改性材料對(duì)生土砌塊濕熱性能的影響

楊 永, 張 楠, 張 磊,3, 榮 輝, 魏成娟

(1.天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300384; 2.承德石油高等專科學(xué)校, 河北 承德 067000; 3.天津城建大學(xué) 天津市建筑綠色功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300384; 4.天津市建筑科學(xué)研究院有限公司, 天津 300193)

生土材料是一種具有悠久歷史的古老建材,因其具有明顯的生態(tài)優(yōu)勢(shì),吸放濕性能,以及可調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度[1]等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用,生土建筑在世界文明發(fā)展的歷程中做出了重要的貢獻(xiàn)[2].尤其在人們普遍關(guān)注能源危機(jī)、零排放的今天,有良好保溫隔熱性能的生土材料具有廣闊的發(fā)展前景[3].然而,傳統(tǒng)生土材料強(qiáng)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[4].因此生土材料的改性已成為研究熱點(diǎn).

劉軍等[5-6]研究了礦渣、粉煤灰、水泥等摻和料單摻與復(fù)摻對(duì)生土墻體材料力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明單摻水泥對(duì)生土墻體材料力學(xué)性能改性效果較好,復(fù)摻摻和料的生土墻體材料與單摻時(shí)相比,其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和收縮變形值均增加.張波[7]研究發(fā)現(xiàn)淀粉也可用于生土改性,生土強(qiáng)度有一定的提高.Achenza等[8]采用植物纖維與天然高分子化合物復(fù)摻改性生土材料,結(jié)果表明天然高分子化合物可改變生土的孔隙率與密度,復(fù)摻植物纖維和天然高分子化合物能有效改善生土材料的力學(xué)性能并使生土材料的耐水性有較大的提高.Ciancio等[9-10]分別研究了石灰和水泥改性對(duì)生土材料微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和耐水性的影響.劉俊霞等[11]研究了不同改性材料對(duì)生土材料水分傳輸特性的影響,結(jié)果表明水泥的摻入改變了黃土顆粒表面狀態(tài)和生土材料的孔結(jié)構(gòu),水泥改性生土材料的毛細(xì)吸收系數(shù)和初始吸水速率較未改性生土材料分別降低了19.8%和25.3%.

上述研究表明,通過(guò)物理或化學(xué)方法改性可以改善生土材料的力學(xué)性能和耐水性,改變其水分傳輸特性,而在改性材料對(duì)生土導(dǎo)濕和導(dǎo)熱性能影響方面的研究尚不夠全面充分.本文使用水泥、石灰、改性纖維對(duì)生土材料進(jìn)行改性處理,研究生土砌塊在不同濕度條件下的濕熱性能,討論了不同的改性材料對(duì)其濕熱性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

生土采用陜西省北部榆林市綏德縣黃土,其化學(xué)組成(1)文中涉及的組成、水固比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.見(jiàn)表1,XRD圖譜見(jiàn)圖1;水泥選用天津冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2;石灰采用工業(yè)級(jí)生石灰,有效CaO含量為56%;植物纖維采用稻草秸稈纖維,先用鍘草機(jī)鍘成2～3cm,再用球磨機(jī)粉磨15min,長(zhǎng)徑比為6∶1;砂為市售河砂,細(xì)度模量為2.6.

表1 生土的化學(xué)組成

圖1 生土的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of raw soil

表2 水泥技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 生土砌塊的制備

生土砌塊采用壓制成型工藝,尺寸為200mm×200mm×5mm,配合比見(jiàn)表3,水固比為0.12.首先加入適當(dāng)水將原狀黃土陳化處理,實(shí)現(xiàn)膠結(jié)黏粒與礫石或砂礫均勻混合,降低生土的粒度.取陳化好的黃土,按照表3所示配合比(加水量應(yīng)除去陳化用水)加入其他材料,攪拌均勻后置于成型模具中,使用壓力機(jī)勻速加壓至8MPa,保壓4s后卸載脫模.單摻水泥的生土砌塊Y-1～Y-5(對(duì)照試件Y-0)采用密封膜密封后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);單摻石灰的生土砌塊Y-7～Y-9(對(duì)照試件Y-6)采用密封膜密封養(yǎng)護(hù);復(fù)摻水泥、石灰、纖維的生土砌塊Y-11～Y-13(對(duì)照試件Y-10)采用噴水結(jié)合密封膜密封養(yǎng)護(hù).所有試件均養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期.

表3 生土砌塊的配合比

1.3 生土砌塊性能測(cè)試方法

濕熱性能：采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法測(cè)定試件吸濕率,利用恒溫恒濕試驗(yàn)箱制造穩(wěn)定的恒溫恒濕條件,箱體內(nèi)的相對(duì)濕度通過(guò)通風(fēng)換氣進(jìn)行控制.溫度恒定為(25±1)℃,相對(duì)濕度RH設(shè)為40%、60%、80%、98%.

利用熱流法導(dǎo)熱儀,采用穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)定試件的導(dǎo)熱系數(shù)(λ).

利用氮吸附測(cè)試不同試件的毛細(xì)孔容積.

按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》測(cè)定試件的干密度.

使用JSM-7800F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)

試件進(jìn)行微觀分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 生土砌塊吸濕性能分析

2.1.1不同相對(duì)濕度下生土砌塊吸濕率與平衡含濕量

圖2為生土砌塊在不同相對(duì)濕度下的吸濕率.由于試驗(yàn)中Y-0、Y-1、Y-2、Y-6在相對(duì)濕度為98%的條件下進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)試塊潰散,無(wú)法得到相應(yīng)結(jié)果,其在相對(duì)濕度為40%、60%、80%狀態(tài)下則未進(jìn)行測(cè)試.當(dāng)時(shí)間t=0時(shí)，測(cè)量不同相對(duì)濕度下的生土砌塊吸濕率為初始吸濕率，當(dāng)生土砌塊內(nèi)部的濕度與環(huán)境濕度達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得其平衡含濕量.由圖2可以看出：生土砌塊的初始吸濕率和平衡含濕量隨著相對(duì)濕度的增加而增加;在相對(duì)濕度為40%和60%時(shí)，復(fù)合改性生土砌塊的平衡含濕量均大于石灰改性和水泥改性生土砌塊.由于水泥的摻入,黃土顆粒周圍包裹大量的水泥水化產(chǎn)物,使黃土顆粒的吸濕性顯著降低,故水泥改性生土砌塊的平衡含濕量隨著水泥摻量的增加而降低.同時(shí),由于生土砌塊在壓制成型過(guò)程中加水量較低,當(dāng)生土砌塊處于較高的環(huán)境濕度條件下時(shí),水泥會(huì)吸收水分繼續(xù)水化,因此隨著水泥摻量的增加,生土砌塊的平衡含濕量有小幅增加.復(fù)合改性生土砌塊的吸濕率隨著稻草纖維摻量的提高而增加,這是由于稻草纖維自身的吸濕性和導(dǎo)管傳輸作用及其與生土砌塊基體的截面影響所致.

圖2 生土砌塊在不同相對(duì)濕度下的吸濕率Fig.2 Moisture absorption ratio of raw soil blocks at different relative humidities

由圖2還可知：當(dāng)相對(duì)濕度為40%時(shí),生土砌塊前60h內(nèi)吸濕率較低,各試件60h吸濕率的平均值約為55%,60h以后吸濕率平穩(wěn)上升,125h后生土砌塊的吸濕率基本不變,即125h時(shí)達(dá)到吸濕平衡;當(dāng)相對(duì)濕度為60%時(shí),各生土砌塊在300h時(shí)達(dá)到吸濕平衡,各試件60h吸濕率的平均值約為86%;當(dāng)相對(duì)濕度為80%時(shí),各生土砌塊在120h時(shí)達(dá)到吸濕平衡,各試件60h吸濕率的平均值約為91%;當(dāng)相對(duì)濕度為98%時(shí),吸濕速率快的試件在60h以前就達(dá)到吸濕平衡,各試件60h吸濕率的平均值約為95%.

不同相對(duì)濕度下,對(duì)比同系列試件平衡含濕量可以發(fā)現(xiàn),試件的平衡含濕量隨著相對(duì)濕度的增加而增大.以復(fù)摻1.5%纖維的改性試件Y-13為例：在相對(duì)濕度為40%時(shí),試件Y-13的平衡含濕量為1.02%,在相對(duì)濕度為80%時(shí),試件Y-13的平衡含濕量增大至13.42%,且當(dāng)試件Y-13相對(duì)濕度為98%時(shí),達(dá)到平衡含濕量的時(shí)間較相對(duì)濕度為60%時(shí)縮短了160h.

2.1.2毛細(xì)孔含量對(duì)試樣吸濕速率的影響

圖3為生土砌塊中小于70nm的毛細(xì)孔容積.從圖3看出：復(fù)合改性生土砌塊的累積孔容積最高,其次為水泥改性生土砌塊,最低為石灰改性生土砌塊及其對(duì)照試件.分析復(fù)合改性生土砌塊的毛細(xì)孔容積最高的原因：一是稻草秸稈纖維自身的孔隙性;二是水泥、石灰發(fā)生水化反應(yīng),生成水化硅酸鈣凝膠,細(xì)化了生土砌塊的孔結(jié)構(gòu);三是水泥水化反應(yīng)生成的凝膠具有凝膠孔,體積一般為水化硅酸鈣凝膠體積的28%左右,其尺寸大小為0.5～10.0nm,因此生土砌塊的毛細(xì)孔容積隨著水泥摻量的增加而增加.

圖3 生土砌塊中小于70nm的毛細(xì)孔容積Fig.3 Cumulative pore volume below 70nm of raw soil blocks

2.2 生土砌塊導(dǎo)熱性能分析

表4為生土砌塊導(dǎo)熱系數(shù)(λ)和干密度的測(cè)試結(jié)果.由于試驗(yàn)中Y-0、Y-1、Y-2、Y-6在相對(duì)濕度為98%的條件下進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)試塊潰散,無(wú)法得到相應(yīng)結(jié)果,其在相對(duì)濕度為40%、60%、80%狀態(tài)下則未進(jìn)行測(cè)試.圖4為改性生土砌塊的SEM圖.由表4可見(jiàn),水泥改性生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)隨水泥摻量增加而提高,當(dāng)水泥摻量為15%時(shí),試件Y-5在干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.478W/(m·K),較試件Y-0提高了10.9%.這主要是因?yàn)樵诟稍餇顟B(tài)下水泥水化生成的水化產(chǎn)物填充在黃土顆粒之間,如圖4(a)所示,生土砌塊的累計(jì)孔容積降低,從而導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)增大.

表4 生土砌塊導(dǎo)熱系數(shù)和干密度

摻入石灰后,因生成晶粒粗大的氫氧化鈣(CH)而使生土砌塊的密實(shí)度降低,如圖4(b)所示,因此生土砌塊導(dǎo)熱系數(shù)下降,且石灰改性生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)隨石灰摻量增加而降低,當(dāng)石灰摻量為15%時(shí),試件Y-9在干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.428W/(m·K),較同條件不摻石灰試件Y-6降低了4.5%.

圖4 改性生土砌塊的SEM圖Fig.4 SEM micrographs of modified raw soil blocks

復(fù)合改性生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維摻量增加而降低,當(dāng)纖維摻量為1.5%時(shí),試件Y-13在干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.399W/(m·K),較同條件不摻纖維試件Y-10降低了13.1%.這是因?yàn)槔w維自身的多孔結(jié)構(gòu)可提高生土砌塊的累計(jì)孔容積,如圖4(c)所示,從而降低了生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù).

復(fù)合改性生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)隨著相對(duì)濕度的增大而增大,這主要是由于水的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于空氣所致.當(dāng)相對(duì)濕度由40%增加到60%時(shí),達(dá)到吸濕平衡時(shí)生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)增加速率最大;這是由于在完全干燥狀態(tài)下,生土砌塊內(nèi)部熱量傳遞主要是靠顆粒之間的熱傳導(dǎo);當(dāng)黃土顆粒吸收了水分后,水分子呈膜狀附著在細(xì)小顆粒上,相應(yīng)地增大了黃土顆粒之間的接觸面積,熱傳導(dǎo)隨之加快;平衡含濕量小于1%時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)隨平衡含濕量增加的變化不是很顯著,當(dāng)黃土顆粒表面吸附足夠的水分時(shí)生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加.隨著相對(duì)濕度的增加,生土砌塊的平衡含濕量提高,材料內(nèi)部的熱傳遞主要通過(guò)水分的熱對(duì)流進(jìn)行,因此,隨著相對(duì)濕度的增加,導(dǎo)熱系數(shù)增幅降低并逐步趨于穩(wěn)定.

3 結(jié)論

(1)生土砌塊的初始吸濕率、平衡含濕量和60h吸濕率隨著相對(duì)濕度的增加而增加;當(dāng)相對(duì)濕度為40%和60%時(shí)，復(fù)合改性生土砌塊平衡含濕量大于石灰改性和水泥改性生土砌塊;隨著相對(duì)濕度的增加,同系列生土砌塊的平衡含濕量增大.

(2)復(fù)合改性生土砌塊的70nm以下毛細(xì)孔容積最高,其次為水泥改性生土砌塊,最低為石灰改性生土砌塊.

(3)水泥改性生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)隨水泥摻量增加而增大,石灰改性和復(fù)合改性生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)分別隨著石灰和稻草秸稈纖維摻量的增加而降低,生土砌塊的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢(shì)基本相同;生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)隨著相對(duì)濕度的增加而增加,當(dāng)相對(duì)濕度由40%增加到60%,達(dá)到吸濕平衡時(shí)生土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)增加速率最大.