生土改性材料基本配比及微观分析

高东

摘要：本文利用脱硫建筑石膏、矿粉和石灰等改性生土材料，并添加适量的外加剂，分别采用浇筑成型和压制成型两种成型方式，以提高强度为主要目标对改性材料的配比做正交试验分析，得到较好配合比分别为，脱硫建筑石膏22.95%，矿粉2.78%，石灰2.23%。材料经过改性后抗压强度可提高2～4倍，其中，压制成型的强度明显优于浇筑成型。

关键词：改性 生土材料 生土建筑 强度 耐水性

1 基本配比的可行性试验方案

1.1 基础配比 查阅相关资料，对生土改性材料种类和配比进行基础实验，其中浇注成型：参照GB/T 17671-

1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》成型。根据文献资料和前人所做的试验，分析各种改性材料的特性，并确定改性材料的基本配比。保持粘土总量为100，改变A（脱硫石膏）、B（矿粉）、C（石灰）、D（水泥）、E（硫铝酸盐水泥）、F（外加剂）、G（秸秆）的掺量，基础配比为：①脱硫石膏掺量为三个级别：A1：20%，A2：36.7%，A3：38.9%；②矿粉掺量为三个级别：B1：4.4%，B2：13.3%，B3：20%；③石灰掺量分为二个级别：C1：3.6%，C2：8%；④水泥掺量分为二个级别：D1：4.4%，D2：13.3%；⑤硫铝酸盐水泥掺量分为一个级别：E1：1.8%；⑥外加剂的种类：F1：2g硫酸铝钾，1g氢氧化钠，1g硫酸钠，1g硅酸钠，0.5g氯化钡；F2：1g氢氧化钠，1g硼酸铵，1g碳酸锂；F3：4g硫酸铝钾，1g氢氧化钠，2g硫酸钠，2g硅酸钠，1g氯化钡；⑦秸秆的掺量分为二个级别：G1：1.1%，G2：3.2%；⑧试验的水固比为0.32；⑨浇筑成型。

1.2 试验结果 胶凝材料加水拌和后制成40mm×40mm×160mm的试件，在（25±3）℃下室内自然养护一天，在（60±1）℃水泥砼养护箱中养护一天，再放入（50±1）℃电热恒温干燥箱中，待试件干燥测其3d、7d和28d的强度。强度测试按照GB/T9776-2008《建筑石膏》标准执行。

考核目标是试件3d、7d和28d抗折和抗压强度以及28d的吸水饱和强度。考虑生土材料的耐水性非常重要，而且一般强度和耐水性是呈正比例关系，通过测量试件的28d的抗压和抗折强度进行结果的讨论，由于实验的影响因素较多，所以实验中采用单因素实验法，所做实验如表1所示，得出实验结果如表2所示。

由表1和表2可知，不掺加改性材料时（1组），试样的抗折、抗压强度较低，试样在水中浸泡不到30min就完全溃散，说明纯土材料的耐水性差；根据文献资料，分别做了2、3和4组实验，实验结果表明，三种改性材料对生土的强度有一定程度的提高，但秸秆与各种材料的结合性不好，对实验结果影响较大，改性材料配比有待进一步改善；5、6、7和8组中，增加了改性材料的种类，同时添加了外加剂，主要分析外加剂的种类和用量对试样性能的影响，结果表明当外加剂为F1时，试样的各项性能较好；在以上实验的基础上，又分别进行了9和10组的实验，结果表明，秸秆与改性材料的相容性很难解决，而外加剂对实验也有一定的负面影响；结合实验结果，可以得到较好的改性配比为A2B1C1D2E1，即36.7%的脱硫石膏、4.4%的矿粉、3.6%的石灰、13.3%的水泥、1.8%硫铝酸盐水泥。

压制成型时，改性材料的配比不变，但水灰比为0.12时，实验结果较好，总的来说压制成型脱模时间较短、力学性能也有所提高，这是因为挤压大大增加了土的强度和耐水性，并且挤压可缩短颗粒间距，增加颗粒接触面积和数量，从而增强颗粒间的结构连结。压制成型更利于大规模生产，有利于改性生土建材的推广。

2 微观分析

试验中，各种不同配比试样的水灰比和养护条件相同，但其力學性能和耐水性却有很大的差异；因此，对几个典型试样进行微观分析，通过其中不同的水化产物和产物的含量，从而来分析试样性能的差异。

实验分别对1号、3号和8号试样进行微观分析，其微观图谱和成分分别如图1、图2和图3所示。

由图1可知，纯生土试样的XRD图谱与生土原料的XRD图谱相似，基本没有发生水化反应。

由图2和图3可知，由于改性材料的加入，水化反应的产物使生土材料的力学性能和耐水性有了很大的提高，改性生土材料是由松散多孔的土体经改性材料作用转化而来的，欲使其获得较高的强度，改性材料应具有胶结土粒及填充孔隙两方面的作用。

3 结论与展望

①本文进行了利用脱硫石膏、矿粉、水泥、硫铝酸盐水泥和石灰改性生土材料的实验研究。②需要对纯生土材料进行2～3d的凝结硬化处理；单掺脱硫石膏时，随着脱硫石膏掺量的增加改性生土材料的凝结时间显著缩短。③泡水不到30min纯生土材料就完全溃散，由于脱硫石膏本身不具有耐水性，在这种情况下，单掺脱硫石膏浸入水中就会溃散。

下一步工作展望：

①需要更进一步改善改性材料对生土材料的性能，增强耐水性能。②虽然较大地提升了改性生土材料的力学工程性能，但是还有待进一步研究墙体材料的热工、吸湿等功能。③由于没有相应的设计规范与施工标准，导致新型生土材料的推广和研究受到不同程度的限制。④需要进一步实验，降低改性材料的种类和用量，以降低成本，有利于生土材料的应用与推广。

参考文献：

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[2]赵永巧.浅谈土壤固化剂的发展与固化机理研究[J].水利科技与经济，2005（10）.

[3]黄新，胡同安.水泥-废石膏加固软土的试验研究[J].岩土工程学报，1998（10）.