基于堿激發(fā)S95礦粉改性生土的試驗(yàn)研究

孟宏睿， 陳麗紅， 付江濤

(陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日漸突出，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已成當(dāng)今國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的問(wèn)題。中國(guó)于2018年頒布《國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃(2018—2022年)》，提出了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，其中，生態(tài)宜居是關(guān)鍵。生土建筑作為我國(guó)民居傳統(tǒng)建筑形式(圖1)，現(xiàn)在仍大量存在，在陜南地區(qū)，特別是欠發(fā)達(dá)縣域的農(nóng)村更是廣泛存在[1]。生土作為一種建筑材料，具有就地取材、技術(shù)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、倒塌后可回收、有較好的熱工、調(diào)節(jié)濕度等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此，在日益提倡環(huán)境保護(hù)的背景下，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)生土的力學(xué)特性展開(kāi)了多方面的研究，但同時(shí)值得一提的是生土也具有強(qiáng)度低、耐久性差、遇水易崩解性、水敏性等弱點(diǎn)[3]，這些弱點(diǎn)在一定程度上限制了生土材料的應(yīng)用和技術(shù)推廣。由此，對(duì)生土進(jìn)行改良，提高生土強(qiáng)度、耐久性和降低其水敏性是擴(kuò)大其推廣范圍的關(guān)鍵。目前，生土改良主要的技術(shù)包括物理改良和化學(xué)改良。其中，物理改良是指采用物理方法如強(qiáng)夯、煅燒、加入筋材等方式改良土體物理性狀，從而改善其強(qiáng)度和穩(wěn)定性[4-8]。化學(xué)改良是指采用在土體中加入各種化學(xué)改良劑，使其與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生膠凝材料，從而提高其強(qiáng)度[9-16]。但這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相比較而言，將化學(xué)改良和物理改良方法結(jié)合起來(lái)則有著更為廣闊的發(fā)展前景。

本文通過(guò)在保證較好制備性能的情況下，利用自然風(fēng)干的生土，在其中摻入S95礦粉、復(fù)合激發(fā)劑(水玻璃質(zhì)量∶乙二醇質(zhì)量∶氫氧化鈉質(zhì)量=5∶1∶1，化學(xué)改良)和聚丙烯纖維(物理改良)，通過(guò)試驗(yàn)研究生土粒徑、生土與礦粉的質(zhì)量比、有機(jī)纖維的摻入、復(fù)合堿性激發(fā)劑的摻量對(duì)生土材料抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響，并通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)改性生土的微觀機(jī)理進(jìn)行探究。研究結(jié)果可為陜南地區(qū)傳統(tǒng)生土(土坯)建筑的發(fā)展以及環(huán)境生態(tài)保護(hù)等提供參考。

(a)福建土樓 (b)陜南生土建筑圖1 生土建筑

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

生土：原土取自陜南寧強(qiáng)縣粘土，天然密度2.15 g/cm3，天然含水率21.0%，液限27%，塑限17%。將自然風(fēng)干的生土(含水率1.2%)磨細(xì)，制備過(guò)篩粒徑為0.1、0.3、0.5 mm的土樣。

S95礦粉：漢中漢鋼新型建材有限公司，密度2.88 g/cm3，比表面積440 m2/kg，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 S95礦粉性能指標(biāo)

堿性激發(fā)劑：NaOH，分析純，NaOH含量≥98%，碳酸鹽(以Na2CO3計(jì))≤1.5%；Na2SiO3·9H2O，分析純，Na2O含量在19.3～22.8之間，Na2O與SiO2含量比1.03±0.03；乙二醇(HOCH2CH2OH)，分析純，分子量62.07，比重范圍1.112 8～1.113 8，沸程196～199 ℃。

聚丙烯纖維：聚丙烯纖維的密度為0.90～0.92 g/cm3，纖維長(zhǎng)度為1.5～200.0 mm。

水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將自然風(fēng)干的生土磨細(xì)分別用粒徑0.1、0.3、0.5 mm的篩子過(guò)篩，礦粉采用S95，按生土與礦粉質(zhì)量比(CL∶SP)為6∶4(A組)和7∶3(B組)進(jìn)行摻配。為保證有較好成型條件，采用水料比0.3加入用水量，即水質(zhì)量/(生土質(zhì)量+礦粉質(zhì)量)=W/(CL+SP)=0.3。復(fù)合激發(fā)劑由水玻璃∶乙二醇∶氫氧化鈉=5∶1∶1(質(zhì)量比)構(gòu)成，按礦粉質(zhì)量(SP)的4%、6%、8%摻入；對(duì)A試驗(yàn)配比組，分別按生土和礦粉總質(zhì)量1%的量摻入聚丙烯纖維(編號(hào)AX組)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1.3 試樣制備

將生土土樣、S95礦粉按比例加入水泥膠砂攪拌機(jī)中低速攪拌1 min，再加入溶有復(fù)合激發(fā)劑(或溶有復(fù)合激發(fā)劑及聚丙烯纖維)的水，高速攪拌2 min形成低流態(tài)混合物，將低流態(tài)混合物分兩次裝入40 mm×40 mm×160 mm水泥膠砂試模，用水泥膠砂振實(shí)臺(tái)振實(shí)60 s，將試模表面刮平，帶模在水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d后拆模，室溫下養(yǎng)護(hù)28 d，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)象

試件在YAW-300C全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(圖2)上進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測(cè)試。每個(gè)試件均以峰值荷載計(jì)算其抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。試件折斷后的斷面照片如圖3所示。改性生土的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖4所示。

圖2 YAW-300C全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)

表2 原土及改性生土試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

(a)無(wú)摻料生土 (b)CL∶SP=7∶3 (c)CL∶SP=6∶4 圖3 試件折斷后的斷面

(a)CL∶SP=7∶3 (b)CL∶SP=6∶4圖4 改性生土的SEM照片

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 礦粉、復(fù)合激發(fā)劑對(duì)生土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響

從圖3可以看出，生土材料加入礦粉后，干燥后的試塊顏色由紅褐色變?yōu)辄S褐色，并隨著摻入比例的變化在其內(nèi)部出現(xiàn)有青色，與原土體顏色有明顯差別，說(shuō)明加入礦粉改變了原生土材料的外觀性能。從改性生土材料的SEM照片(圖4)中可以看出，由于S95礦粉及激發(fā)劑的加入，試件材料發(fā)生了相應(yīng)的水化反應(yīng)，生成兩種主要的凝膠產(chǎn)物——水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。其膠凝性能使生土顆粒間相互交叉連接、包裹并覆蓋在生土顆粒表面，使比表面積增大，擁有穩(wěn)定的整體性結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將增強(qiáng)生土顆粒之間的粘合力，并改善生土的性能。

2.2 復(fù)合激發(fā)劑對(duì)改性生土強(qiáng)度的影響

由表2、圖5—圖7可以看出，無(wú)論A組、B組或AX組的試驗(yàn)中，生土與S95礦粉混合，摻入復(fù)合激發(fā)劑可以明顯提高改性生土的力學(xué)性能。不同過(guò)篩孔徑的土樣，雖然提高的程度稍有不同，但提高的幅度均較大，其中在無(wú)纖維摻入時(shí)28 d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件的最高變化率為400%(B33對(duì)比B03)和1 012.57%(A21對(duì)比A01)。當(dāng)復(fù)合激發(fā)劑的摻量增加到6%之前，增加復(fù)合激發(fā)劑的摻量強(qiáng)度變化較大；而摻量由6%變到8%時(shí)，強(qiáng)度的變化幅度不大，對(duì)于A組和AX組試件來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)度有所降低；對(duì)B組來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度雖沒(méi)有降低，但增幅明顯減小。這說(shuō)明摻入復(fù)合激發(fā)劑可以有效激發(fā)S95礦粉的活性，使其活性物質(zhì)在弱堿性環(huán)境中進(jìn)行水化反應(yīng)，隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，生成的水化硅酸鈣凝膠等物質(zhì)填充生土縫隙，細(xì)化生土材料的孔結(jié)構(gòu)，并提供骨架支撐作用，從而有效地改善了生土材料的力學(xué)性能。從試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，復(fù)合激發(fā)劑的摻量有一個(gè)較為合理的取值時(shí)，可以使其強(qiáng)度有較大幅度的增長(zhǎng)。

(a)抗折強(qiáng)度 (b)抗壓強(qiáng)度 圖5 復(fù)合激發(fā)劑摻量對(duì)過(guò)篩0.1 mm篩孔生土力學(xué)性能的影響

2.3 生土顆粒粒徑對(duì)改性生土強(qiáng)度的影響

對(duì)照表2及表3的計(jì)算可以看出，隨著生土顆粒變細(xì)，改性生土的28 d抗折強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度大都有所提高，且對(duì)28 d抗折強(qiáng)度的提高影響相對(duì)明顯。從生土與礦粉的比例為6∶4(A組和AX組)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，生土顆粒越細(xì)強(qiáng)度提高幅度較大，而生土與礦粉比例為7∶3(B組)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，生土顆粒越細(xì)而強(qiáng)度提高的幅度較小。隨著生土粒徑的減小，改性生土的28 d抗壓強(qiáng)度最高變化率為36.10%(B1組)，28 d抗折強(qiáng)度最高變化率為204.69%(A3組)。這說(shuō)明，在復(fù)合激發(fā)劑的作用下，增加礦粉含量，生土顆粒越細(xì)，則發(fā)生物理改性和化學(xué)改性就更充分，從而促成強(qiáng)度更為有效的提高，這從圖3試件斷面的照片中也得到了印證。原土的斷面照片紅褐色，CL∶SP=7∶3的斷面顏色逐漸泛黃褐色，CL∶SP=6∶4的斷面中可以清楚看到泛青色。這也進(jìn)一步說(shuō)明在復(fù)合激發(fā)劑的激發(fā)作用下，S95礦粉發(fā)生了類似普通硅酸鹽水泥加固土體的化學(xué)反應(yīng)，與原土體顏色有明顯差別，改變了原生土材料的性能。

(a)抗折強(qiáng)度 (b)抗壓強(qiáng)度圖6 復(fù)合激發(fā)劑摻量對(duì)過(guò)篩0.3 mm篩孔生土力學(xué)性能的影響

(a)抗折強(qiáng)度 (b)抗壓強(qiáng)度圖7 復(fù)合激發(fā)劑摻量對(duì)過(guò)篩0.5 mm篩孔生土力學(xué)性能的影響

表3 生土過(guò)篩粒徑對(duì)改性生土力學(xué)性能的影響

2.4 摻入有機(jī)纖維對(duì)改性生土強(qiáng)度的影響

由表4—表6的數(shù)據(jù)可以看出，有機(jī)纖維的摻入對(duì)改性生土28 d抗壓強(qiáng)度的影響不一致，有提高的也有降低的，但抗壓強(qiáng)度的變化率不大；對(duì)改性生土28 d抗折強(qiáng)度影響較為明顯，特別是土粒過(guò)篩粒徑0.5 mm、復(fù)合激發(fā)劑摻量8%的試件(A33組)，其28 d抗折強(qiáng)度的變化率達(dá)到220.31%。

表4 有機(jī)纖維對(duì)過(guò)篩0.1 mm篩孔生土力學(xué)性能的影響

表5 有機(jī)纖維對(duì)過(guò)篩0.3 mm篩孔生土力學(xué)性能的影響

表6 有機(jī)纖維對(duì)過(guò)篩0.5 mm篩孔生土力學(xué)性能的影響

3 結(jié)語(yǔ)

(1)復(fù)合生土(生土+S95礦粉)摻入復(fù)合激發(fā)劑改性后(改性生土)，可以有效提高生土的強(qiáng)度。加入的復(fù)合激發(fā)劑有效激發(fā)了復(fù)合生土中礦粉的活性成分，能生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，從而改善生土的力學(xué)性能。

(2)隨著復(fù)合激發(fā)劑摻量的增加，改性生土的28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有提高，而且28 d的抗壓強(qiáng)度提高幅度較為明顯；當(dāng)復(fù)合激發(fā)劑摻量在達(dá)到6%之前，隨著摻量的增加抗壓強(qiáng)度提高幅度較大；在復(fù)合激發(fā)劑摻量達(dá)到6%之后，隨著摻量的增加，相較于摻量6%的復(fù)合生土，28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有較小提高或略有降低。復(fù)合激發(fā)劑摻量在6%時(shí)較為理想。

(3)改性生土中礦粉越多，土顆粒越細(xì)，則強(qiáng)度提高越明顯。當(dāng)S95礦粉增加時(shí)，生土的顆粒越細(xì)則生土和礦粉更能有效填充，在激發(fā)劑的作用下，更有利于發(fā)生物理改性和化學(xué)改性，從而有效地提高生土的強(qiáng)度。

(4)有機(jī)纖維能有效提高改性生土的28 d抗折強(qiáng)度，但對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響不大。