPa, 0.89 and 0.85, respectively.

raw-soil;modified material;mechanical property;softening coefficient

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

余海燕(1971-)，男，博士，副教授.主要從事水泥基材料方面的研究.

TU521

A

1001-1625(2016)05-1443-07