水泥与矿渣对生土基粘结材料抗压强度的影响

丁苏金,杨鼎宜,张磊蕾,王武祥

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225009；2.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024)



水泥与矿渣对生土基粘结材料抗压强度的影响

丁苏金1,2,杨鼎宜1,张磊蕾2,王武祥2

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225009；2.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024)

研究了水泥、矿渣单掺和复掺时，对生土基粘结材料抗压强度的影响，优化了Mb5、Mb10、Mb15生土基粘结材料配合比。结果表明：矿渣对生土基粘结材料的增强作用优于水泥，但对生土基粘结材料抗收缩能力的提升弱于水泥；复掺水泥矿渣时矿渣掺量宜大于水泥掺量且小于10%；复掺水泥矿渣时粘结材料的14 d强度可达28 d强度的90%左右，14 d以后粘结材料强度增长缓慢。

生土； 粘结材料； 水泥； 矿渣； 抗压强度

1 引 言

生土是指未经焙烧的土壤(如黏土、砂土等)或仅经过简单加工的原状土质材料[1]，使用生土基材料建设房屋在我国由来已久，具有可以就地取材、施工简便、造价低廉、保温隔热等特点[2]，有利于环境保护和生态平衡，在我国尤其是贫困农村地区房屋建设中，具有相适宜的应用定位和充分发挥空间[3]。与现代工业生产的墙体材料相比，生土材料及其制品(例如：土坯砖)在物理力学性能、耐久性等方面存在明显不足，影响生土建筑安全性和耐久性，阻碍生土建筑进一步发展。近年来，国内外学者从物理和化学两方面进行生土及其制品(例如：生土砌块)的改性技术研究[4]，取得显著进展，并以生土砌块为主要建筑材料建造了现代化建筑[5]，但现阶段生土砌块配套粘结材料的研发却相对落后，研究表明[6]，粘结材料对砌体结构整体稳定性与抗震性有显著影响。本文使用水泥、矿渣和生土进行复合，制备生土砌块配套生土基粘结材料，分析水泥和矿渣对粘结材料力学性能的影响，并对水泥、矿渣、生土等配比参数进行了优化。

2 试 验

2.1 试验材料

生土：陕西黄土，氧化钙/二氧化硅(钙硅比)为0.2，粘粒含量10%，颗粒粒度见表1，化学组成见表2；

水泥：唐山冀东水泥厂产42.5R普通硅酸盐水泥；磨细矿渣粉：S95级普通矿渣，化学成分见表2；

硅酸钠、氢氧化钠：分析纯试剂，含量不少于99.5%；水：北京市自来水。

表1 生土颗粒粒度表Tab.1 Fineness of raw soil

表2 生土、矿渣化学成分Tab.2 Chemical composition of raw soil and slag /%

2.2 试验方法

成型方法：按设计配合比称量干粉和水，将干粉倒进搅拌机预拌30 s使其混合均匀。缓缓将水倒入搅拌机中，根据经验及浆体稠度调整并记录实际加水量，控制浆体稠度在70～80 mm之间。按照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70-2009)成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm试件，成型后试件在(20±5) ℃的室内环境养护48 h后脱模，在标准养护条件下继续养护至28 d。

稠度测试方法：按照《建筑砂浆基本性能试验方法》测定生土基粘结材料浆体稠度，稠度不满足要求的浆体重新制备。

抗压试验方法：取出养护至规定龄期的试件，立即放入鼓风干燥箱内，在(40±2) ℃，鼓风条件下干燥至含水率为(27%±4%)，冷却至室温后测试抗压强度。

2.3 试验配合比

为保留生土原有特性，本试验水泥和矿渣总掺量小于25%(质量分数)。单掺水泥、矿渣时，水泥、矿渣和水玻璃(Water glass，Na2SiO3+NaOH)掺量按5%递增；复掺水泥、矿渣时，水泥和矿渣掺量按2.5%递增，各掺量取值范围见表3。为保证生土基粘结材料施工性能，增加试验结果可比性，本试验浆体稠度控制在70～80 mm之间，并以此为标准，调整用水量。

表3 各掺量取值范围Tab.3 Variation range of mixing amount

2.4 生土在粘结材料中的作用

生土是制备生土基粘结材料的主要原材料，其主要矿物成分是石英、方解石、钠长石等非活性矿物，同时含有少量沸石、高岭土等活性材料，颗粒排列紧密程度很差，颗粒与颗粒之间的接触点数目非常少，彼此之间没有牢固连接，因此生土的受力骨架十分松散，力学性能较差。往生土材料内掺入水泥和矿渣后将生成C-S-H凝胶，使松散的土颗粒凝聚成团，增加粘结材料强度，碱性环境还能激发生土内活性硅氧材料，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙，使粘结材料形成致密整体。

3 结果与讨论

3.1 水泥对生土基粘结材料抗压强度影响

图1 抗压强度-水泥掺量变化图Fig.1 Variety of compressive strength with different cement content

标准养护条件养护28 d后，水泥在不同掺量下对生土基粘结材料抗压强度的影响见图1。由图可见，当水泥掺量小于20%时，每增加5%水泥，生土基粘结材料强度均增长1倍以上；当水泥掺量大于20%后，强度增长速度变慢。当水泥掺量为25%时，生土基粘结材料抗压强度为20.2 MPa，强度较高，但水泥掺量过大，增加了生土基粘结材料的经济成本和循环再利用的难度。当水泥掺量为15%时，粘结材料强度为7.3 MPa，达到Mb5强度等级，当水泥掺量为20%时，粘结材料强度为14.4，达到Mb10强度等级。

3.2 矿渣对生土基粘结材料抗压强度影响

由于矿渣需要在碱性环境下才能发挥作用，本文分别用5%、10%水玻璃与10%、15%、20%矿渣复合，研究矿渣对生土基粘结材料抗压强度的影响，见图2，图中标注数值为生土基粘结材料抗压强度。由图可见，当矿渣掺量为10%时，最小抗压强度为8.6 MPa，满足强度等级Mb5要求；当矿渣掺量为15%时，最小、最大抗压强度为13.6 MPa和20.0 MPa，分别达到强度等级Mb10和Mb20；矿渣掺量为20%时，最大抗压强度为24.3 MPa，但未达到强度等级Mb25。

图2 抗压强度随矿渣掺量和Na2SiO3/NaOH变化图Fig.2 Compressive Strength-slag content and Na2SiO3/NaOH

图3 水泥(a)、矿渣(b)改性粘结材料裂缝开展情况Fig.3 Crack development of cement(a) or slag(b) modified bonding material

当矿渣掺量相同时，增加水玻璃掺量能够增加粘结材料强度，但矿渣掺量仅为10%时，强度增长并不明显。激发剂模数(Na2SiO3/NaOH)对粘结材料强度也有较大影响，当水玻璃掺量为5%，矿渣掺量为10%时，Na2SiO3/NaOH=5对粘结材料强度有较好的改性效果，最大抗压强度为15.7 MPa。当水玻璃掺量为10%，矿渣掺量为20%时，Na2SiO3/NaOH=4对强度有较好的改性效果，最大抗压强度为24.3 MPa。

在矿渣和水泥掺量相同的情况下，单掺矿渣比单掺水泥对生土基粘结材料的增强作用更为显著，但与单掺水泥相比，单掺矿渣并使用水玻璃激发的生土基粘结材料更易开裂。图3为水泥、矿渣掺量同为10%的粘结材料在同一烘箱(40 ℃)内干燥10 h后的裂缝开展情况，水泥改性粘结材料尚未开裂，矿渣改性已产生多道裂缝，这主要是因为水泥水化后生成大量C-S-H凝胶和CH相，将生土材料内未反应的颗粒粘结在一起，形成强度并增加材料抵抗收缩的能力。矿渣中CaO、SiO2、Al2O3等氧化物含量占矿渣质量的90%以上，在碱性激发剂激发后生成大量[SiO4]4-和[AlO4]5-链，聚合成网状结构形成强度，对颗粒粘结程度低，干燥收缩后易于开裂。

3.3 水泥与矿渣复合对生土基粘结材料抗压强度影响

本文将同一组实验数据分别以矿渣掺量和水泥掺量作为横坐标，抗压强度为纵坐标做折线图，用以探讨和分析复掺水泥、矿渣时水泥与矿渣对生土基粘结材料抗压强度的影响，见图4a和图4b。可以发现，当水泥掺量相同，粘结材料强度随矿渣掺量增加基本呈现线性增长趋势，矿渣掺量相同时，强度增长趋势类似。在相同比例坐标系中，图4a曲线斜率略大于图4b曲线斜率，说明复掺时，矿渣对粘结材料强度的增强效果优于水泥。

在胶凝材料总掺量相同的情况下对比单掺水泥与复掺水泥矿渣时生土基粘结材料抗压强度，见表4。

表4 单掺水泥与复掺水泥矿渣时粘结材料抗压强度Tab.4 Compressive strength of bonding material with cement only and compound addition

由表可见，与单掺水泥相比，使用部分矿渣代替水泥，不仅能降低生土基粘结材料经济成本，对抗压强度也有一定的提升。当矿渣掺量小于等于5.0%，水泥/矿渣≥1，强度增长率较大，但抗压强度增长小于1.5 MPa。当矿渣掺量为5.0%～10.0%，水泥/矿渣≤0.5时，粘结材料强度增长率大于等于26.0%，抗压强度增长1.9 MPa，水泥/矿渣≥1则强度增长率明显下降，甚至出现负值。因此，在复掺水泥矿渣时，矿渣掺量宜大于水泥掺量且小于10%。

3.4 养护龄期对抗压强度影响

为探讨水泥矿渣复合改性生土基粘结材料在不同养护龄期下强度的发展情况，本文设计了Mb5、Mb10、Mb15三个强度等级试件在标准养护条件下养护3 d、7 d、14 d、28 d、60 d的抗压强度变化，见图5。

图5 强度-养护龄期关系曲线(a)抗压强度;(b)实际强度/设计强度 Fig.5 Curves of strength-curing period(a)Compressive strength;(b)actual strength/design strength

图5a中三条曲线从下到上设计强度分别为Mb5、Mb10、Mb15，试件干密度分别为1390 kg/m3、1420 kg/m3、1460 kg/m3。可见，粘结材料在14 d时已基本达到设计强度，14 d后强度发展缓慢，当矿渣掺量大于10%时，后期强度有较好的发展。 从图5b中可以发现，Mb5、Mb10、Mb15试件在14 d分别达到设计强度的101%、78%、93%，28 d达到设计强度的105%、81%、100%，60 d达到118%、97%、107%，而且试件强度仍在缓慢增长，基本达到设计强度等级，且Mb5和Mb15有强度富余。数据表明，生土基粘结材料中矿渣掺量大于水泥掺量时，仍能在早期水化过程中有较好的强度发展，在14 d时已基本达到设计强度的80%左右，14 d以后强度发展开始变慢。

4 结 论

(1)在生土中单掺水泥制备生土基粘结材料，能够减缓收缩开裂，提高生土基粘结材料强度， 但是增强作用小于矿渣，在水泥掺量为15%和20%时，分别达到7.3 MPa和14.4 MPa，达到强度等级Mb5和Mb10;

(2)在生土中单掺矿渣能够较好的提升生土基粘结材料强度，但抵抗收缩开裂的能力没有明显增长。单掺矿渣后粘结材料强度的形成需要激发剂激发，激发剂模数对激发效果有影响但影响不大。水玻璃掺量5%，矿渣掺量10%和15%，分别达到强度等级Mb5、Mb10。水玻璃掺量10%，矿渣掺量10%，达到强度等级Mb15;

(3)复掺水泥矿渣改性粘结材料能够降低成本，改善材料力学性能，14 d即达到28 d强度的90%左右，14 d以后，强度仍持续增长，但增长速度缓慢。复掺时，矿渣掺量宜大于水泥掺量且小于10%。水泥掺量2.5%、矿渣掺量7.5%，水泥掺量7.5%、矿渣掺量10%的生土基粘结材料抗压强度分别达到强度等级Mb5，Mb10。

[1] 陈忠范.村镇生土结构建筑抗震技术手册[M].东南大学出版社,2012:1.

[2] Gernot minke,Building with Earth[M].Birkhauser,2006:14-17.[3] 丁苏金,王武祥,杨鼎宜,等.生土建筑材料的改性研究进展及其应用[J].建筑砌块与砌块建筑,2014,(5):45-51.

[4] 王 琴.生土材料的改性研究[D].重庆:重庆大学学位论文,2009.

[5] 丁苏金,王武祥,杨鼎宜,等.生土砌块的研究进展与应用[J].建筑砌块与砌块建筑,2015,(1):29-34.

[6] Vilane B R T.Assessment of stabilisation of adobes by confined compression tests[J].BiosystemsEngineering,2010,106(4):551-558.

[7] 郑克仁,孙 伟,贾艳涛.矿渣掺量对高水胶比水泥净浆水化产物及孔结构的影响[J].硅酸盐学报,2005,33(4):520-524.

[8] Taylorhfw.Cement Chemistry[M].London:Thomas Telford Publishing,1997:121,231,270.

Analysis on Strength of Modified Raw Soil Bonding Materials Influenced by Cement and Slag

DINGSu-jin1,2,YANGDing-yi1,ZHANGLei-lei2,WANGWu-xiang2

(1.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China;2.China Building Materials Academy,Beijing 100024,China)

Effect of admixture including cement and slag as single and compound admixture on compressive strength of raw soil material for bonding materials was investigated. The matching parameters of bonding materials with different strength grades like Mb5, Mb10, Mb15 were optimized. It is demonstrated that slag had better enhancement function than cement for strength of bonding materials while had lower anti-shrinking capability than cement. The amount of slag content should greater than cement content and less than 10% while compounding cement and slag. It must be point out that the strength of bonding material with cement and slag can reached 90% of 28 d intensity in 14 d and it would be growing slowly ever since.

raw soil;bonding materials;cement;slag;compressive strength

国家科技支撑计划课题(2014BAL03B03)

丁苏金(1989-)，男，硕士研究生.主要从事生土基材料改性研究.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2353-05