改性方法對生土材料水分傳輸特性的影響

劉俊霞， 吳曉博， 張茂亮， 王帥旗， 海 然

(1.中原工學院 建筑工程學院， 河南 鄭州 450007；2.河南建筑材料研究設(shè)計院有限責任公司， 河南 鄭州 450002)

生土材料是一種名副其實的生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保的建筑材料，以之建造的生土建筑具有不消耗非再生資源、不產(chǎn)生廢棄物、低能耗和低CO2排放、優(yōu)良的室內(nèi)空氣質(zhì)量等特點，所以自古以來它就是一種優(yōu)良的建筑材料[1].傳統(tǒng)生土材料因依靠物理作用相結(jié)合，強度低、變形大、耐水性差，致使生土建筑在耐水性、體積穩(wěn)定性等方面不盡如人意[2]，因此生土材料的改性研究已成為研究熱點.胡明玉等[3]研究了無機土壤固化劑對生土材料物理力學性能的影響，結(jié)果表明土壤固化劑摻量為20%～25%時，生土材料具有較高的強度、耐水性和抗凍性能.劉俊霞等[4]的研究結(jié)果表明，摻入黃麻纖維改性的生土材料相比未摻黃麻纖維的生土材料，其軟化系數(shù)可以提高12.2%.劉志華等[5]以偏高嶺土為主要原材料，研究了激發(fā)劑對生土耐水性的影響，結(jié)果顯示促硬劑Na2SiF6能夠顯著提高改性生土材料不同齡期的耐水性，且耐水性隨著促硬劑摻量的增加而提高.張磊等[6]研究了石灰-礦渣/生土復合材料的熱濕綜合性能，結(jié)果表明用10.19%石灰和4.02%礦渣復合改性的生土材料具有良好的力學性能和導熱導濕性能.Ciancio等[7]、Kariyawasam等[8]分別研究了石灰和水泥改性對生土材料微觀結(jié)構(gòu)、力學性能和耐水性的影響.

上述研究表明，生土材料的耐水性能夠通過物理、化學和復合改性加以改善，改性材料的引入改變了水分進入生土材料內(nèi)部的傳輸特性，從而改善了生土材料的吸水、保水和耐水性能.基于此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，通過生土材料毛細吸水試驗，對比研究水泥、黃麻纖維和水泥/黃麻纖維復合改性生土材料以及未改性生土材料的毛細吸水速率、毛細吸收系數(shù)和表面滲入速率等水分傳輸參數(shù)，分析改性方法對生土材料微觀結(jié)構(gòu)和水分傳輸特性的影響，為生土材料耐久性和水蝕破壞規(guī)律及機理的研究奠定基礎(chǔ)，進而促進生土材料和生土建筑在黃河中下游地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用和推廣.

1 試驗

1.1 原材料

生土(RS)為陜西西安某地區(qū)深層未擾動黃土，其主要化學組成見表1；水泥(C)為天瑞集團水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標見表2；市售黃麻纖維(F)，纖長10mm，密度1.2g·cm-2，長徑比70，采用濃度(質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的含量、摻量、減水率、濃度等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比)5%的NaOH溶液進行表面處理、清洗、烘干、備用；市售河砂(SA)，細度模數(shù)2.8；減水劑(SP)為AJ-2B聚羧酸高效減水劑，固含量2.3%，減水率36%.

表1 生土的化學組成

表2 普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標

1.2 生土材料試件制備

以陜西黃土為主要原料，摻加黃麻纖維和水泥制作生土材料試件，試件成型配合比見表3；減水劑摻量均為固體原料總質(zhì)量的0.1%；按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》成型尺寸為40mm×40mm×160mm的試塊，生土分2層振搗密實成型，2d后脫模，在相對濕度60%～70%，溫度(20±5)℃ 的條件下養(yǎng)護至測試齡期.

表3 生土材料試件配合比和強度

1.3 毛細吸水試驗

試驗采用稱重法測定生土材料試件的毛細吸水量.試件在測試前經(jīng)105℃烘干至恒重后，將其中5個面涂抹環(huán)氧樹脂以封閉水的滲透，僅留1個面供測試用(如圖1(a)所示)，部分毛細吸水測試試件見圖1(b).記錄所有試件的原始質(zhì)量后進行吸水試驗，每間隔一定的時間取出試件稱重.為了保證試驗結(jié)果的代表性和可靠性，每個時間節(jié)點取出20個試件稱量計算吸水量，試件稱量的時間間隔分別為：前60min間隔5min，60～360min間隔15min，360～540min間隔30min.

1.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用日本理學JSM—6700 F掃描電鏡(SEM)對生土材料試件斷面進行形貌分析.

圖1 試件Fig.1 Samples

2 結(jié)果與分析

2.1 生土材料試件中水的傳輸特征

圖2是生土材料的毛細吸水量隨時間的變化規(guī)律.從圖2可以看出：毛細吸水量在入水初期增速較快，入水450min后吸水量基本保持不變.圖3是生土材料毛細吸水量隨時間平方根的變化曲線.從圖3可以看出：生土材料的毛細吸水量基本與時間平方根呈線性關(guān)系.根據(jù)多孔材料毛細吸水質(zhì)量增量“時間平方根”定律[9]，該直線的斜率即為生土材料的毛細吸收系數(shù)，其計算結(jié)果見表4所示.這與Matthew Hall的研究結(jié)果相類似，說明初始毛細吸收系數(shù)的研究也能適用于生土材料長時間吸濕性能的研究，而且能夠更加真實地反映生土材料與所處的環(huán)境進行水分傳輸?shù)倪^程和結(jié)果.

圖2 生土材料毛細吸水量隨時間變化曲線Fig.2 Capillary absorption variation curves with time of earth materials

圖3 生土材料毛細吸水量隨時間平方根變化曲線Fig.3 Capillary absorption variation curves with t1/2 of earth materials

mm·min-1/2

由圖2，3和表4可以看出：黃麻纖維改性生土材料的毛細吸水量明顯高于未改性生土材料，水泥和水泥/黃麻復合改性生土材料的毛細吸水量則顯著降低，幾種生土材料的毛細吸收系數(shù)和毛細吸水量的變化規(guī)律基本一致.未改性生土材料摻入黃麻纖維后，毛細吸收系數(shù)顯著提高，從0.904mm·min-1/2增加至1.296mm·min-1/2，增加了43.4%；摻入水泥后則降低了19.8%.水泥改性生土材料中摻入黃麻纖維后，復合改性生土材料的毛細吸水量和毛細吸收系數(shù)有一定程度的提高.

2.2 改性方法對生土材料毛細吸水速率的影響

圖4是不同生土材料毛細吸水速率隨時間的變化規(guī)律.從圖4可以看出：在生土材料入水初期，毛細吸水速率均較大；隨著吸水時間的延長，毛細吸水速率均呈下降趨勢.表5為不同時間區(qū)間幾種生土材料的平均毛細吸水速率.由表5可以看出：0～50min 時間區(qū)間的平均吸水速率為生土材料的初始吸水速率，黃麻纖維改性生土材料初始吸水速率較未改性生土材料提高26.2%，而水泥改性生土材料初始吸水速率降低了25.3%；黃麻纖維改性生土材料在150min之前的平均吸水速率顯著高于未改性生土材料，150min之后吸水速率明顯降低，450～540min時間區(qū)間接近未改性生土材料的平均吸水速率.

圖4 生土材料毛細吸水速率隨時間的變化曲線Fig.4 Curves of capillary absorption rate variation with time of earth materials

g·min-1

2.3 改性方法對生土材料水分表面滲入深度的影響

表6是通過表觀密度法計算得出的生土材料孔隙率.由表6可以看出：生土材料中摻入水泥后，其孔隙率大幅降低，摻入黃麻纖維后孔隙率則小幅提高.圖5是生土材料水分表面滲入深度隨時間變化規(guī)律，其中滲入深度是通過孔隙率和吸水質(zhì)量計算所得.由圖5可以看出：黃麻纖維改性生土材料水分最終滲入深度最大，未改性生土材料水分滲入深度最小，說明黃麻纖維明顯提高了未改性生土材料水分的表面滲入深度；水泥改性生土材料和復合改性生土材料水分的滲入深度基本相同，介于前兩者之間，說明水泥的改性作用不能降低水分的滲入深度，但可以抑制黃麻纖維的水分吸持作用.這是由于水泥的改性作用細化了生土材料的孔結(jié)構(gòu)，同時水化產(chǎn)物的包裹作用改變了黃土顆粒和黃麻纖維自身的吸水特性，水分則通過結(jié)構(gòu)中毛細孔網(wǎng)絡(luò)傳輸至生土材料內(nèi)部.

表6 生土材料的孔隙率

圖5 生土材料水分表面滲入深度隨時間的變化規(guī)律Fig.5 Variation regularity of surface penetration depth with time of earth materials

2.4 改性材料對水分在生土中傳輸機理的影響

生土材料結(jié)構(gòu)中存在3種孔隙：一是黃土團粒內(nèi)部的孔隙，二是團粒與團粒之間的孔隙，三是生土材料原充水空間失水后形成的失水空腔.黃土顆粒自身的多孔特性使其具有一定的水分吸持能力，生土材料的孔隙率較大使其結(jié)構(gòu)中存在粗大毛細孔的可能性較大，未改性和黃麻纖維改性生土材料吸水后首先充滿前2種毛細孔，隨后通過大量的毛細孔導入失水空腔.

黃麻纖維是一種天然植物纖維，自身有一定的吸水性，黃麻纖維在生土材料水分傳輸過程中，起到了類似于導管傳輸?shù)淖饔?同時，黃麻纖維與生土之間僅通過物理作用粘結(jié)，并形成了纖維/生土界面結(jié)構(gòu)，從而降低了生土材料密實度.因此，未改性和水泥改性生土材料中摻入黃麻纖維后，生土材料的毛細吸水量、毛細吸收系數(shù)、毛細吸水速率和表面滲入深度等水分傳輸參數(shù)均明顯提高.

圖6為改性生土材料CEM，CJEM的 28d SEM照片.由圖6(a)可以看出：黃土顆粒周圍包裹大量絮狀的水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠，連接形成網(wǎng)狀的骨架結(jié)構(gòu).圖6(b)中也可以觀察到黃土顆粒周圍和拔出黃麻纖維表面均包裹有大量的水泥水化產(chǎn)物，說明黃麻纖維與生土材料基體之間結(jié)合緊密.因此，水泥改性和復合改性生土材料的28d抗壓強度與未改性和黃麻纖維改性生土材料相比有大幅提高.水泥顆粒的大小低于黃土，在生土材料拌和期間填充在黃土顆粒間的孔隙中，水泥的水化產(chǎn)物包裹于團粒表面，填充在生土材料的失水空腔中，降低了黃土自身的毛細吸水能力，并建立了團粒與團粒之間的化學連接，從而改變了黃土顆粒的表面狀態(tài)和生土材料的孔結(jié)構(gòu).劉軍等[10]的研究表明，臨界孔徑(大尺寸孔隙形成通道時所必須經(jīng)過的最小孔徑)對水泥基材料的物質(zhì)傳輸性能有決定性的作用.由于水泥的改性作用，水泥改性和復合改性生土材料中水分的傳輸主要通過臨界孔徑建立的毛細孔網(wǎng)絡(luò)進行，其水分傳輸特性與未改性和黃麻纖維改性生土材料之間有本質(zhì)差異.

圖6 改性生土材料28d的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photos of modified earth materials at 28d

3 結(jié)論

(1)生土材料的毛細吸水量與時間平方根呈線性關(guān)系；水泥改性生土材料的毛細吸收系數(shù)和初始吸水速率較未改性生土材料分別降低19.8%和25.3%，而黃麻纖維改性生土材料的毛細吸收系數(shù)和初始吸水速率分別提高了43.4%和26.2%.

(2)黃麻纖維改性生土材料水分的表面滲入深度最大，未改性生土材料水分的表面滲入深度最小，水泥改性和復合改性生土材料水分的表面滲入深度介于兩者之間，黃麻纖維明顯提高了生土材料水分的表面滲入深度.

(3)水泥改性生土材料的孔隙率較未改性生土材料降低了41.9%，黃麻纖維改性生土材料的孔隙率則提高了4.1%；水泥改性和水泥/黃麻纖維復合改性生土材料中黃土顆粒周圍和拔出黃麻纖維表面均包裹有大量的水泥水化產(chǎn)物，它改變了黃土顆粒的表面狀態(tài)和生土材料的孔結(jié)構(gòu)，影響了生土材料的水分傳輸特性.