生土砌塊用粘結(jié)材料改性試驗(yàn)研究

丁蘇金，王武祥，楊鼎宜

（1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009）

生土砌塊用粘結(jié)材料改性試驗(yàn)研究

丁蘇金1，2，王武祥1，楊鼎宜2

（1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009）

通過對(duì)比水泥、礦渣、粉煤灰等摻和料和化學(xué)激發(fā)劑氯化鈣、硫酸鈉對(duì)生土砌塊用粘結(jié)材料物理力學(xué)性能的影響，探討研究粘結(jié)材料改性方法。結(jié)果表明：膠凝材料總摻量小于15%時(shí)，復(fù)摻水泥和礦渣對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度改善效果最好，水泥單摻改性效果次之，不宜摻入粉煤灰。礦渣摻量小于7.5%時(shí)，硫酸鈉對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料活性的激發(fā)效果明顯優(yōu)于氯化鈣。受到礦渣水化產(chǎn)物和生土材料干燥收縮的影響，當(dāng)粘結(jié)材料含水率小于20%時(shí)，強(qiáng)度損失明顯。

摻和料；化學(xué)激發(fā)劑；生土材料；粘結(jié)材料；物理力學(xué)性能

0 引言

生土材料是人類應(yīng)用最早的混凝土材料，是保持生土系統(tǒng)平衡的理想建筑材料[1]，生土砌塊用粘結(jié)材料，簡(jiǎn)稱粘結(jié)材料，是由生土材料和改性材料攪拌均勻后加水拌和而成的漿體材料。適用于生土砌塊砌筑和墻體抹面，是生土墻體材料的重要組成部分，具有造價(jià)低廉，易于施工，地域性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。在我國(guó)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)用定位和充分發(fā)揮空間[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過生土墻體材料物理化學(xué)改性[3]，砌塊生產(chǎn)工藝[4]，墻體力學(xué)性能和抗震性能等方面的研究[5]，但這些研究都是在缺乏配套粘結(jié)材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對(duì)墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗震性研究準(zhǔn)確性具有顯著影響[6]。本文針對(duì)生土材料強(qiáng)度低，變形大的缺點(diǎn)，分別進(jìn)行了單摻水泥、復(fù)摻水泥礦渣、復(fù)摻水泥粉煤灰以及常用激發(fā)劑氯化鈣、硫酸鈉激發(fā)的改性優(yōu)化試驗(yàn)，探討研究粘結(jié)材料在不同改性方式下的變化規(guī)律和合理?yè)搅俊?/p>

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

生土材料采用陜西黃土，鈣硅比為0.2，參照LY/T 1252—1999《森林土壤粘粒（≤0.002 mm）的提取》測(cè)得粘粒含量約10%，參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法》測(cè)得烘干生土顆粒粒度見表1，采用X射線熒光光譜分析儀分析其化學(xué)組成見表2。

表1 生土顆粒的粒徑分布

水泥采用唐山冀東水泥廠產(chǎn)42.5R普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見表2；礦渣采用S95級(jí)普通礦渣，化學(xué)成分見表2；粉煤灰采用北京石景山發(fā)電廠Ⅲ級(jí)干排粉煤灰。

表2 原材料的化學(xué)成分%

CaCl2、Na2SO4，均為分析純，含量不低于99.5%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

粘結(jié)材料漿體制備方法：為保證制作試件性能穩(wěn)定，同時(shí)保證試驗(yàn)的可操作性，本試驗(yàn)所制備粘結(jié)材料漿體稠度均在70～80 mm。生土材料因用量較大且天然含水率不同，在試件正式制備前應(yīng)先測(cè)試其天然含水率并進(jìn)行配合比調(diào)試，調(diào)試完成后按實(shí)際配合比制備試件。

試塊養(yǎng)護(hù)方法：試件成型后在（20±5）℃的室內(nèi)環(huán)境養(yǎng)護(hù)48 h后脫模，分別采用在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d（BY）和60℃蒸養(yǎng)16 h后繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3 d（ZY）兩種方式養(yǎng)護(hù)。

抗壓實(shí)驗(yàn)方法：養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，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）%，冷卻至室溫后取出進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

為探討不同膠凝材料和常用活化劑對(duì)粘結(jié)材料力學(xué)性能的影響，本文對(duì)水泥單摻和水泥礦渣復(fù)摻、水泥粉煤灰復(fù)摻改性粘結(jié)材料在蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比，由于礦渣和粉煤灰凝結(jié)硬化速度很慢，未進(jìn)行單摻改性。在進(jìn)一步優(yōu)化水泥礦渣復(fù)摻改性粘結(jié)材料配合比的基礎(chǔ)上，探討了氯化鈣和硫酸鈉在不同配合比情況下對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度的激發(fā)效果，各配合比用水量均以控制粘結(jié)材料漿體稠度在70～80 mm時(shí)用水量為準(zhǔn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同養(yǎng)護(hù)方式下不同改性方式對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響（見圖1～圖3）

由圖1～圖3可見，蒸汽養(yǎng)護(hù)可加快粘結(jié)材料早期強(qiáng)度形成。水泥改性粘結(jié)材料，蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后抗壓強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的81%以上；水泥礦渣改性和水泥粉煤灰改性粘結(jié)材料，蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后強(qiáng)度分別達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的58%和47%以上。蒸汽養(yǎng)護(hù)方式能夠較好的激發(fā)水泥早期活性，但是對(duì)于礦渣和粉煤灰等輔助膠凝材料早期活性激發(fā)效果較差。單摻水泥、復(fù)摻水泥礦渣、復(fù)摻水泥粉煤灰改性粘結(jié)材料在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的最大抗壓強(qiáng)度分別為20.2、15.9、3.6 MPa，此時(shí)膠凝材料總量均為25%，說明粉煤灰不適宜作為粘結(jié)材料的輔助膠凝材料。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)方式下單摻水泥對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 不同養(yǎng)護(hù)方式下復(fù)摻水泥礦渣對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 不同養(yǎng)護(hù)方式下復(fù)摻水泥粉煤灰對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響

為探討蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)比了不同摻量下成型試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d和60℃蒸養(yǎng)16 h后繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d兩種養(yǎng)護(hù)方式下抗壓強(qiáng)度發(fā)展情況，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，蒸汽養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度下降10%以上，主要是因?yàn)樗鄵搅枯^少，而礦渣早期活性在蒸汽養(yǎng)護(hù)方式下激發(fā)效果較差，導(dǎo)致粘結(jié)材料在蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)強(qiáng)度較低，水蒸汽對(duì)粘結(jié)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，形成微裂縫，阻礙后期強(qiáng)度增長(zhǎng)。

圖4 蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 水泥礦渣改性粘結(jié)材料強(qiáng)度優(yōu)化

為進(jìn)一步探討水泥礦渣對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度影響，對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖5。

圖5 不同水泥礦渣配比條件下粘結(jié)材料的抗壓強(qiáng)度

由圖5可見，當(dāng)水泥摻量相同時(shí)，隨礦渣摻量增加粘結(jié)材料強(qiáng)度近似呈現(xiàn)直線上升趨勢(shì)，且各直線近似平行。當(dāng)水泥2.5%、礦渣7.5%；水泥7.5%、礦渣10.0%，水泥7.5%、礦渣17.5%；水泥10.0%、礦渣15.0%時(shí)，粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度分別滿足Mb5、Mb10、Mb12.5、Mb15強(qiáng)度等級(jí)要求。為充分發(fā)揮生土材料自身優(yōu)勢(shì)，結(jié)合生土建筑對(duì)材料自身強(qiáng)度的要求，建議粘結(jié)材料滿足Mb5強(qiáng)度等級(jí)即可。

將圖5中膠凝材料總量相同的水泥單摻與水泥礦渣復(fù)摻改性粘結(jié)材料強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比（見圖6），可以發(fā)現(xiàn)，膠凝材料總摻量≤15%時(shí)，水泥礦渣改性粘結(jié)材料強(qiáng)度略高于水泥改性，當(dāng)膠凝材料總量大于15%，水泥的改性效果明顯高于水泥礦渣。礦渣作為輔助膠凝材料，能夠在水泥水化環(huán)境下代替部分水泥，進(jìn)一步降低粘結(jié)材料經(jīng)濟(jì)成本，當(dāng)膠凝材料總摻量小于15%時(shí)，激發(fā)后礦渣能夠進(jìn)一步改善漿體孔結(jié)構(gòu)[7]，提高強(qiáng)度，由于受到礦渣水化活性的影響，水泥礦渣復(fù)摻改性方式在膠凝材料總量大于15%以后改性效果受到影響，建議在不使用其它激發(fā)劑對(duì)生土進(jìn)行改性時(shí)，水泥礦渣的總摻量小于15%。

圖6 不同改性體系改性效果對(duì)比

2.3 化學(xué)激發(fā)劑對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響

為提高水泥礦渣改性粘結(jié)材料反應(yīng)活性，提高材料強(qiáng)度，使用常用氯鹽和硫酸鹽激發(fā)劑對(duì)不同配合比水泥礦渣改性粘結(jié)材料活性進(jìn)行了激發(fā)，結(jié)果見圖7。

圖7 CaCl2和Na2SO4對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度的影響

由圖7可見，在水泥礦渣改性粘結(jié)材料內(nèi)摻入Na2SO4后能夠改善粘結(jié)材料強(qiáng)度，當(dāng)水泥摻量7.5%時(shí)，改性效果顯著，摻入CaCl2后對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料有不利影響，當(dāng)水泥材料為7.5%時(shí)，強(qiáng)度下降最為明顯。

由圖7（a）可見，當(dāng)摻2.5%水泥時(shí)，隨礦渣摻量增加，氯化鈣對(duì)粘結(jié)材料抗壓強(qiáng)度稍有提升。圖7（c）中，當(dāng)水泥摻量為5.0%，氯化鈣摻量小于1.0%時(shí)，礦渣摻量越多，粘結(jié)材料強(qiáng)度下降越少，當(dāng)氯化鈣摻量繼續(xù)增大，強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)水泥摻量為7.5%[圖7（e）]，礦渣摻量為7.5%時(shí)，強(qiáng)度基本保持不變，礦渣摻量小于7.5%的粘結(jié)材料強(qiáng)度隨CaCl2摻量增加明顯下降。由圖7（b）、（d）、（f）可見，水泥摻量小于7.5%時(shí)，添加硫酸鈉對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度提升較少。水泥摻量為7.5%時(shí)，強(qiáng)度隨硫酸鈉摻量增加明顯增長(zhǎng)。當(dāng)水泥、礦渣均為7.5%，硫酸鈉為2.5%時(shí)，粘結(jié)材料有最大抗壓強(qiáng)度11.2MPa，與未進(jìn)行硫酸鈉激發(fā)時(shí)粘結(jié)材料強(qiáng)度7.9MPa相比，強(qiáng)度增長(zhǎng)41%，改善效果明顯。

綜上所述，礦渣摻量小于7.5%時(shí)，氯化鈣會(huì)明顯降低粘結(jié)材料28 d強(qiáng)度，不適宜添加。硫酸鈉對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料強(qiáng)度有明顯的提升效果。為顯著提高粘結(jié)材料力學(xué)性能，硫酸鈉摻量以1.0%～2.0%為宜，水泥摻量以7.5%為宜，礦渣摻量以2.5%～5.0%為宜。

2.4 含水率對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料強(qiáng)度的影響

水泥礦渣雖然改變了土的結(jié)構(gòu)，但是粘結(jié)材料主要原材料仍是生土材料，占總質(zhì)量的80%甚至更多。根據(jù)有效應(yīng)力原理，當(dāng)土的含水率降低時(shí)，孔隙水壓力下降，有效應(yīng)力增加，強(qiáng)度增大。但含水率過低時(shí)，試件開裂嚴(yán)重，對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度及軟化系數(shù)測(cè)試結(jié)果均有影響，因此含水率研究具有一定價(jià)值。對(duì)水泥礦渣改性粘結(jié)材料，從絕干到飽水不同含水率下抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，含水率對(duì)抗壓強(qiáng)度影響見圖8。為方便討論研究，實(shí)驗(yàn)?zāi)J(rèn)試塊干燥至恒重狀態(tài)時(shí)含水率為絕干，設(shè)計(jì)含水率與實(shí)測(cè)含水率誤差小于1%。

圖8 粘結(jié)材料含水率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

由圖8可見，含水率大于20%時(shí)，粘結(jié)材料強(qiáng)度隨含水率變化不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)粘結(jié)材料強(qiáng)度形成主要依靠水泥礦渣水化產(chǎn)物。當(dāng)含水率下降到15%～20%時(shí)，試件出現(xiàn)明顯收縮開裂，水化產(chǎn)物對(duì)土顆粒的粘結(jié)能力下降，強(qiáng)度降低。隨含水率繼續(xù)下降，土顆粒之間粘結(jié)主要依靠部分尚具黏聚力的水化產(chǎn)物和土的基質(zhì)吸力（孔隙氣壓力和孔隙水壓力的差值），此時(shí)，含水率下降造成基質(zhì)吸力和有效應(yīng)力增加，強(qiáng)度出現(xiàn)略微上升，但是強(qiáng)度回升有限。含水率在繼續(xù)下降到0左右的過程中，粘結(jié)材料出現(xiàn)嚴(yán)重收縮開裂，水化產(chǎn)物粘結(jié)能力再次下降，干土顆粒之間黏聚力消失[8]，粘結(jié)材料強(qiáng)度再度下降。

在含水率大于20%時(shí)，同為5%水泥摻量下，15%礦渣改性粘結(jié)材料強(qiáng)度曲線比10%礦渣改性更為平緩，主要是因?yàn)榍罢咚a(chǎn)物明顯多于后者，在試塊開裂不是很嚴(yán)重的情況下能夠更好地保持原有強(qiáng)度。礦渣水化產(chǎn)物干燥收縮較大，在含水率下降較多時(shí)，礦渣摻量較大的粘結(jié)材料開裂更為嚴(yán)重。因此在含水率為15%時(shí)，15%礦渣摻量粘結(jié)材料強(qiáng)度下降更加明顯。隨含水率繼續(xù)下降，水化產(chǎn)物對(duì)粘結(jié)材料強(qiáng)度影響變小，因此，2種配合比粘結(jié)材料強(qiáng)度隨含水率變化的趨勢(shì)基本相近。

2.5 水泥礦渣對(duì)改性粘結(jié)材料漿體保水率的影響

保水性能是粘結(jié)材料漿體的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行粘結(jié)材料保水性試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，靜置2 min左右，粘結(jié)材料表面會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，僅將重物和不透水片靜壓2 min，濾紙所能吸附的水分很少，測(cè)試得到粘結(jié)材料保水率偏高。為探討水泥礦渣對(duì)粘結(jié)材料漿體保水率的影響，選用4種粘結(jié)材料配合比，經(jīng)攪拌、澆筑入模、插搗、抹平后分別采用：立即鋪上濾網(wǎng)及中速濾紙，使用重物及不透水片靜壓2 min；靜置2 min待漿體泌水，鋪上濾網(wǎng)及中速濾紙，用重物和不透水片靜壓2 min和5 min三種方法測(cè)試保水率（分別記為方案A、方案B、方案C），配合比及各方案測(cè)得保水率見表3。

表3 保水率實(shí)驗(yàn)配合比及測(cè)試結(jié)果

從表3可以發(fā)現(xiàn)，3種方案測(cè)得粘結(jié)材料保水率均大于88%。其中，根據(jù)JGJ/T 70—2009中7.0.2規(guī)定（即方案A）測(cè)得粘結(jié)材料保水率均大于94%，且大于方案B所測(cè)得對(duì)應(yīng)配合比保水率，說明靜置2 min待漿體泌水是有必要的。隨膠凝材料總摻量從7.5%增加到17.5%，方案A、B、C保水率分別增長(zhǎng)0.5、0.5、2.0個(gè)百分點(diǎn)，說明粘結(jié)材料保水性能對(duì)膠凝材料摻量依賴性較小，主要取決于生土材料自身特性。

不同于普通水泥砂漿，粘結(jié)材料中摻有大量生土材料，據(jù)測(cè)試，使用生土材料黏土顆粒含量為10%，根據(jù)擴(kuò)散雙電層理論，黏土顆粒在堿性水溶液中帶負(fù)電荷，會(huì)吸附陽(yáng)離子使陽(yáng)離子在黏土顆粒表面濃集，同時(shí)由于分子熱運(yùn)動(dòng)和濃度差，又會(huì)引起陽(yáng)離子脫離界面的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。黏土顆粒對(duì)陽(yáng)離子的吸附和陽(yáng)離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)共同作用形成陽(yáng)離子的吸附層和擴(kuò)散層，如圖9所示。吸附的陽(yáng)離子水化，使黏土顆粒周圍形成水化膜，增強(qiáng)了粘結(jié)材料保水性。

圖9 擴(kuò)散雙電層理論示意

3 結(jié)論

（1）在水泥單摻、水泥礦渣復(fù)摻、水泥粉煤灰復(fù)摻3種改性方式中，膠凝材料總摻量小于15%時(shí)，水泥礦渣復(fù)摻改性效果優(yōu)于水泥單摻改性，優(yōu)于水泥粉煤灰復(fù)摻改性；膠凝材料總摻量大于15%以后，受到礦渣活性影響，水泥單摻改性優(yōu)于水泥礦渣復(fù)摻改性，優(yōu)于水泥粉煤灰復(fù)摻改性。

（2）蒸汽養(yǎng)護(hù)方式能夠較好激發(fā)水泥早期活性，但是激發(fā)礦渣和粉煤灰等輔助膠凝材料早期活性較為困難。由于粘結(jié)材料早期強(qiáng)度較低，60℃蒸養(yǎng)16h會(huì)降低粘結(jié)材料28d強(qiáng)度。

（3）在水泥礦渣改性粘結(jié)材料中添加氯化鈣或硫酸鈉對(duì)其活性進(jìn)行激發(fā)，礦渣摻量小于7.5%時(shí)，氯化鈣會(huì)明顯降低粘結(jié)材料強(qiáng)度，不宜添加，硫酸鈉激發(fā)效果優(yōu)于氯化鈣，在水泥和礦渣摻量均為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11.2 MPa，大于15%水泥單摻改性粘結(jié)材料強(qiáng)度7.3 MPa。

（4）粘結(jié)材料漿體保水性能最大影響因素為生土材料中黏土顆粒含量，增加水泥礦渣摻量雖然能夠提高保水率，但是提升有限。粘結(jié)材料漿體靜置2 min左右會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，建議保水率測(cè)試過程中，漿體填滿容器并整平后靜置2 min再進(jìn)行后續(xù)操作。

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Modified testing study of bonding materials used on earth blocks

DING Sujin1，2，WANG Wuxiang1，YANG Dingyi2
（1.China Building Materials Academy，Beijing 100024，China；2.Yangzhou University，Yangzhou 225009，China）

Researched modification methods on bonding materials used on earth blocks through contrasting physical and mechanical performance of bonding materials modified by admixtures like cement，slag，fly ash and chemical activators such as calcium chloride，sodium sulfate.The results show that while the total dosage of cementing material less than 15%，compound cement and slag had the best modified performance about strength of bonding materials and cement single second，however，fly ash was not fitted to add in bonding materials.While slag content less than 7.5%，sodium sulfate had better activated performance about activity of bonding materials than calcium chloride.The loss of strength obviously reduced while water content of bonding materials less than 20%owing to the drying shrinkage arise from earth and hydration products of slag.

admixtures，chemical activators，raw soil materials，bonding materials，physical and mechanical performance

TU522.39；TU578.1

A

1001-702X（2016）07-0075-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2014BAL03B03）

2015-12-07

丁蘇金，男，1989年生，江蘇常州人，碩士研究生，從事生土粘結(jié)材料研究。