基于糊精灰漿的復(fù)合材料制備及力學(xué)性能試驗研究

王 赟

(陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,漢中 723000)

0 引 言

在石灰、黃土和砂子中加入糯米汁，形成傳統(tǒng)糯米灰漿，它是中國古代一項非常重要的科技發(fā)明[1-4]。傳統(tǒng)糯米灰漿中的糯米不僅具有生物礦化中的有機模板的特性，而且具有協(xié)同作用，改變了石灰漿固化時碳酸鈣結(jié)晶體的微結(jié)構(gòu)，形成了有機/無機的復(fù)合結(jié)構(gòu)[5-8]，改善材料的強度、耐久性和防滲性等，這一傳統(tǒng)技術(shù)在現(xiàn)代改善黏土防滲性能[9-12]和古建筑加固與修復(fù)[13-16]等方面的研究和應(yīng)用取得一定進展。

但是上述文獻中糯米糊化需持續(xù)煮沸0.5～6 h，耗時費力，其次制備的復(fù)合材料在短期內(nèi)強度較低，一般28 d抗壓強度在2 MPa以下。如文獻[1]用濃度分別為1%、2%和3%糯米灰漿和二八灰土仿制保護材料，其抗壓和抗折強度最大為1.77 MPa和0.064 MPa；文獻[9]用糯米漿和1∶1的石灰：砂和石灰：黏土制備的石灰砂漿和灰黏土試塊，它們的抗壓強度分別為0.4 MPa和0.5 MPa，用該砂漿砌筑的墻體雖強度較低但墻體試件的耗能能力卻優(yōu)于水泥砂漿砌筑的構(gòu)件。文獻[17]用糯米漿和1∶1的石英砂：石灰制備材料，測得28 d抗壓強度在1 MPa以下，抗折強度0.5 MPa；文獻[18-19]制備了濃度為5%不同種類的糯米灰漿試塊，其28 d最大抗壓強度0.57 MPa，60 d最大抗壓強度為0.61 MPa。本文為了簡化傳統(tǒng)材料的制備，提高其力學(xué)強度，用直鏈淀粉的糊精乳液、偶聯(lián)劑、石灰、堿性激發(fā)劑和砂土制備石灰/有機物復(fù)合材料，并進行試驗研究。

1 實 驗

1.1 復(fù)合材料制備

試驗采用市售材料，石灰：Ca(OH)2含量不少于99%，分析純；標準砂：中國ISO標準砂；無水碳酸鈉：Na2CO3含量不少于99.8%，分析純；碳酸氫鈉：NaHCO3含量不少于99.5%，分析純；硅酸鈉：分子式Na2SiO3·9H2O，Na2O與SiO2含量之比為1.03±0.03；糊精：生化試劑。

復(fù)合材料制備時，首先將糊精和水以一定質(zhì)量比倒入容器中，進行加熱、攪拌，直至溫度升至80 ℃，保持該溫度恒定，待糊精充分溶解糊化，制備成一定濃度的糊精乳液；其次，將一定比例的砂、黏土和石灰混合，并加入質(zhì)量為石灰質(zhì)量3%的激發(fā)劑拌合成復(fù)合料，其中激發(fā)劑選用碳酸鈉、碳酸氫鈉和硅酸鈉；最后，將0.1%的硅烷偶聯(lián)劑加入制備好的糊精漿液中，并倒入復(fù)合料中攪拌均勻，擊實固化成型即得到復(fù)合材料，制備流程圖見圖1。

圖1 制備流程圖
Fig.1 Flow chart of preparation technology

1.2 試驗設(shè)計和試樣制備

考慮三種不同的糊精濃度、兩種灰、土和砂比例和三種固化劑，設(shè)計兩個系列共26組試驗，見表1。Ⅰ系列中灰∶土∶砂為150∶300∶1350，Ⅱ系列中灰∶土∶砂為 300∶600∶900，Ⅱ系列中試樣編號后帶-1。T表無糊精無激發(fā)劑，DT為有糊精無激發(fā)劑，后邊數(shù)字表百分比的糊精濃度，C、H和S表固化劑分別為碳酸鈉、碳酸氫鈉和硅酸鈉激發(fā)的試樣，后面數(shù)字1、2和3代表糊精濃度分別為8%、12%和16%。

表1 試驗設(shè)計Table 1 Experiment Design

復(fù)合材料制備時先以質(zhì)量比為1∶5.3～1∶11.5制備濃度為8%、12%和16%糊精乳液；按表1中的比例稱取石灰、黏土和砂依次倒入水泥膠砂攪拌機中，稱取質(zhì)量為石灰質(zhì)量3%的激發(fā)劑倒入，在制備好的糊精漿液中加入其含量0.1%的適量硅烷偶聯(lián)劑，倒入水泥膠砂攪拌機中攪勻，在振實臺上振實，其中每系列糊精用量以對比樣用水量為標準，并進行微調(diào)來保證拌合物干濕度合適，每種試樣制備40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試樣兩組，分別測定28 d和90 d抗壓和抗折強度。試樣在溫度25 ℃、相對濕度90%條件下養(yǎng)護后脫模，用NYL-300型壓力試驗機(精度等級1級)和DKZ-5000型電動抗折試驗機，進行28 d和90 d抗壓和抗折性能試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 激發(fā)劑對基本力學(xué)性能影響

同一糊精濃度下不同系列在不同激發(fā)劑作用下的力學(xué)性能結(jié)果如圖2。圖中RS代表抗折強度，CS代表抗壓強度，下同。

圖2 8%～16%糊精濃度下抗壓和抗折強度
Fig.2 Compression strength(CS) and rupture strength(RS) in 8%-16% concentration of dextrin

由圖2(a)可知，糊精濃度為8%時，激發(fā)劑均可提高抗壓和抗折強度，抗壓強度的增加比抗折強度的大，90 d抗壓和抗折強度的增加比28 d的稍大；灰∶土∶砂為1∶2∶3時明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復(fù)合材料強度高，但激發(fā)劑對強度增加幅度減?。划敾摇猛痢蒙盀?∶2∶9時，碳酸氫鈉的效果最好，即H1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度分別為2.7 MPa、4.7 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了69%、88%和100%、120%，硅酸鈉激發(fā)時糊精乳液用漿量相對有些少，導(dǎo)致試樣攪拌有些偏干，當灰∶土∶砂為1∶2∶3時，硅酸鈉的效果最好，即S1-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度分別為4.2 MPa、5.1 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了67%、36%和57%、83%。

由圖2(b)可知，當糊精濃度為12%時，除碳酸氫鈉激發(fā)劑使抗壓強度降低外，激發(fā)劑使復(fù)合材料抗壓和抗折強度提高，90 d抗壓和抗折強度增加幅度比28 d的較大；對相同激發(fā)劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復(fù)合材料強度高；兩系列中硅酸鈉的效果最好，其中S2-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度最高，分別達到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa，分別提高了109%、156%和74%、150%，尤其90 d強度提高較大，試驗過程中碳酸氫鈉激發(fā)時糊精乳液用漿量相對有些少，導(dǎo)致試樣攪拌有些偏干。

由圖2(c)可知，糊精濃度為16%時，激發(fā)劑提高了抗折強度，90 d抗壓強度提高幅度降低，對Ⅰ系列碳酸氫鈉激發(fā)劑提高了抗壓強度，其余對強度影響不大甚至有所降低，Ⅱ系列中碳酸鈉激發(fā)劑對強度降低較多；對相同激發(fā)劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復(fù)合材料強度高，尤其對無激發(fā)劑時的強度提高最多；灰∶土∶砂比為1∶2∶9時碳酸氫鈉的效果最好，即H3試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度分別達到3.4 MPa、4.4 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了36%、41%和50%、42%，灰∶土∶砂為1∶2∶3時碳酸氫鈉和硅酸鈉的效果相當，綜合抗壓和抗折強度，硅酸鈉的效果最好，即S3-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度分別達到4.1 MPa、5.1 MPa和1.1 MPa、1.1 MPa，分別提高了64%、61%和120%、60%。試驗過程中碳酸氫鈉激發(fā)時糊精乳液用漿量相對較少，導(dǎo)致試樣攪拌有些偏干。

總之當糊精濃度為8%和12%時，三種激發(fā)劑在合適的用漿量下都可加快復(fù)合材料凝固固化，提高復(fù)合材料強度，當采用硅酸鈉激發(fā)劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3，糊精濃度為12%時，力學(xué)強度最好，糊精乳液量建議在270～285 mL之間調(diào)整。當無激發(fā)劑時，可采用16%的糊精漿液、灰∶土∶砂為1∶2∶3獲得較高強度。

2.2 糊精濃度對基本力學(xué)性能影響

無激發(fā)劑時，不同糊精濃度的復(fù)合材料抗壓和抗折強度如圖3。由圖3可知糊精的加入大大提高了石灰基膠凝材料的強度；灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比比例為1∶2∶9制備的復(fù)合材料強度高；當灰∶土∶砂為1∶2∶9時，強度隨糊精濃度呈棗核型變化，其中12%的糊精濃度效果較佳，即DT12系列28 d和90 d抗壓和抗折強度分別為2.7 MPa、3.5 MPa和0.7 MPa、0.7M Pa，增幅為120%、133%和147%、133%；當灰∶土∶砂為1∶2∶3時，抗壓強度隨糊精濃度增大而增大，DT16-1系列的復(fù)合材料28 d和90 d抗壓和抗折強度分別為4.4 MPa、5.0 MPa、0.6 MPa和0.8 MPa，增幅為198%、190%和107%、128%。

圖3 無激發(fā)劑復(fù)合材料28 d和90 d抗壓和抗折強度
Fig.3 Compression strength(CS) and rupture strength(RS) of composite materials without excitation at 28 d and 90 d

由于灰∶土∶砂為1∶2∶3時制備的復(fù)合材料強度高，故只分析該類試樣有激發(fā)劑時糊精濃度對強度的影響，結(jié)果如表2。由表2可知有碳酸鈉和硅酸鈉激發(fā)劑時，隨糊精濃度的增加，強度增幅呈棗核型，其中12%濃度效果最好，即S2-1組28 d和90 d抗壓和抗折強度最高，分別達到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa；添加碳酸氫鈉固化劑時，強度增幅基本相反。綜上所述糊精增加了復(fù)合材料的強度，激發(fā)劑下不同的糊精的濃度影響了強度的變化幅度，建議糊精濃度取為12%。

3 固化機理分析

基于糊精灰漿的復(fù)合材料中石灰和糊精乳液是主要組成材料，固化機理是糊精乳液參與下的無機膠凝材料石灰的凝結(jié)硬化。傳統(tǒng)的糯米灰漿中，石灰漿中的氫氧化鈣從空氣中吸收二氧化碳而凝結(jié)硬化，糯米漿參與石灰的硬化實質(zhì)是調(diào)控碳酸鈣晶核的生成，使結(jié)構(gòu)緊密，提高了復(fù)合材料的強度等，本文用糊精乳液的作用類似糯米漿。糯米漿的主要成分是支鏈淀粉，是一個樹枝形大分子結(jié)構(gòu)，在影響碳酸鈣結(jié)晶度的同時，由于吸引力大的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將石灰中氫氧化鈣包裹，限制了其與CO2的反應(yīng)[19]，影響了早期強度。本文用糊精主要成分是直鏈淀粉，是線性短鏈分子，對碳酸鈣晶核的生成有一定影響，但糊精乳液強度較好，滲透性強，加熱后較高濃度的糊精乳液粘性提高，故分布廣泛的羥基可通過靜電作用吸引Ca2+，加快了碳酸鈣晶體成核與生長，同時加入的堿激發(fā)劑也加快了凝結(jié)固化，減小了內(nèi)部凝結(jié)硬化對后期凝結(jié)的影響，偶聯(lián)劑改善了界面之間的相容性，提高了黏結(jié)力和強度等性能，故糊精乳液在調(diào)控碳酸鈣晶核的生成的同時，主要是加快了氫氧化鈣的凝結(jié)硬化，提高了基于糊精灰漿的復(fù)合材料的強度。

表2 Ⅱ系列試樣力學(xué)強度Table 2 Mechanical strength of specimens for Ⅱ series /MPa

4 結(jié) 論

通過加熱并保持溫度80 ℃制備一定濃度的糊精乳液，與一定比例的砂、黏土和石灰混合攪拌，在激發(fā)劑和偶聯(lián)劑作用下制備復(fù)合材料，并對不同組份的復(fù)合材料進行了28 d和90 d抗壓和抗折性能的研究，得到以下結(jié)論：

(1)糊精可提高傳統(tǒng)材料強度，調(diào)整材料中砂的含量和選擇合適的激發(fā)劑可調(diào)整材料強度，且該復(fù)合材料制備方法簡單易行，力學(xué)強度較高。

(2)當灰∶土∶砂為1∶2∶3，糊精濃度取12%，激發(fā)劑采用硅酸鈉時可獲得良好力學(xué)性能，此時復(fù)合材料28 d和90 d抗壓和抗折強度最高，分別達到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa。

(3)試驗過程中糊精乳液用漿量不當會導(dǎo)致試樣不密實或試樣固化時間偏長，從而影響強度，建議最優(yōu)材料配比時用漿量在270～285 mL之間調(diào)整。