砂石掺量对自密实生土材料耐久性的影响

刘志华　李　鹏　曲　烈　强培基　王　超　张文研　康茹茹

1天津城建大学材料科学与工程学院（300384） 2河南省散装水泥办公室（450000）

砂石掺量对自密实生土材料耐久性的影响

刘志华1李鹏2曲烈1强培基1王超1张文研1康茹茹1

1天津城建大学材料科学与工程学院（300384） 2河南省散装水泥办公室（450000）

研究了砂石掺量对自密实生土材料的耐久性影响。介绍了国内外对生土材料的研究，以达到改善生土建筑施工条件的目的。

生土材料；自密实；砂石掺量；耐久性

0　引言

生土材料具有良好的保温蓄热能力，居住在生土建筑中冬暖夏凉。生土墙材可就地取材，且造价低廉，施工简单。在我国，生土建筑已拥有几千年的历史。根据2010年住房和城乡建设部农房现状调查可知，生土建筑主要分布在中西部地区，生土材料使用比例平均超过了20%，在甘肃、西藏等地甚至超过了60%［1］。但生土墙体很容易受到风雨侵蚀，造成墙体开裂、墙根碱蚀及施工噪声等问题［2］。因此，采用自密实生土作为墙体材料，可避免其施工噪声，亟待推广应用。

澳大利亚SteveBurroughs［3］采用水泥和石灰对生土材料进行改性。研究表明，改性生土材料的最佳组成为生土∶砂∶水泥：石灰=15∶32∶2∶1。此配方的生土材料抗压强度和体积稳定性都相对较高。Guettala等［4］进行了为期4年的生土墙室外暴露试验。结果表明，在生土中掺加水泥、石灰、树脂等改性剂均可明显改善生土的耐久性。其中，同时掺加水泥和树脂对生土材料耐久性的提升最为显著。

在生土的改性方面，国内许多科研机构都在做相关的研究。郝传文等［5］以沈阳、内蒙古、山西、陕西、甘肃及云南等地区的生土为原材料，通过水泥和防水剂对生土材料进行改性研究，提出使用塑性指数作为生土分类的指标。研究发现，当水泥单掺掺量在4%～12%时，生土材料的抗压强度、耐水性和抗冻融性均随水泥掺量的增加而增加，而单掺防水剂则对生土材料的性能提升影响不明显。袁剑军［6］研究了大坝防渗墙的技术性能，发现浇筑施工所用的拌合物坍落度应满足18～22cm，扩展度应不小于34cm，28d抗压强度应达到5MPa。在该基础上作出适当调整，尽可能地降低渗透系数，并增加其抗压强度。目前，国内对自密实生土材料的耐久性很少报道，故需作进一步研究［7］。

文章在前人研究的基础上，对自密实生土材料的耐久性能进行系统分析。通过配料、成型、养护等过程制备自密实生土材料，并研究砂石掺量对自密实生土材料的耐久性影响，以达到改善生土建筑施工条件的目的，并为我国新农村的建设发展作出贡献。

1　原材料及试验方法

1.1试验原料

所用黄土取自河南省荥阳市，取土深度2～15 cm。利用XRF荧光分析仪对黄土的化学组成进行分析，分析结果如表1。从表1可知，黄土中有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O等矿物成分，其中SiO2含量最高，大约为50.5%。从黄土XRF图谱（如图1所示）可知，黄土的主要矿物是SiO2和钾、钠长石。

表1　黄土的化学组成（%）

图1　黄土XRD图谱

利用激光粒度仪对黄土粒度分布进行测试，黄土的平均粒径为6.6μm。

所用活性矿粉为唐山市京东粒化高炉矿渣粉厂生产。所用砂子为市售中砂，细度模数为3.75。所用石子为市售石子，粒径小于5mm。所用水泥为42.5强度等级的普通硅酸盐水泥，天津振兴水泥厂生产。所用的高效聚羧酸减水剂为天津市雍阳减水剂厂生产。试验用水为自来水。

1.2试验方法

1）自密实生土材料的制备

将生土、水泥、矿粉进行搅拌，再将干拌料放到搅拌机内，加入少量的水，打开搅拌机，慢速搅拌，然后逐渐加入剩余的水。水完全加入并搅拌1min后，加入砂和石子，继续搅拌5min，出料，装模，将新拌生土浇入试模内（100mm×100mm×100mm）。利用剩余的新拌生土材料进行坍落度和扩展度测试。60℃烘箱内养护24h，第2d拆模，然后继续在60℃烘箱内进行养护。

2）耐水性能的测定

将试块放置在合适的位置，用一定的距离、水压作用在被测试块上，在规定时间内，观察试块被水浸湿的深度、喷淋面的损伤状态以及试块的质量损失。喷淋模拟装置包括喷头、水压表、橡皮管、支架等。试件距离喷头55cm，喷头上喷孔为30个，孔径0.1mm，试验水压为0.05MPa。按选定水压调整好喷淋装置后开始试验，每隔20min查看一次被测试件的受冲蚀情况，试验共进行60min。

3）吸水率测定

试件成型尺寸为40mm×40mm×160mm，在60℃恒温干燥箱中养护7d后，其含水率小于1%以下，称量试件的干质量为M0，然后将试件置于水中浸泡，使水面高出试件上表面20mm，浸泡1d后取出，用干的软布擦去试件表面的水，再次测量试件的质量M1，然后通过计算得出吸水率。

4）软化系数测定

分为两组进行试验。第一组试件在养护7d后直接测试其抗压强度I0。第二组试件在养护7d后将试件置于水中浸泡，使水面高出试件上表面20 mm，浸泡1d后取出，用干的软布擦去试件表面的水，立即测定，此时试块的抗压强度I1。试件浸泡后的抗压强度与养护后的抗压强度之比即软化系数K。

5）冻融循环强度损失率测定

试件在60℃恒温干燥箱中养护7d后，将试件置于水中浸泡，使水面高出试件上表面20mm，浸泡1d后取出，用干的软布擦去试件表面的水，然后将试块放入-15℃的冰箱内冷冻2h，再取出后放在25℃的恒温恒湿养护箱中融化2h。如此循环十次，结束后测试试件的抗压强度，并计算强度损失率。

2　结果与讨论

2.1养护温度对生土材料的力学性能影响

将B1、B2、B3这三种不同配合比的试样，分别放置在20℃（室温）、60℃和100℃三种条件下养护，养护3d后测试其抗压强度。从图2中可以看出，三种养护环境中，60℃条件下试块的3d抗压强度最高，100℃条件下试块的3d抗压强度次之，20℃条件下试块的3d抗压强度最低。20℃条件下的试样因为水分蒸发慢，试样内部的自由水还大量存在，导致其抗压能力相对较弱。100℃条件下，试样的表层水分蒸发量过快导致内外产生应力差，外部收缩过快产生微小裂纹，故抗压性能也不是最好。在60℃条件下，试样表层的自由水基本能均匀蒸发，试样内部的自由水也能及时蒸发，让内外颗粒结构同时紧缩，达到较好的抗压强度。

图2　养护温度对生土材料力学性能的影响

2.2胶凝材料对生土材料的力学性能影响

从图3可以看出，在养护条件固定的情况下，当胶凝材料掺量为20%时，抗压强度均高于掺量为15%时的强度。其中3～7d的抗压强度增长较为迅速，7～14d的抗压强度增长速率则比较平缓。这是由于在刚浇筑成型时，试块中胶凝材料与生土中的活性物质发生化学反应，使得试样的强度迅速提高。在养护7d以后，胶凝材料与土的反应变慢，强度增长速率也随之减缓。因此，在后续试验中，取胶凝材料掺量为20%（如图2所示）。

图3　胶凝材料对生土力学性能的影响

2.3砂石掺量对生土材料的力学性能影响

从图4可以看出，当砂石掺量为30%和35%时，两种配比下的试样抗压强度相差不大，其7d抗压强度甚至相等。当砂石掺量增加至40%时，3d、7d、14d试样抗压强度明显提高。可见，砂率的改变对于生土材料的抗压强度影响也较为显著。砂石的掺入对生土材料起到骨架作用，从而提高了生土材料的抗压强度。

图4　砂石对生土力学性能的影响

2.4砂石掺量对生土材料耐久性的影响

如图5a所示，当生土中砂石掺量从30%增加至35%时，生土材料的软化系数从0.85增加至0.88。当砂石掺量增加至40%时，其软化系数反而降至0.83。砂石作为改性材料加入生土中时，吸水量小，生土材料拌合物中的自由水增多，浇筑完成后所得试块的密实度提高。养护结束后再将试块放入水中浸泡，试块不会因吸水而变得松散，使得软化系数提高。砂石掺入量过高，会导致试块内部的微孔结构增多，试块浸泡后软化系数反而下降。

图5　砂石掺量对生土材料耐久性的影响

如图5b所示，当生土中砂石掺量从30%增加至40%时，生土材料的强度损失率从20.97%降至14.64%。纯土材料在拌合时会吸收大量水分，在多次冻融循环后，生土试样会因为水分子受冻膨胀导致结构受损。在生土中掺入砂石时，试块内部结构会随之变化，产生微小孔隙。当试块受冻时，试块内部的自由水能有满足其膨胀的空间，故可缓解冰冻的破坏作用。

如图5c所示，当生土中砂石掺量从30%增加至40%时，生土材料的吸水率从25.26%下降至21.01%。产生这一结果，是由于砂石在生土中起到骨料作用，与水泥的水化产物相互胶结。砂石的掺入也增加了拌合物的流动性，使得成型的试块变得更加密实。加之砂石本身吸水率很低，生土材料的吸水率减小。

如图6所示，在连续喷淋60min后，试件表面约有一半面积遭受喷淋侵蚀，出现直径1～4mm的凹坑。整体来看，虽然受淋表面有侵蚀，但该试件整体未出现较大的凹坑和贯穿性裂缝，结构无明显破坏，耐水性能比较良好。

图6　生土材料试件侵蚀情况

3　结论

自密实生土材料的最优配合比为：40%生土、12%水泥、8%矿粉、30%砂、10%碎石、0.45水固比、1%减水剂。生土材料的7d抗压强度可以达到7.7 MPa，吸水率为21.01%，软化系数为0.83，冻融循环强度损失率为14.64%。

当生土材料中砂石掺量从30%增加至35%时，材料的软化系数从0.85增加至0.88。当砂石掺量增加至40%时，其软化系数反而降至0.83。当生土材料中砂石掺量从30%增加至40%时，材料的强度损失率从20.97%降至14.64%。当生土材料中砂石掺量从30%增加至40%时，材料的吸水率从25.26%下降至21.01%。产生这一结果，可能是由于砂石在生土中起到骨料作用，砂石的掺入也增加了拌合物的流动性，使得成型的试块变得更加密实。

［1］卜永红.村镇生土结构房屋抗震性能研究［D］.西安：长安大学，2013.

［2］王.陕南生土材料改性试验研究［J］.建筑科学，2011，20 （5）：35-39.

［3］Steve Burroughs.Soil property criteria for rammed earth stabilization［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2008，20（3）：264-273.

［4］A.Guettala，A.Abibsi，H.Houari.Durability study of stabilized earth concrete under both laboratory and climatic conditions exposure［J］.Construction and Building Materials，2005，20（3）：119-127.

［5］王伟超.豫西北地区改性生土建筑材料抗压试验研究［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2012：68-73.

［6］袁剑军.土石坝防渗墙黏土混凝土材料的工程应用初探［J］.水利建设与管理，2013，33（2）：33-35.

［7］郝传文.改性方式对生土墙体材料耐久性影响的研究［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2011.

科研项目：国家科技支撑计划项目（20141BAL03B03）.