吹填土生态胶凝材料制备及力学性能的研究

2012-09-04孙树栋杨久俊曹梦婷

天津建设科技 2012年6期

□文/曲烈李剑张娜孙树栋杨久俊曹梦婷

吹填土生态胶凝材料制备及力学性能的研究

□文/曲烈李剑张娜孙树栋杨久俊曹梦婷

研究了无机固化剂掺量对吹填土生态胶凝材料力学性能的影响及固化机理。通过对天津滨海新区吹填土中掺入50%自配不同无机固化剂，测定试件抗压强度并采用超景深电镜、X RD对吹填土生态胶凝材料微观结构进行分析。结果表明，掺水泥和膨胀剂复合固化剂的吹填土生态胶凝材料力学性能明显优于未掺试件，微观结构分析说明其中产生大量的C-S-H凝胶和A Ft并且随着固化剂掺量增加，该水泥力学性能明显提高。当水泥和膨胀剂掺量为50%时，试件抗压强度达到了35.8 M Pa，说明该胶凝材料是一种新型生态水泥。

吹填土；生态胶凝材料；制备；固化作用；强度；力学性能

为保持生态环境，人类很早就学会了将生土材料应用于建筑。以生土为原料，经过处理制成建筑材料，使用后的材料经过粉碎后可撒入土中，进入当地的循环系统，减少资源及环境负荷，这种材料是其他材料无法取代的。另一方面随着天津滨海新区建设发展，土地资源日趋紧张，而新区建设又需要大量的建筑材料，滨海新区沉积淤泥即吹填土和难种植植被的盐渍土则可能成为被利用的建筑材料，因而吹填土改性研究是天津滨海新区建设中必须解决的实际技术课题[1～3]。

吹填土类似盐渍土，在其被吹填过程中，泥砂的组织结构受到破坏并以细小颗粒的形式缓慢沉积而成，具有塑性指数大、孔隙比大、高压缩性、渗透性小的特点；这些材料本身缺陷将影响吹填土作为生土建筑材料的利用，因而对吹填土建筑材料的激发改性是必不可少的。吹填土激发改性是指通过一定的工艺，向生土中加入激发材料，利用生土材料内部发生的一系列物理化学反应让土粒胶结，从而改变生土材料的原有结构和性质，达到增强其物理力学性能的目的。国内外学者正在研究对其进行无机改性、有机改性，但是这些研究目的大多都是将改性后的生土材料用于道路或路基等[4～6]，故得到的试验结果强度均较低，其改性材料不适合作为生态胶凝材料来使用。本文旨在研究以生土为主的复合胶凝材料结构与性能。通过对天津滨海吹填土中加入不同掺量固化剂，测试其改性土体前后材料抗压强度和微观结构，研究固化剂掺量对复合胶凝材料性能改善程度，使之能够达到或接近普通水泥的力学性能，为其在城市和乡村建设中的应用提供理论基础和实践依据。

1 材料及试验方法

1.1 原料与仪器

所用吹填土取自天津滨海新区临港经济开发区临海公路旁。吹填土经球磨机粉磨30 min后，平均粒径为9.26 μm。利用荧光分析吹填土的化学组成，得知吹填土中氧化物成分主要是种氧化物总含量达到70%以上，SiO2含量为48.67%。通过超景深电镜照片发现，吹填土大部分由大小不一的结晶颗粒组成，其中主要是无色结晶微粒；经XRD图谱分析，主要含有石英、钠钾长石等。所用的42.5号普通硅酸盐水泥为天津振兴水泥厂生产的，所用的萘系减水剂系天津飞龙混凝土减水剂厂生产的，所用的UEA低碱砼膨胀剂是天津豹鸣建筑材料厂生产的。

试验仪器和设备：水泥净浆搅拌机、试验用球磨机、烧杯（500 mL）、电子称(精确至 0.1 g)、量筒（250 mL和10 mL）、玻璃棒、水泥净浆成型养护模具、振实台、JYE-300A型全自动恒压力机、DKZ-5000型水泥抗折试验机、水泥快速养护箱、40 mm×40 mm×160 mm钢模、水泥标准养护箱。强度测试参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。

1.2 材料配方设计和制备

1）材料配方设计。单掺水泥生态胶凝材料组水泥掺量分别为 30%、35%、40%、45%、50%，水灰比为 0.25；复掺水泥和膨胀剂生态胶凝材料组水泥掺量为38%、40%、42%，膨胀剂为 12%、10%、8%，水灰比为 0.2 和 0.25，1%减水剂。材料制备按GB/T 17671—1999进行，养护制度为静停-干热养护，室温静停1 d脱模后，80℃养护1 d至试验日期。

2 试验结果分析

2.1 水泥和膨胀剂对吹填土生态胶凝材料抗压强度的影响

水泥掺量由0增加到30%时，试样强度稍有提高，但是幅度并不是很大；但掺量为30%～35%试样强度明显提高增加了近1倍；之后当水泥掺量在40%～45%间试样强度达到20 MPa；当水泥掺量为50%时，试样强度达到25.2 MPa，见图1。随着水泥掺量的增加，试样强度大幅度增加，其原因主要是土体通过化学改性，内部的水泥发生水化反应，即水泥颗粒、吹填土和水相遇后，水泥矿物与水发生水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙及钙矾石将土体粘结在一起而使得强度提高。

另外，当水灰比为0.25时，膨胀剂掺量为8%试块抗压强度达到32 MPa；当掺量＞10%时，试块抗压强度呈下降趋势；当膨胀剂掺量超过10%时，抗压强度又有所上升；而当水灰比为0.20时，膨胀剂掺量从8%到10%，试块抗压强度呈上升趋势，在10%达到最大值35.8 MPa，但当掺量继续增加试块抗压强度又开始大幅下降；当膨胀剂掺量为10%时，水灰比为0.20的试块强度比水灰比为0.25的高很多，见图2。

综合考虑选取膨胀剂适宜掺量为8%～10%。掺膨胀剂提高强度的原因是增加了膨胀组分，即钙矾石溶解度小且易结晶析出，结晶后体积增加显著，能充填于土壤颗粒中的毛细孔、颗粒间隙孔中，使土的孔隙体积减小；当水灰比为0.20时，水泥-土体内部的密实性较高故而强度进一步增加。

2.2 水灰比和减水剂对吹填土生态胶凝材料抗压强度的影响

水灰比在0.21时，抗压强度达到35.2 MPa，但是水灰比为0.22时，强度却下降很大，之后水灰比从0.22增加到0.24时试块的抗压强度又有大幅上升的趋势，再到水灰比为0.25时，强度又开始略微下降，见图3。

水灰比越大，成型时流动性越好，但试样抗压强度减少。水灰比为0.22时，试块强度下降的原因可能是由于振动成型中出现的误差。综合考虑选择水灰比为0.25。

掺加减水剂，可提高吹填土生态胶凝材料的分散、流动性能，使得水泥和土壤粒子保持分散状态。当减水剂掺量从1.0%增加到1.6%，试块抗压强度随之增加，见图4。

图4 减水剂对吹填土生态胶凝材料抗压强度的影响

综合考虑减水剂的最佳掺量选为1.0%～1.5%。

2.3 砂灰比对吹填土改性砂浆抗压强度的影响

当砂灰比为0.5时，试块抗压强度为23.1 MPa，但随着砂灰比增加到0.8时强度略微下降，当砂灰比继续增加到1.0时强度下降更大，而当砂灰比增加到1.5时试块强度又开始大幅上升，见图5。

综合考虑最佳砂灰比选择为1.5。砂子在土体中不仅起到填充的作用，而且起到限制体积变形的作用。具体地说，土壤的弹性模量小于砂子的弹性模量，受压时砂子起到限制横向变形和刚性骨架的作用，而水泥-土则起到胶结作用，将刚性骨架砂子连接在一起共同承力。因此设计土基改性材料配比时，应充分考虑砂灰比对生土材料强度和弹性模量的影响。

2.4 微观结构和固化机理分析

本研究采用的土壤固化机理主要为综合固化作用，既有物理化学作用又有化学作用。物理化学作用主要表现为掺加减水剂的分散作用；化学作用主要表现为水泥和膨胀剂固化组分的水化反应以及与土壤颗粒之间的反应机理[7～9]。通过超景深电镜对掺入固化剂的土样显微结构进行了测试，见图6和图7。

可以看到，掺水泥的土体内部还有大量的孔隙且土体颗粒间连接松散；掺入膨胀剂后，有针状或管状的钙矾石填充在土的颗粒之间或附在颗粒表面，将土的颗粒结成整体使试件强度有了很大提高。

XRD分析结果表明，掺膨胀剂试样中生土改性材料将形成更多CSH凝胶及AFt水化产物，说明试样强度不仅决定于水化产物的多少，还决定其水化产物的种类；掺膨胀剂增加AFt，将有利于强度的提高。当膨胀剂掺量为 8%、10%、12%时(1%减水剂，0.25 水灰比)，吹填土生态胶凝材料中水化后主要产物是C-S-H凝胶、钙矾石和Ca(OH)2结晶，还有一定的碳酸钙；随着膨胀剂掺量增多，石英的衍射峰略微下降，钙矾石衍射峰逐渐上升。在30°左右处存在非晶物质为C-S-H凝胶，见图7。