夯土墻體材料改性研究

王光月　曲烈　劉志華　王麗娜　王超　張文妍

摘 要：文章以陜西黃土為主要原料，分別選擇水泥、石灰為無機(jī)改性劑，糊化淀粉和稻草纖維作為有機(jī)改性劑，測(cè)試了改性前后夯土墻體材料的抗壓強(qiáng)度變化，分析了不同改性劑對(duì)夯土墻體材料強(qiáng)度的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，單摻水泥、復(fù)摻水泥-石灰和單摻糊化淀粉、復(fù)摻糊化淀粉-稻草纖維都能夠?qū)煌翂w材料的強(qiáng)度有增強(qiáng)作用。

關(guān)鍵詞：夯土；水泥；石灰；糊化淀粉；稻草纖維

生土材料具有取材方便，造價(jià)低廉，熱工性能好，可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，是生態(tài)型建筑材料，為居住空間創(chuàng)造了舒適環(huán)境。夯土是一種具有悠久歷史且應(yīng)用廣泛的生土建造方式，隨著生土材料的生態(tài)優(yōu)越性在當(dāng)今建筑領(lǐng)域的日益顯現(xiàn)，關(guān)于夯土建筑的研究，包括建造技術(shù)的工程應(yīng)用研究，及其生土材料的性能研究已上升到科學(xué)層面。但是生土材料自身強(qiáng)度較低、耐水性差、體積穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，限制了生土材料在生活中的應(yīng)用。

抗壓強(qiáng)度是夯土材料應(yīng)用中最重要的力學(xué)性能之一，提高夯土材料的抗壓強(qiáng)度，不僅可用于低層建筑民居，而且可以滿足兩層及多層建筑居住的需要，因此，在土木工程領(lǐng)域，世界各國(guó)都在致力于提高夯土抗壓強(qiáng)度的研究與實(shí)踐。

文章選擇常見的無機(jī)改性劑水泥、石灰和有機(jī)改性劑糊化淀粉、稻草纖維對(duì)生土材料進(jìn)行了改性試驗(yàn)研究，對(duì)比無機(jī)和有機(jī)改性劑對(duì)夯土墻體材料強(qiáng)度的影響，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，為生土材料的改性研究提供科學(xué)參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)生土選擇陜西黃土，水泥為天津振興水泥廠生產(chǎn)提供的42.5強(qiáng)度等級(jí)普通硅酸鹽水泥，石灰由天津市三江科技有限公司購買，糊化淀粉為市場(chǎng)購買紅薯糊化淀粉，稻草纖維取自天津當(dāng)?shù)剞r(nóng)村，試驗(yàn)用水為普通自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在生土中添加改性劑，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了單摻和復(fù)摻兩種方式，并設(shè)計(jì)素土組作為對(duì)照組。將按配比計(jì)算稱量的生土加入部分水?dāng)嚢杈鶆?，陳?4小時(shí)后使用，改性劑在夯擊前按設(shè)計(jì)配方現(xiàn)用現(xiàn)加。夯擊成型的試塊脫模后需養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間。有機(jī)組在自然條件下養(yǎng)護(hù)至干燥狀態(tài)，即三次稱量顯示為恒重即可；無機(jī)組在標(biāo)養(yǎng)（20℃±2℃、相對(duì)濕度95%以上）條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測(cè)量其7天、14天的強(qiáng)度。

為了確定無機(jī)和有機(jī)改性劑在不同水固比條件下對(duì)夯土材料性能的影響，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)不同水固比進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別為0.08、0.1、0.12、0.14。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同改性劑對(duì)夯土強(qiáng)度的影響

摻加不同含量的有機(jī)和無機(jī)改性劑對(duì)夯土強(qiáng)度影響如圖2-1、2-2所示。從圖中可以看出，在生土中摻加無機(jī)改性劑和有機(jī)改性劑都能夠在一定程度上提高夯土的強(qiáng)度，無機(jī)改性劑的增強(qiáng)效果更好。在單摻情況下，無機(jī)組水泥摻量為10%時(shí)夯土強(qiáng)度達(dá)到8.1MPa，而素土強(qiáng)度為2.2MPa，強(qiáng)度提高近4倍；有機(jī)組糊化淀粉摻量為2%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到5.9MPa，素土強(qiáng)度為2.4MPa，強(qiáng)度也提高了2倍多。在復(fù)摻情況下，無機(jī)組水泥與石灰復(fù)摻強(qiáng)度表現(xiàn)并沒有單摻水泥效果好，在10%水泥+6%石灰情況下，強(qiáng)度最高為6.4MPa，與對(duì)照組相比提高近3倍，當(dāng)石灰摻量增加到8%時(shí)，強(qiáng)度反而大幅下降，只有3.5MPa，說明石灰與水泥復(fù)摻時(shí)，石灰摻量并不是越多越好，需要限制在一定的范圍之內(nèi)；有機(jī)組2%糊化淀粉+2%纖維時(shí)強(qiáng)度為6.0MPa，稍高于單摻糊化淀粉組，單摻纖維對(duì)夯土強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)并不大，最高只能達(dá)到2.8MPa，但是通過與糊化淀粉復(fù)摻后，整體強(qiáng)度有了明顯提高，而纖維本身具有韌性，與生土材料之間的拉結(jié)作用能夠有效地抵消部分剪切應(yīng)力，同時(shí)可以增強(qiáng)夯土組合材料中的骨架結(jié)構(gòu)，在提高夯土墻體的整體性和減小土體干縮方面有很重要的意義。

2.2 不同水固比對(duì)改性夯土強(qiáng)度的影響

不同水固比對(duì)夯土強(qiáng)度的影響如圖2-3、2-4所示。從圖中可以看出，隨水固比的增大，無機(jī)改性劑在水固比為0.12時(shí)強(qiáng)度最高，可達(dá)到6.4MPa，隨水固比的進(jìn)一步增大，強(qiáng)度有所降低；有機(jī)改性劑在水固比為0.1時(shí)強(qiáng)度較高，為5.9MPa，而水固比繼續(xù)增大，強(qiáng)度下降明顯。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)水固比為0.14時(shí)，原材料在攪拌時(shí)狀態(tài)較濕，夯筑成功后不易脫模，粘壁情況嚴(yán)重，制好的試塊在養(yǎng)護(hù)階段易產(chǎn)生較多的裂縫，測(cè)得強(qiáng)度值也不夠理想。由于水泥在水化過程中需要更多的水分參與反應(yīng)，所以在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中顯示需要的水固比要高于有機(jī)組。

2.3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改性夯土強(qiáng)度的影響

養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)不同水泥摻量夯土強(qiáng)度的影響如圖2-5所示?？梢钥闯?，不同水泥摻量的夯土材料隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，強(qiáng)度也在增加，水泥摻量為15%時(shí)，7天強(qiáng)度為6.7MPa，14天強(qiáng)度達(dá)到8.0MPa，而水泥摻量為10%時(shí)，7天強(qiáng)度為6.4MPa，14天強(qiáng)度為8.1MPa。早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，14天強(qiáng)度增長(zhǎng)速度有所減慢，但仍繼續(xù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.4 改性機(jī)理分析

不同改性夯土試塊的SEM照片如圖所示。從圖2-6（a）可以看出，素土表面由多個(gè)大小形狀不一的土顆粒無序排列而成，土粒間空隙較大，呈疏松而分散狀；經(jīng)糊化淀粉改性后的表面，如圖2-6（b），由于糊化淀粉的粘結(jié)性，夯擊后土顆粒間緊密的粘接在一起，有堵塞孔隙的作用，硬化后有較好的黏結(jié)力，使土粒之間連接成整體，改善夯土試塊的強(qiáng)度；在生土材料中添加水泥膠凝材料后，如圖2-6（c），可以看到制品表面生成較多針棒狀的鈣礬石水化產(chǎn)物，大量的填充在土顆粒的空隙之間，水化硬化后形成水泥石骨架，使改性夯土試塊的強(qiáng)度大大提高；在生土材料中復(fù)摻入水泥和石灰，與水混合后，由于石灰具有較好的吸水性，使得水泥水化過程受到限制，如圖2-6（d）所示，水化生成的鈣礬石與圖2-6（c）相比較少而且更細(xì)小，土顆粒間的空隙只能達(dá)到部分填充，與實(shí)驗(yàn)組強(qiáng)度降低結(jié)果相吻合，建議當(dāng)摻入石灰時(shí)可以適當(dāng)提高水固比效果會(huì)有所改善。

3 結(jié)語

在生土中摻加不同的改性劑，都可以提高夯土材料的強(qiáng)度，無機(jī)改性劑對(duì)夯土強(qiáng)度的增強(qiáng)程度大于有機(jī)改性劑。當(dāng)水泥摻量為10%時(shí)，強(qiáng)度最高可達(dá)到8.1MPa，而糊化淀粉摻量為2%時(shí)，夯土強(qiáng)度為5.9MPa。

相同含量的改性劑，在不同水固比條件下，對(duì)夯土材料的強(qiáng)度也有一定的影響，無機(jī)改性劑需水量略大于有機(jī)改性劑。

隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，夯土材料的強(qiáng)度也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，14天強(qiáng)度增長(zhǎng)速度有所減慢，但是強(qiáng)度仍然繼續(xù)增大。

參考文獻(xiàn)

[1] 張波.漢中農(nóng)村夯土民居墻體材料綠色改性研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（19）：11615-11617.

[2] 林挺，張?chǎng)?粘土“混凝土”—生土材料與夯土建造[J].建筑技藝，2013（03）：238-242.

[3] 尚建麗.傳統(tǒng)夯土民居生態(tài)建筑材料體系的優(yōu)化研究[J].西安建筑科技大學(xué)，2005：179.