基礎用改性生土材料及其改性機理研究

田文麗，程海平，魏成娟，余海燕，王 蕾

(1.天津市建筑科學研究院有限公司，天津 300193;2.天津城建大學 材料科學與工程學院，天津 300384)

基礎用改性生土材料及其改性機理研究

田文麗1，程海平1，魏成娟1，余海燕2，王 蕾2

(1.天津市建筑科學研究院有限公司，天津 300193;2.天津城建大學 材料科學與工程學院，天津 300384)

傳統(tǒng)生土基材料具有強度低、脆性大、抗水性差等缺點而限制其在生土建筑中的應用，為滿足現(xiàn)代生土建筑基礎的要求，需對生土材料的改性進行深入的研究。本文主要研究了水泥和礦渣對改性生土的力學性能、體積穩(wěn)定性以及耐久性的影響。

生土；基礎；改性材料；抗壓強度

生土材料是一種典型的綠色環(huán)保建筑材料，因其具有良好的保溫隔熱性能、取材廣泛、施工技術簡單、可循環(huán)利用等優(yōu)點而得到廣泛的應用。研究表明[1]，生土廣泛存在，便于就地取材。然而，生土材料強度不高、體積穩(wěn)定性差、耐久性不良等缺點已嚴重影響其在建設中的應用。因此，如何提高生土材料的強度、體積穩(wěn)定性及耐久性，已成為研究的熱點[2-4]。

Ana Paulada Silva Milani[5]對生土材料的穩(wěn)定性能進行了研究，在土中摻入7.5%的石灰和10%的水泥，改性后生土材料抗壓強度提高了3倍。郝傳文[6]通過對生土墻體材料進行改性來提高土墻體材料的性能，在土中摻12%的水泥，改性后其28 d抗壓強度為9 MPa；張虎元[7]選擇新疆交河故城原狀生土試樣和重塑土試樣進行了干濕循環(huán)試驗，干濕循環(huán)對重塑土體具有一定的陳化和愈合作用，初期能提高土體的強度，其抗壓強度提高了26%。

改性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。但當生土材料作為基礎材料使用時，改性生土材料滿足不了強度和耐久性的要求。目前，關于改性生土材料替代混凝土(或磚、石)直接用于生土建筑基礎方面的報道很少，因此，本文通過對生土材料進行深度改性來提高其強度及耐久性，以期滿足生土建筑基礎使用的要求。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

圖1 西北黃土和礦渣的XRD圖譜

本文所用生土取自西北黃土，生土的礦物成分如圖1所示，西北黃土的化學成分如表1所示。水泥為42.5級，取自天津振興，減水劑有飛龍混凝土外加劑廠生產(chǎn)；激活劑主要由實驗室自制，礦渣為S95級活性礦粉，取自唐山粒化高爐廠，其礦物組成與化學組成分別如圖1和表2所示。

表1 生土化學組成

表2 礦渣化學成分

1.2 試驗配合比設計

試驗用材料的配合比如表3所示。

表3 試驗配合比

1.3 試驗方法

強度測定方法，采用40 mm×40 mm×160 mm的試件，在標準條件下進行養(yǎng)護。軟化系數(shù)測定是將標準養(yǎng)護28 d的試塊，浸泡在水中1 d、7 d、14 d和28 d；測定，測定試塊在浸水后強度的變化。參照混凝土抗?jié)B性試驗方法，養(yǎng)護采用標準養(yǎng)護。

凍融循環(huán)方法將養(yǎng)護好的試件在-20℃冰箱內(nèi)凍2 h，取出后放在20℃的恒溫恒濕箱中融化2 h，此為一個循環(huán)，經(jīng)20次、30次、40次凍融循環(huán)后測其抗壓強度、試樣質(zhì)量，并計算強度損失率和質(zhì)量損失率。收縮率S按式(1)計算。

S=(L1-Lλ)×100/280

(1)

式中：L1為初始測量值；Lλ為某齡期測量值；280為試件的有效長度，單位mm。

干濕循環(huán)試驗方法將標準養(yǎng)護28 d的試塊，依次放在水中浸泡4 h，風干2 h，在50℃下烘干2 h，再風干2 h，此為1次干濕循環(huán)；本試驗經(jīng)30次干濕循環(huán)后，計算其強度損失率和質(zhì)量損失率，計算方法與凍融循環(huán)一致。

2 試驗結果與分析

2.1 改性材料對生土性能的影響

按照表3的試驗配合比，以不同改性材料對生土進行改性，改性后生土材料的28 d抗壓強度、軟化系數(shù)、抗凍性等如圖2～圖9所示。

從圖2可知，與摻改性劑的生土材料相比，未摻改性劑的強度較低；只摻激話劑T2與未摻任何改性材料T1相比，強度幾乎不變；而摻礦渣的K1、K2和K3強度分別達到了15.4 MPa、18.9 MPa和27.8 MPa，摻水泥的S1、S2和S3強度分別達到了17.5 MPa、22.6 MPa和28.9 MPa。與未摻改性材料的生土材料相比，摻水泥、礦渣的生土材料中有C-S-H凝膠、C-A-H凝膠物質(zhì)生成，這些產(chǎn)物將生土顆粒緊緊的膠結在一起，使其結構致密，提高了改性生土材料的強度和耐久性。另外，由于水泥在早期水化較快，其28d抗壓強度較高。

從圖3可知，水泥和礦渣的1 d軟化系數(shù)在0.7以上，但都不超過1；在7 d、14 d和28 d軟化系數(shù)中，S1、S2、S3和K1都不同程度的下降，K2軟化系數(shù)基本保持不變，K3軟化系數(shù)達到了1.3以上；與T1和T2生土試塊遇水潰散相比，摻礦渣和水泥的生土改性材料耐水性高的主要原因是水泥和礦渣水化產(chǎn)生了一定量的C-S-H凝膠、鈣礬石物質(zhì)，C-S-H凝膠可有效膠結土顆粒，鈣礬石填充孔隙，使得改性生土材料具有較好的耐水性。K3軟化系數(shù)高于1的原因是因為礦渣在激活劑的作用中，且在水環(huán)境中二次水化生成了更多的C-S-H凝膠和C-A-H凝膠，使得改性生土材料更加密實。

從圖4和圖5可知，生土改性材料凍融循環(huán)20次、30次和40次的強度損失率和質(zhì)量損失率隨著改性材料摻量的增加，改性生土材料的強度損失率和質(zhì)量損失率減?。籏3強度損失率為-0.28，原因是在有水的環(huán)境下，礦渣在激活劑的作用下二次水化，又生成了較多的C-S-H等膠凝性物質(zhì)，膠結土顆粒，減少了孔隙，強度進一步提高。

圖2 改性材料對生土28 d抗壓強度的影響 圖3 改性材料對生土軟化系數(shù)的影響

圖4 改性材料對生土凍融循環(huán)后強度的影響 圖5 改性材料對生土凍融循環(huán)后質(zhì)量的影響

從圖6可知，隨著水泥和礦渣摻量的不斷增加，其收縮率減少，礦渣改性的生土材料收縮率保持在0.4%左右，水泥改性的生土材料收縮率保持在0.3%左右；摻礦渣和水泥的改性生土材料收縮率低的主要原因是水泥和礦渣水化生成了具有膠凝性的C-S-H和C-A-H，生土顆粒被緊緊的膠結在一起，鈣礬石填充于顆?？紫?，結構更加穩(wěn)定，且大幅度降低了改性生土材料的收縮。

從圖7可知，隨著水泥和礦渣摻量的不斷增加，其抗?jié)B等級不斷增大，K1和K2的抗?jié)B等級為P4，K3的抗?jié)B等級為P6，礦渣在激活劑的作用下反應生成了大量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，包裹在土顆粒表面，填充顆?？紫?，水分難以進入；S1的抗?jié)B等級為P4，S2和S3的抗?jié)B等級為P6，水泥水化生成了大量的膠凝性的物質(zhì)，填充在土顆粒之間的孔隙中，結構更密實，水分難以滲透；改性后的生土材料的抗?jié)B性能明顯提高。

從圖8和圖9可知，為生土改性材料干濕循環(huán)30次的強度損失率和質(zhì)量損失率；K3強度損失率為-0.25，由于礦渣前期水化慢，在有水的條件下，礦渣二次水化，產(chǎn)生了更多的C-S-H和C-A-H凝膠，使得改性后生土材料的結構更加密實，因此，強度不減反增。

圖6 改性材料對生土收縮率的影響 圖7 改性材料對生土抗?jié)B性的影響

圖8 改性材料對生土干濕循環(huán)強度的影響 圖9 改性材料對生土干濕循環(huán)質(zhì)量的影響

2.2 生土改性機理

圖10 生土改性材料的XRD圖譜

生土改性的礦物組成如圖10所示。從圖10可知，與未摻改性材料的生土材料相比，摻水泥、礦渣的生土材料中有C-S-H凝膠、鈣礬石和氫氧化鈣等物質(zhì)生成，這些物質(zhì)將生土顆粒緊緊的膠結在一起，使其結構致密，提高了改性生土材料的強度和耐久性；礦渣改性土泡水后，強度反而增加，這是由于礦渣的二次水化造成的，反應生成了更多的、具有膠凝性的C-S-H凝膠和C-A-H凝膠物質(zhì)，使其結構更加致密，且孔隙率更低，水和其它有害物質(zhì)難以進入試塊內(nèi)部，進一步提高了礦渣改性土的強度和耐久性。

3 結 語

(1)綜合經(jīng)濟性和實用性，生土、礦渣、激活劑、減水劑、水的質(zhì)量比為0.8∶0.2∶0.02∶0.02∶0.18時為最佳配合比；由此制備出的生土改性材料的強度為27.8 MPa，7 d的軟化系數(shù)為1.33，抗凍等級為F40，收縮率在4%左右，抗?jié)B等級為P6，干濕循環(huán)后強度增加了25%。

(2)生土顆粒被改性材料水化生成的膠凝性物質(zhì)緊緊膠結在一起，生土顆粒間的空隙被膠凝性物質(zhì)所填充，提高了改性后生土材料的強度和耐久性，滿足了生土建筑地基的使用要求。

[1] 王軍，呂東軍．走向生土建筑的未來[J].西安建筑科技大學報(自然科學版)，2001，33(2)：147-149.

[2] 劉俊霞，張磊.生土材料國內(nèi)外研究進展[J].材料導報，2012，26(12)：14-17.

[3] 曲烈，李劍.摻復合減水劑生土改性材料流變與力學性能研究[J].粉煤灰綜合利用，2013：8-11.

[4] 丁蘇金，王武祥.生土建筑材料的改性研究進展及其應用[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2014：45-51.

[5] Milani APS,Labaki L C.Physical,mechanical,and thermal performance of cement-stabilized rammed Earth-rice husk ash walls[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2011，24(6)：775-782.

[6] 郝傳文.改性方式對生土墻體材料耐久性影響的研究[D].沈陽：沈陽建筑大學，2011：56-63.

[7] 張虎元，嚴耿升，趙天宇，等.土建筑遺址干濕耐久性研究[J].巖土力學，2011，32(2)：347-355.

Research on Mechanism of Modified Raw Soil in Foundation

TIAN Wenli1, CHENG Haiping1, YU Haiyan2, WANG Lei2

(1.Tianjin Architectural Science Research Institute Co. Ltd, Tianjin 300193, China;2.Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

s：The shortcomings of tradition raw-soil material are low strength, large brittleness and poor water resistance, Because of that, its application in the raw-soil buildings is limited. In order to meet the requirement of modern raw-soil building foundation, more research should be done for modification of the raw-soil. In the paper, the influence of the cement and slag on mechanics performance are studied, after that, volume stability and durability of modified raw-soil are researched.

raw soil; foundation; modified materials; compressive strength

2017-03-20

田文麗(1974-)，女，天津紅橋人，本科，高級工程師，主要從事建筑材料方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.001

TU521.3

A

1674-5403(2017)02-0001-04