自密實(shí)生土材料制備及力學(xué)性能的研究

□文/劉志華 曲烈 劉剛 王超 張文研 康茹茹 李園楓

自密實(shí)生土材料制備及力學(xué)性能的研究

□文/劉志華 曲烈 劉剛 王超 張文研 康茹茹 李園楓

采用黃土為原材料，研究了自密實(shí)生土材料配方、制備及其性能。結(jié)果表明，自密實(shí)生土材料的最優(yōu)配比為生土40%、水泥12%、礦粉8%、砂30%、碎石10%，水固比0.45，聚羧酸減水劑1.0%，生土材料坍落度可達(dá)21.5 cm，14 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)6.5 MPa。自密實(shí)生土材料流動(dòng)性的主要影響因素是水膠比、減水劑和砂石摻量；當(dāng)增加砂石摻量時(shí)，相當(dāng)增加了材料中水的含量并使其流動(dòng)性增加，原因是砂石低于生土吸水率；生土材料的流動(dòng)性與抗壓強(qiáng)度沒有直接的線性關(guān)系。

自密實(shí)；生土材料；制備；力學(xué)性能

目前，我國(guó)遍布的生土建筑，孕育了當(dāng)?shù)氐奈幕?。因?yàn)楦鞯貤l件和環(huán)境的不同，形成各具特色的生土建筑。盡管生土材料有很多優(yōu)良的特性，但缺點(diǎn)也很明顯。如何改善生土材料性能，將其潛在的應(yīng)用潛力發(fā)掘出來，是一個(gè)急需解決的任務(wù)［1］。

在20世紀(jì)80年代，法國(guó)學(xué)者［2］就開始研究現(xiàn)代生土材料。在法國(guó)格勒諾布爾創(chuàng)立的生土建筑研究中心（CRATerre）是當(dāng)代生土材料和建造技術(shù)的先驅(qū)和權(quán)威機(jī)構(gòu)。法國(guó)維爾尼土壩防滲墻建造時(shí)，采用粘土混凝土進(jìn)行澆筑，其配方是47 kg/m3水泥、117 kg/m3粘土，其余是水壩砂石，該粘土混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度為1～1.2 MPa。智利坎文托維約壩的粘土防滲墻28 d強(qiáng)度為0.45 MPa，該水壩建造者采用的配方是74 kg/m3水泥、75 kg/m3粘土、25 kg/m3膨潤(rùn)土。德國(guó)政府對(duì)生土建筑很重視，在1999年制定了《生土建筑導(dǎo)則》。美國(guó)哥倫比亞州、亞利桑那州的傳統(tǒng)生土建造技術(shù)，已經(jīng)達(dá)到了市場(chǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)并不斷改良推廣應(yīng)用，當(dāng)?shù)厣踔猎S多別墅建設(shè)開始熱衷使用生土材料。2002年澳大利亞國(guó)家為了規(guī)范生土建筑標(biāo)準(zhǔn)，出版了《澳大利亞生土建筑手冊(cè)》。

我國(guó)生土建筑的研究起步較晚，但也有許多學(xué)者對(duì)生土材料、生土建筑墻體性能等進(jìn)行了大量研究，取得了一些成果［3～4］。2007年，吳恩融和穆鈞團(tuán)隊(duì)開始在甘肅慶陽(yáng)設(shè)計(jì)建造“毛寺生態(tài)實(shí)驗(yàn)小學(xué)”項(xiàng)目［5］，充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，改良夯土、土坯砌筑技術(shù)，指導(dǎo)當(dāng)?shù)卮迕裥藿ㄐＩ?，該?xiàng)目獲得了國(guó)內(nèi)建筑類大獎(jiǎng)。2011年5月—2012年7月，“現(xiàn)代夯土綠色民居建造研究示范項(xiàng)目”在甘肅省會(huì)寧縣開展，穆鈞、周鐵鋼團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)夯土建造技術(shù)進(jìn)行推廣，夯土農(nóng)宅不僅結(jié)構(gòu)安全性和墻體耐久性能上有了極大提升，而且具有傳統(tǒng)夯土建筑保溫節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。但夯土施工的不足之處是勞動(dòng)強(qiáng)度大且有很大的施工噪音。

盧良浩等［6］采用85 kg土、340 kg水泥、550 kg砂、980 kg卵石、水灰比0.6的試驗(yàn)配比，制備出坍落度21 cm，28 d抗壓強(qiáng)度10 MPa的澆筑成型生土材料。李上游等［7］研究得到生土材料的坍落度20 cm左右，擴(kuò)散度為35 cm左右的生土材料，其試驗(yàn)配合比是粘土140 kg、水泥158 kg、砂865 kg、卵石782 kg，摻水量266 kg，其28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.3 MPa。曲烈等［8］利用摻木質(zhì)素和萘系減水劑對(duì)生土材料流變性能進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水灰比為0.6，減水劑摻量（萘系減水劑與木質(zhì)素減水劑的摻量比為4∶6）為1%時(shí)，改性生土材料的流變性能最好；當(dāng)水灰比為0.5，減水劑摻量（萘系減水劑與木質(zhì)素減水劑的摻量比為6∶4）為1%時(shí)，改性生土材料的流變性能最好。

高福平等［9］利用米家寨生土配制粘土混凝土的配合比為102 kg/m3的粘土（30%）、237 kg/m3PO.2.5水泥、砂率42%，220 kg/m3的水（0.65的水膠比），其坍落度為20 cm（1 h坍落度為18.5 cm），擴(kuò)散度為32.5 cm，28 d強(qiáng)度可達(dá)到11.1 MPa。何麗娟等［10］研制了坍落度19.5 cm，擴(kuò)展度40 cm，28 d強(qiáng)度為13.8 MPa的粘土混凝土，其試驗(yàn)配合比是粘土132 kg、水泥288 kg、砂686 kg、石957 kg，用水量為256 kg/m3。劉志華等［11］制備自密實(shí)生土改性材料，配方為10%粉煤灰、1.5%減水劑、16%高效固化劑，制得28 d抗壓強(qiáng)度為3.2 MPa的大流動(dòng)性、自密實(shí)生土材料。

本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)自密實(shí)生土材料的配比、性能進(jìn)行系統(tǒng)分析。通過配料、成型、養(yǎng)護(hù)等過程制備自密實(shí)生土材料并測(cè)定其流動(dòng)性、物理力學(xué)等性能，制備出具有優(yōu)異性能的生土材料，以達(dá)到改善生土建筑施工條件的目的。

1　原材料及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)原料

黃土取自河南省滎陽(yáng)，取土深度2～15 cm。利用XRF熒光分析儀對(duì)黃土的化學(xué)組成進(jìn)行分析，見表1。

表1　黃土的化學(xué)組成%

由表1可知，黃土中有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O等礦物成分，其中SiO2含量最高，大約為50.5%。從圖1可知，黃土的主要礦物是SiO2和鉀、鈉長(zhǎng)石。利用激光粒度儀對(duì)黃土粒度分布進(jìn)行測(cè)試，黃土的平均粒徑為6.6 μm。

圖1　黃土XRD圖譜

活性礦粉為唐山市京東?；郀t礦渣粉廠生產(chǎn)。砂子為市售中砂，細(xì)度模數(shù)為3.75。石子為市售石子，粒徑＜5 mm。水泥為42.5強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥，天津振興水泥廠生產(chǎn)。高效聚羧酸減水劑為天津市雍陽(yáng)減水劑廠生產(chǎn)。試驗(yàn)用水為自來水。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

行星式水泥膠砂攪拌機(jī)、試驗(yàn)用球磨機(jī)、水泥砂漿振動(dòng)臺(tái)、遠(yuǎn)紅外鼓風(fēng)干燥箱、標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒、JYE-300A自動(dòng)恒應(yīng)力強(qiáng)度檢測(cè)儀、鄂式破碎機(jī)、100 mm×100 mm×100 mm鋼模、水泥快速養(yǎng)護(hù)箱等。

1.3試驗(yàn)方法

1）自密實(shí)生土材料的制備。先將生土、水泥、礦粉進(jìn)行攪拌，再將干拌料放到攪拌機(jī)內(nèi)，先加入少量的水，打開攪拌機(jī)，慢速攪拌，逐漸加入剩余的水；水完全加入并攪拌1 min后，加入砂和石子，繼續(xù)攪拌5 min，出料；裝模，將新拌生土澆入試模內(nèi)（100mm×100mm× 100 mm）；同時(shí)利用剩余的新拌生土材料進(jìn)行坍落度和擴(kuò)展度測(cè)試；養(yǎng)護(hù)制度為60℃烘箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h，第2d拆模，然后繼續(xù)在60℃烘箱內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

2）坍落度的測(cè)定。將坍落度筒（上口直徑10 cm，下口直徑20 cm，高30 cm，呈喇叭狀）內(nèi)外擦干凈、潤(rùn)濕并在筒頂部加上漏斗，放在干凈潤(rùn)濕的方板（100 cm× 100 cm×100 cm）上。用雙腳踩緊踏板（或用手按緊筒），固定筒的位置；將拌和料分3次均勻裝入筒內(nèi)，每層約為筒高的1/3，每裝一層用搗棒插搗20次；裝滿筒后卸下漏斗，將筒頂多余的拌和料輕輕刮去；將坍落度筒垂直向上提起，要平穩(wěn)，提起過程要在10 s內(nèi)完成，坍落物最高點(diǎn)與筒的高度差即為拌和料的坍落度（讀數(shù)精確至0.1 cm），測(cè)試過程應(yīng)在3 min內(nèi)完成；完成后，用直尺測(cè)量拌和料擴(kuò)展后最大直徑和最小直徑（讀數(shù)精確至0.1 cm）。

3）抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。將試塊放在抗壓試驗(yàn)機(jī)上，試塊軸心應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)壓板中心對(duì)齊，應(yīng)選試塊成型時(shí)的側(cè)面為承壓面；啟動(dòng)抗壓試驗(yàn)機(jī)，調(diào)整上壓板與試塊，使二者均勻接觸；以0.5 MPa/s的速度對(duì)試塊進(jìn)行加壓，直到試件破壞，讀數(shù)精確至0.1 MPa。

2　結(jié)果與討論

2.1膠凝材料對(duì)生土材料性能的影響

膠凝材料對(duì)自密實(shí)生土材料流動(dòng)性影響見圖2。膠凝材料的添加量分別為9%（6%水泥+3%礦粉）、12%（8%水泥+4%礦粉）、15%（10%水泥+5%礦粉）、20%（12%水泥+8%礦粉）。

圖2　膠凝材料對(duì)生土材料流動(dòng)性的影響

由圖2可知，在膠凝材料用量達(dá)到15%之前，隨著水泥和礦粉摻量的增加，生土材料的坍落度增大，擴(kuò)展度也增大；當(dāng)摻量為水泥10%、礦粉5%以后，坍落度達(dá)到20 cm以上，同時(shí)增長(zhǎng)幅度變慢，但擴(kuò)展度有下降趨勢(shì)?？赡苁且?yàn)樗嗔吭龆啵瑢?duì)生土材料的改性效果突出了，增大了材料粘聚性。如圖3所示，隨著膠凝材料的增多，試塊抗壓強(qiáng)度不斷增大。當(dāng)水泥和礦粉摻量＜15%，增長(zhǎng)幅度較慢；當(dāng)摻量超過15%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度明顯增加，14 d強(qiáng)度可達(dá)到6 MPa以上。確定膠凝材料用量為20%（12%水泥+8%礦粉）。試塊從3 d強(qiáng)度到7 d強(qiáng)度增加明顯，而7 d強(qiáng)度到14 d強(qiáng)度很少增加，可能是因?yàn)槟z凝材料的水化反應(yīng)主要在前期進(jìn)行，后期反應(yīng)很少。

圖3　膠凝材料對(duì)生土材料抗壓強(qiáng)度的影響

2.2水膠比對(duì)生土材料性能的影響

如圖4所示，隨著水膠比的增大，生土材料的坍落度增大，擴(kuò)展度也增大。當(dāng)水膠比達(dá)到0.45以后，材料的坍落度可達(dá)到20 cm以上，擴(kuò)展度在35 cm以上。當(dāng)水膠比達(dá)到0.5時(shí)，材料的流動(dòng)性很好，但開始出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。

圖4　水膠比對(duì)生土材料流動(dòng)性能的影響

如圖5所示，隨著水膠比的增加，3 d抗壓強(qiáng)度不斷降低，7 d抗壓強(qiáng)度也在降低，尤其是在水膠比達(dá)到0.5時(shí)，強(qiáng)度下降幅度很大。對(duì)于水膠比分別為0.35、0.4、0.45的生土材料，三者14 d抗壓強(qiáng)度基本相同，而水膠比為0.5的生土材料，14 d抗壓強(qiáng)度很低，與其含水量過高、試塊中的孔隙、缺陷多有關(guān)，當(dāng)然跟其泌水離析也有很大關(guān)系。故用水量必須嚴(yán)格控制，建議水膠比為0.45。

圖5　水膠比對(duì)生土材料抗壓強(qiáng)度的影響

2.3砂石摻量對(duì)生土材料性能的影響

如圖6所示，在砂石摻量達(dá)到45%之前，隨著砂石摻量增多，坍落度變化較小，當(dāng)砂石摻量達(dá)到45%時(shí)，坍落度上升幅度明顯增大；同樣，砂石摻量達(dá)到45%之前，材料的擴(kuò)展度有所下降，當(dāng)砂石摻量＞45%，材料的擴(kuò)展度突然增加。這可能是因?yàn)樯白拥奈实?，砂子增多，拌和物中的自由水增多，流?dòng)性增大。當(dāng)砂石摻量達(dá)到50%時(shí)，材料的坍落度達(dá)到25 cm以上，擴(kuò)展度達(dá)到48 cm以上，出現(xiàn)輕微泌水現(xiàn)象。

圖6　砂石摻量對(duì)生土材料流動(dòng)性的影響

如圖7所示，在砂石摻量達(dá)到40%之前，隨著砂石摻量增多，試塊強(qiáng)度增大；砂石摻量40%和摻量45%的試塊強(qiáng)度基本相同；當(dāng)砂石摻量超過45%時(shí)，因?yàn)樯梁湍z凝材料的比例下降，試塊的強(qiáng)度也出現(xiàn)明顯下降，當(dāng)然，這也與其流動(dòng)性過大、出現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象有一定關(guān)系。

圖7　砂石對(duì)生土材料抗壓強(qiáng)度的影響

2.4減水劑對(duì)生土材料性能的影響

如圖8所示，隨著減水劑的增加，生土材料的流動(dòng)性不斷提高?？赡苁且?yàn)樵谏敛牧现屑尤霚p水劑后，使膠凝物顆粒表面性質(zhì)產(chǎn)生變化，拌和物中的自由水增多，流動(dòng)性變大。當(dāng)減水劑摻量達(dá)到1%時(shí)，坍落度升高至20 cm以上，擴(kuò)展度達(dá)到35 cm。而當(dāng)減水劑摻量達(dá)到2%時(shí)，流動(dòng)性進(jìn)一步提升，但開始出現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象。

圖8　減水劑對(duì)生土材料流動(dòng)性的影響

如圖9所示，在減水劑摻量達(dá)到1%之前，隨著減水劑摻量增多，強(qiáng)度有所增加，但并不太大；當(dāng)摻量超過1%時(shí)，強(qiáng)度開始下降；當(dāng)減水劑摻量為2%時(shí)，試塊強(qiáng)度很低，14 d強(qiáng)度在5 MPa之下，這可能與其流動(dòng)性過大，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象有關(guān)。試驗(yàn)表明，在一定摻量?jī)?nèi)減水劑對(duì)澆筑性生土材料強(qiáng)度影響較小。

圖9　減水劑對(duì)生土材料抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)自密實(shí)生土材料坍落度與強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析。采用線性擬合

式中：E為抗壓強(qiáng)度，MPa；R為坍落度，cm；a和b為系數(shù)。通過回歸分析計(jì)算可得

計(jì)算該線性公式的相關(guān)系數(shù)r=-0.122。根據(jù)混凝土試驗(yàn)規(guī)程，當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為13組時(shí)，其可信相關(guān)系數(shù)取0.553（可信度5%）。因r的絕對(duì)值為0.122，遠(yuǎn)小于0.553，生土材料的坍落度與抗壓強(qiáng)度線性關(guān)系是無(wú)意義的、不可信的。

3　結(jié)論

1）自密實(shí)生土材料的最優(yōu)配比為生土40%，水泥12%，礦粉8%，水固比0.45，聚羧酸減水劑1.0%，其坍落度可達(dá)21.5 cm，擴(kuò)展度可達(dá)36.1 cm，14 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)6.5 MPa。

2）影響自密實(shí)生土材料流動(dòng)性的主要因素是水膠比、減水劑和砂石摻量。摻加減水劑改變生土、膠凝材料的顆粒表面性質(zhì)，分散了絮凝結(jié)構(gòu)，增加了自由水，使得材料流動(dòng)性增加；當(dāng)增加砂石摻量時(shí)，增加了材料中自由水的含量，使其流動(dòng)性增加，原因是砂石吸水率低于生土。

3）自密實(shí)生土材料的流動(dòng)性與其抗壓強(qiáng)度無(wú)直接線性關(guān)系。

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□曲烈、劉剛、王超、張文研、康茹茹、李園楓/天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。

TU521

C

1008-3197（2016）04-01-04

2016-08-11

劉志華/男，1977年出生，副教授，博士，天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，從事固體廢物資源化利用、綠色建筑材料制備理論與技術(shù)研究。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.001

□課題項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20141BAL03B03）