自密实生土基改性材料的强度发展规律研究

马聪，杜骁，陈兵（.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院安全与防灾工程研究所，上海　0040；.上海交通大学招投标管理办公室，上海　0040）



自密实生土基改性材料的强度发展规律研究

马聪1，杜骁2，陈兵1
（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院安全与防灾工程研究所，上海200240；2.上海交通大学招投标管理办公室，上海200240）

摘要：以原状黄土为基料，选用高效固化剂混掺粉煤灰作为胶凝材料，制备了自密实生土基改性材料，测试了改性材料在不同龄期的无侧限抗压强度，得出了基于早期强度测试结果的中后期强度预测模型。结果表明：生土基改性材料的自密实特性可通过调节水固比及减水剂用量获得；水固比与固化材料掺量能显著影响改性材料各龄期的抗压强度，抗压强度在28 d后仍能保持持续增长；对数模型可较好地描述改性材料抗压强度随龄期的发展规律，得到的关系式具有较高的相关系数；借助基于7 d抗压强度为参数的强度预测模型，可以预测改性材料不同龄期的抗压强度，其相关系数大于0.95。

关键词：生土基改性材料；自密实；强度发展；强度预测

0　引言

生土材料因其特有天然矿物成分及孔隙结构，不仅取材方便、造价低廉，同时具有热工性能优良、隔声效果好、可循环利用等优点，是天然的、生态化的建筑材料，可为居住空间创造舒适环境[1-2]。当前，我国中西部部分村镇仍有大量建筑将生土作为墙体材料，如黄土高原的窑洞。但由于生土材料存在耐水性能差、抗雨水冲击能力弱、强度较低等问题，生土基墙体材料的广泛应用受到限制[3]。因此，采用胶凝材料对生土材料进行改性，提高其力学性能及耐水性能，延长生土基墙体的使用年限，成为众多研究者关注的重点[4-5]。

常用胶凝材料包括生石灰、硅酸盐水泥等。生石灰掺入土壤可与水反应生成氢氧化钙，使土壤中少量Al2O3、SiO2的活性得以激发，发生火山灰反应生成胶凝产物，此技术广泛应用于早期的村镇土坯房建设[6]。因生石灰与水反应剧烈，不利于拌合物成形，近些年大多已被硅酸盐水泥替代。随着环境污染受到广泛关注，高耗能的硅酸盐水泥受到一定程度的限制[7]。但低掺量水泥改性生土材料不能获得较好的力学性能，因此，在制备生土基墙体砌块时需进行击实作业，不仅增加工艺难度，还往往造成因击实不均匀造成的砌块损毁。本研究在使用高效固化剂混掺粉煤灰制备自密实生土基改性材料的基础上，研究了抗压强度随养护龄期的变化规律，得出基于早期强度测试结果的中后期强度预测模型。

1　试验

1.1试验材料

试验用生土为黄土，取自黄土高原甘肃某地，取土深度为3m，对试验土样的粒径分析可知，该黄土100%过0.075mm筛。根据土的分类方法，试验用土属于低液限粉土（ML），其基本物理性能见表1，主要化学成分见表2。

表1　试验用土的基本物理性能

减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率约30%，用于调整浆体的流动性。

高效黏土无机固化剂（CSCN）：主要组分为普通硅酸盐水泥与碱性助剂或激发剂，碱性助剂为氯化钙、氢氧化钙或铝酸钠按一定比例混配而成，激发剂的主要组分为水玻璃。碱性助剂占水泥用量的10%～20%，激发剂占水泥用量的15%～25%，搅拌时添加顺序依次为碱性助剂→水泥→激发剂。采用海螺P·O 42.5水泥，其主要化学成分见表2。碱性助剂与激发剂的1mol/L水溶液pH值为12～14。

粉煤灰（FA）：F类Ⅱ级灰，主要化学成分见表2。

表2　黄土、水泥和粉煤灰的主要化学成分　%

1.2试样制作与养护

参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》制备自密实生土基拌合物。试样制备步骤具体为：

（1）将黄土与目标掺量的水混合搅拌1～2min，制得拌合均匀的土水混合物；

（2）掺入目标掺量的水泥与粉煤灰，继续搅拌2～3min；

（3）逐次添加对应掺量的碱助剂、碱激发剂与减水剂，搅拌2～3min，得到均匀性良好的自密实生土基拌合物，试验配方如表3所示（各材料掺量均以干土的质量计）。

表3　自密实生土基改性材料的试验配方

（4）将拌合物倒入模具后，为使其尽可能均匀，将成型试件放置于振动台上振动60 s，随后置入恒温恒湿养护箱[温度（20±2）℃，相对湿度（98±2）%]，养护3 d后脱模，将脱模后的试样放入养护箱中继续养护至28 d，取出进行相关性能测试。

1.3性能测试方法

参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试拌合物的流动度。将拌合物注入截锥圆模内，稳定后，提起截锥圆模，测试拌合物在玻璃界面上自由流淌的最大直径。

抗压强度试件尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm，每组取3个试样进行平行试验，取其算术平均值为该配方下试样的无侧限抗压强度。在300kN的液压伺服试验机上进行测试，加载速度为0.5mm/min。

2　试验结果与讨论

2.1自密实特性

自密实砂浆的流动度通常大于25 cm（截锥圆模内径为10 cm）[8]，因此，本研究将生土基改性材料具有自密实特性的最小流动度规定为（25±0.5）cm。以此为基准，测试了2个系列配方不同水固比的拌合物具有自密实特性的减水剂最小用量，结果如图1所示。

图1　不同水固比自密实生土基改性材料的减水剂用量

由图1可以看出，随改性材料水固比的增大，改性材料拌合物具有自密实特性的减水剂最小用量降低，这与水泥砂浆中水固比与减水剂用量呈现的规律类似；相同水固比下，系列Ⅱ的减水剂用量大于系列Ⅰ，这说明，固化材料掺量大小影响了生土改性材料的流动度；水固比为0.40时，系列Ⅰ自密实改性材料的减水剂最小用量为1.25%，对应的系列Ⅱ自密实改性材料的减水剂用量为1.75%。这表明，当拌合物水固比在0.30～0.60内，通过调节减水剂用量，均可获得具有自密实特性的生土基改性材料。

2.2抗压强度

已有研究结果表明[7]，减水剂用量对生土基改性材料的抗压强度有一定影响，但当减水剂用量小于2%时，其对抗压强度的影响较小（在±5%以内）。因此，对自密实生土基改性材料抗压强度的测试与分析选择水固比为0.40、0.45、0.50、0.55的配方。测试了不同水固比时2个系列生土基改性材料在不同养护龄期的抗压强度，结果如图2、图3所示。

图2　不同水固比时系列Ⅰ改性材料在不同龄期的抗压强度

图3　不同水固比时系列Ⅱ改性材料在不同龄期的抗压强度

由图2可以看出，随水固比的增大，改性材料在各龄期的抗压强度都大幅降低，因此，水固比是影响生土基改性材料抗压强度的重要因素；改性材料的抗压强度随养护龄期的延长而提高，28 d以内的强度变化与水泥砂浆的强度变化规律类似，不同的是，生土基改性材料的60 d强度相较28 d强度仍呈现出较大幅度的提高，这表明，改性材料中固化剂生成的氢氧化钙与生土中的活性矿物发生了较强的火山灰反应。由图3可以看出，尽管系列Ⅰ和系列Ⅱ的固化材料掺量不同，但2个系列的水固比、养护时间与抗压强度间的变化关系基本相同。

2.3抗压强度随龄期变化

国内外学者针对水泥基材料混掺工业废渣固化土抗压强度与养护龄期的发展关系提出了多个模型，其中，比较有影响的是Poyá等[9]提出的对数模型，其表达式如式（1）所示:

式中：qu——固化土的无侧限抗压强度，kPa；

a、b——常数，kPa；

t——养护龄期，d。

常规的固化土材料是固化剂与土的拌合物，自密实生土基改性材料可看作是常规固化土材料与减水剂等的复合材料，而试验范围内的减水剂用量对改性材料抗压强度的影响较小，因此，生土基改性材料的抗压强度发展规律研究仍可采用式（1）。图4、图5给出了基于对数模型的生土基改性材料抗压强度随养护龄期的拟合曲线，拟合曲线各参数的数值和相关系数如表4所示。

图4　系列Ⅰ试样抗压强度随龄期的拟合曲线

图5　系列Ⅱ试样抗压强度随龄期的拟合曲线

表4　对数模型各参数的拟合值

由图4、图5及表4可以看出，生土基改性材料抗压强度与养护龄期的对数具有良好的线性关系，其相关系数均大于0.95。

2.4基于早期强度的预测模型

因水泥基材料固化土的强度在龄期较长（大于90 d）时仍有较大增长，实际工程中，通常测试固化土材料的28 d强度，以此为基准值预测固化土的长期强度。本研究制备的自密实生土基改性材料拟用作墙体砌块，而测试其28 d强度显然不利于工程进展，因此，基于生土基改性材料的早期强度预测其中后期发展规律是十分必要的。

以7 d抗压强度为基准值表征固化土不同龄期强度的发展，将不同龄期强度与7 d强度的比值与龄期的对数进行拟合，结果如图6所示。由图6的拟合曲线可得各龄期抗压强度qu与7 d抗压强度q7的关系，如式（2）所示：

图6　对qu/q7与养护龄期的拟合曲线

3　结论

（1）生土基改性材料的水固比为0.30～0.60时，可掺入0～2.5%的减水剂调节拌合物流动度以使其具有自密实特性；固化材料掺量可影响生土基改性材料拌合物的流动度，水固比均为0.40时，8%CSCN+5%粉煤灰改性生土拌合物具有自密实特性的减水剂最小掺量为1.25%，而16%CSCN+10%粉煤灰改性的拌合物则需掺入至少1.75%的减水剂。

（2）水固比是影响生土基改性材料各龄期强度的重要因素；养护龄期超过28 d时，改性材料的抗压强度仍有较大幅度的提高，主要得益于固化剂水化产物与生土中活性矿物的火山灰反应。

（3）对数模型适用于拟合生土基改性材料抗压强度随龄期的发展规律，得到拟合公式的相关系数均大于0.95；以7 d抗压强度为基准，借助对数模型分析各龄期强度与7 d强度比值的关系，可用于工程中预测改性材料不同龄期的抗压强度。

参考文献：

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Experimental study on strength development rules of self-compacting soil-based walls

MA Cong1，DU Xiao2，CHEN Bing1
（1.Institute of Engineering Safety and Disaster Prevention，School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Bidding Management Office，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：Undisturbed loess was used as filler to prepare self-compacting soil-based material in this study，and a type of high-efficiency clay stabilizer was used as cementing material.The unconfined compressive strengths of self-compacting soil-based material at different ages were tested.Furthermore，the predicted models for middle and long term compressive strength were obtained on the basis of early-term strength.The experimental results indicate that the property of self-compacting can be achieved by regulating the water-solid ratio and superplasticizer content.The compressive strength of soil-based material can be influenced by the water-solid ratio and stabilizer content significantly，and it also increases beyond 28 days of curing.The logarithm model can be used for analyzing the development of compressive strength with curing time，and it has good coefficients of association.The compressive strength at different curing time can be predicted by the predicted models from 7-day strength，the correlation coefficient is larger than 0.95.

Key words：mmature soil modified，self-compacting，strength development，strength prediction

作者简介：马聪，男，1989年生，山东菏泽人，博士研究生，主要研究方向为特殊建筑材料开发、岩土工程、软土加固。地址：上海市闵行区东川路800号，E-mail：macsjce@sjtu.edu.cn。

收稿日期：2015-07-21；

修订日期：2015-08-27

基金项目：国家自然科学基金项目（51378309）

中图分类号：TU521.3

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0010-04