掺加水泥熟料对生土基复合材料性能的影响

栗　潮　徐露露中国水电十一局郑州科研设计有限公司（450000）



掺加水泥熟料对生土基复合材料性能的影响

栗潮徐露露
中国水电十一局郑州科研设计有限公司（450000）

摘要：通过掺加水泥熟料对生土进行改性，测定其力学性能，研究其对生土试块强度的影响规律和改性机理。研究表明，掺加水泥熟料，会在固结生土的过程中发生一系列的物理、化学反应，生成不同的水化凝胶。这些凝胶的干燥硬化可改善土体的稳定性，增强土体内部结构连结和抗变形摩擦力，从而提高土体的强度。

关键词：生土材料；强度；水泥熟料；改性机理

1　研究背景

从人类社会形成以来，生土墙体材料一直是主要的建筑材料之一。近20年来，鉴于资源与环境的双重压力，生土材料以及生土改性材料已经成为目前国内外研究的热点之一［1］。土体的改性材料包括水泥、石灰和粉煤灰等，它们可单独使用，也可按一定的比例复合使用，在常温下能够直接胶结土体中的土壤颗粒，能够与黏土矿物反应生成胶凝物质［2］。水泥熟料作为常见的胶凝材料，基本成分是C3S、C2S、C3A、C4AF，其中C3S和C2S是水泥的主要成分，占到水泥质量的75％左右，也是水泥制品抗压强度的主要贡献者。

试验采用的改性材料为水泥熟料，具有取材容易、原料简单等特点。本文通过研究掺加水泥熟料生土试样的性能，研究其对生土基强度的影响规律和改性机理，对生土墙体材料的应用具有广泛的指导意义。

2　试验过程

试验使用的是水泥熟料，水泥熟料的化学成分及性能指标的检测结果见表1、表2。

表1　水泥熟料的主要化学组成（％）

表2　水泥熟料品质指标

水泥熟料是从水泥窑经过高温烧成后，再经过冷却机冷却并破碎后的块状或大颗粒状物质，所以需要对其进行球磨机粉碎。表3列出了试验样品的混合物组成，将混合物搅拌与生土按照0.24的水胶比搅拌均匀，将拌合料装入40 mm×40 mm×40 mm的模具内振捣成型。试块成型后，用保鲜膜包好，24 h后拆模，然后将试样放在自然条件下（温度20± 3℃，湿度约为50％）养护7 d后进行抗压强度测试。

表3　样品的组成物及其力学性能

3　试验结果及分析

由表3数据可得其7 d抗压强度曲线如图1。由图示趋势可以看出，掺加水泥熟料可以提高生土试块的强度，且随着水泥熟料掺量的升高，抗压强度也呈上升的趋势。这是因为在土壤中掺加水泥，可以改变软土的固有性质。水泥发生水化反应［3］，产生CSH和CAH凝胶，附着在土壤颗粒表面，并形成Ca（OH）2。Ca2+、OH-渗透进入土颗粒内部，与黏土矿物发生物理、化学反应，继续生成上述胶凝物质，其主要作用形式为：

图1　试块抗压强度与水泥熟料掺量的关系

1）离子交换与团粒化作用。主要是指水泥中的Ca2+与土壤中的Na+、K+置换的过程，较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体的强度提高。

2）水泥的凝结硬化。水泥与水分发生水化反应以后，土壤颗粒被水化产物所包裹，从而水泥土形成一个整体，产生一定的强度。水泥水化反应的凝结硬化是水泥土最主要的强度来源。

3）火山灰作用。土壤中含有大量的SiO2、A12O3，水泥中含有大量的强碱性物质Ca（OH）2。这些活性物质在碱性溶液中发生火山灰反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，增大固化土强度。

4）碳酸化作用。水泥水化物中，游离的Ca（OH）2能吸收水中和空气中的CO2，发生碳酸化作用，生成不溶于水的CaCO3。这种反应也能使固化土增加强度，但增加强度较慢，幅度较小。

图2　不同水泥熟料掺量的生土基试块的超景深图片

单用水泥改性生土时，主要水化物为纤维状或絮状的CSH附着在孔壁上（如图2），能够使生土材料具备一定的强度，但不能有效填充生土干燥留下的孔隙，会影响生土材料的耐久性。从经济性考虑，在实际操作中不建议掺加过多的水泥熟料，这样会影响生土墙体材料的环保性和可再生性。

4　结论

单掺水泥熟料的生土基试块抗压强度随着掺量的升高而升高，但是其掺量要控制在合适范围内，过多反而会降低增强效果。其改性机理为水泥熟料在固结生土的过程中发生水化反应而生成CSH凝胶等强度相，加强了生土颗粒之间的连接，从而增强其力学性能。

参考文献：

［1］陈晶，单德启.土著的前卫——大地艺术事业中的乡土聚落［J］.建筑师，2005：1115.

［2］郑寒英，杨长辉.生土墙体材料改性技术研究现状［J］.混凝土与水泥制品，2011（8）：53- 56.

［3］Gregory Moor & Kevin Heathcole. Earth building in Australia durability research［J］. Modern Earth Building 2002-Berlin.