冻融循环作用下改性生土材料强度特性研究

张　磊，杨　柳，麻向龙，何建涛，朱三普

(1.西安建筑科技大学建筑学院，西安　710055；2.西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安　710055)



冻融循环作用下改性生土材料强度特性研究

张磊1，杨柳1，麻向龙2，何建涛1，朱三普1

(1.西安建筑科技大学建筑学院，西安710055；2.西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安710055)

针对生土材料在力学和抗冻性方面的缺陷，对水泥/矿渣复合改性生土材料的抗冻性进行分析，通过傅里叶变换红外光谱分析和扫描电镜分析对改性生土材料抗冻性提升机理进行研究，分析水泥、矿渣掺量对改性生土材料抗冻性能的影响。结果表明，改性生土材料在冻融前后的抗压强度较素土均获得了显著提升。此外，随着水泥、矿渣掺量的增加，改性生土材料抗压强度逐渐提高，冻融循环后的强度损失逐渐减少。

冻融循环； 改性生土材料； 抗压强度； 强度损失

1　引　言

生土材料具有蓄热性好、绿色环保、可循环利用的特点，是一种理想的绿色建筑材料[1,2]。但是在力学及耐久性方面的缺陷使得生土建筑需要进行频繁的修葺，造成了人力物力的消耗，严重制约了生土建筑的推广。生土建筑所在地区的气候条件普遍恶劣，冬季寒冷且夏季炎热，造成生土建筑在冬夏两季极端气候作用下出现墙体开裂的现象，对生土建筑的结构安全和居住舒适性造成影响。当前，国内外学者多借助物理和化学改性的方法提升生土材料的力学性能[3-6]。对于生土材料抗冻性的研究只单纯关注冻融循环后材料的剩余强度和强度损失量[7-9]，而未对改性生土材料抗冻性提升的作用机理进行深入分析[10,11]。因此，在冻融循环条件下，对改性生土材料系统地进行强度特性研究和机理分析能够有效提升生土建筑抵御极端气候侵袭的能力，提升生土建筑的使用寿命，推动生土建筑的应用和推广。

此外，含水率对生土材料抗压强度影响很大，当对生土材料进行机械压制成型时，成型压力使得土颗粒间距缩小，生土材料中的水分在此形成水分子膜。水分子膜的薄厚直接决定了生土材料塑性状态和凝聚性的形成，微观整体性结构对生土材料的力学性能优劣产生影响。

因此，本文以新疆吐鲁番地区的土为研究对象，对不同含水率下生土材料抗压强度进行测试，以最优抗压强度条件下含水率为基础指标，通过掺入水泥和矿渣的方式对生土材料进行改性，研究改性生土材料抵御冻融循环过程的能力。此外利用傅里叶变换红外光谱和扫描电镜测试方法，对改性生土材料抗冻性提升的作用机理分析，从而为今后生土材料的研究和应用提供理论借鉴和参考。

图1　生土的XRD测试结果Fig.1　XRD measurement results of soil

2　试　验

2.1试验材料及试样制备

试验土样取自新疆维吾尔自治区吐鲁番市亚尔乡英买里村；水泥(C)选用海螺水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥；矿渣(SL)选用西安德龙粉体工程材料有限公司生产的超细矿渣粉。试验所用土样的物理参数指标见表1，试验用硅酸盐水泥和超细矿渣粉的化学组分及性能参数见表2和表3，生土的XRD图如图1所示，生土中的矿物以伊利石为主，其次为蒙脱石，而不是以石英为主。

表1　试验用土样的物理参数指标

表2　试验用普通水泥和矿渣粉化学组分

表3　试验用普通水泥和矿渣性能参数

取适量土样在空气中风干后碾碎并过筛，除去杂质且保证土样的均匀。依据表4中水泥、矿渣的掺量进行土样的均匀混合，混合土中加水搅拌均匀，水量的选择依据混合土总量的10%、13%、16%、19%以及22%进行称量，采用静力压实成型工艺，压制尺寸为5 cm×5 cm×5 cm的立方体试件。将成型的试件放置室内进行养护，28 d后进行冻融循环测试。

2.2试验方法

将养护完成后的改性生土试件放入低温控制箱内进行冻结，在-20 ℃的温度下持续冻结24 h。冻结完成后立即将改性生土试件放入恒温箱(设定温度为20 ℃)中融化24 h，此过程为一次冻融循环过程。每一组改性生土试件共进行20次冻融循环并用于抗压强度的测试。

表4　改性生土材料配方设计表

3　结果与讨论

3.1含水率对生土材料抗压性能的影响

生土材料的抗压强度在很大程度上受到含水率的影响，过高或过低的含水率都会对生土材料的抗压强度产生限制。本文对不同含水率下生土材料抗压强度进行测试，发现当含水率从10%增加到22%时，生土材料的抗压强度呈现出先增大后减小的趋势，在含水率为16%时生土材料的抗压强度平均值达到1.28 MPa，如图2。

图2　不同含水率下生土材料的抗压强度Fig.2　Compressive strength of earth material under different moisture content

黏土颗粒表面带电荷，在静电力的作用下吸附溶液中的水化离子并在其周围形成反离子层。在黏粒表面吸引力和离子热运动的作用下，一部分水化离子紧靠黏粒形成固定层，另一部分离黏粒较远形成扩散层。反离子层的存在能够通过黏粒表面电荷和水化离子之间的静电力作用将黏土颗粒进行连结，在一定程度上形成结构并获得一定的强度。由图2可以看出，当含水率为10%和13%时，生土材料的抗压强度不足，这是因为此时存在于生土材料孔隙中的水量不足，水化离子的总量不足以在黏粒表面形成水分子膜，黏粒之间由反离子层提供的结合力很低，导致土颗粒之间无法形成有效粘结；当含水率为16%时，在机械压力作用下土颗粒间距缩小，土颗粒间存在厚度适当的水分子膜，生土材料展现出塑性状态，土颗粒通过粘结力彼此形成相对稳定的整体性结构，材料的抗压强度获得显著提升；当含水率达到19%和22%时，黏土颗粒之间存在的水分子膜明显变厚，在机械压力作用下土颗粒间因过厚的水分子膜产生相对滑移，土颗粒之间无法形成有效粘结和稳定结构，进而影响其抗压强度。此外当生土试件养护完成后，过高的含水率导致水分蒸发后材料基体内存在大量的孔隙，进一步制约了生土材料的抗压强度。

3.2复合改性生土材料抗冻性能分析

在16%最优含水率条件下，针对不同水泥、矿渣掺量配方的改性生土材料进行冻融循环实验，20次冻融循环后进行试件的抗压强度测试，计算复合改性生土材料试件的抗压强度损失，结果表明水泥和矿渣掺量影响复合改性生土试件的抗冻性能。

3.2.1水泥/矿渣复合改性对生土材料抗冻性能的影响

对不同改性配方下的生土材料试件进行冻融循环前后的抗压强度测试并计算冻融循环后试件的强度损失率，结果表明不同水泥、矿渣掺量下复合改性生土材料试件冻融循环前后抗压强度均有不同程度的提升且冻融循环后试件的强度损失率获得了不同程度的降低，如图3。

图3　复合改性生土材料冻融前后抗压强度及强度损失Fig.3　Compressive strength and strength loss of stabilized earth material before and after freezing and thawing cycle

在冻融循环作用下，由于热胀冷缩作用产生的内部应力作用对生土试件的内部连接和结构进行破坏，宏观上表现为产生细微的裂纹，造成改性生土试件抗压强度的降低。图3显示未改性生土材料冻融循环作用后，试件抗压强度损失率达到54%。采用水泥、矿渣混合材料对生土材料进行改性后，试件在冻融循环作用后抗压强度损失率明显低于未改性生土材料。这是因为当冻融循环作用时，复合改性生土材料内部由胶凝体粘聚土颗粒所形成的稳定结构具备抵御热胀冷缩产生内应力的能力，降低了材料内部出现的裂纹数量，使复合改性生土材料在冻融循环作用后依然具有较好的抗压强度。

本文采用傅里叶红外光谱分析仪对改性前后生土材料进行定性分析，针对改性前后生土材料抗压强度的提升机理进行研究。

图4　傅里叶红外光谱分析结果(a)生土材料;(b)水泥/矿渣改性生土材料Fig.4　FT-IR test result

图4(a)为未改性生土材料的红外光谱分析，图中3417.30 cm-1处吸收峰属于H-O-H伸缩振动，表明材料中存在吸附水；1434.53 cm-1，1005.97 cm-1，873.24 cm-1，798.39 cm-1等处出现的吸收峰属于伊利石、蒙脱石的特征峰，这一结果与前面对土料的矿物组成分析一致。

图4(b)为复掺水泥-矿渣改性生土材料的红外光谱分析。由图可以看出，3400～3500 cm-1和997.00cm-1附近有吸收峰的存在，此范围内的吸收峰的存在说明水泥-矿渣改性生土材料存在与水化硅酸钙凝胶相似的产物；1424.00 cm-1、873.34 cm-1和715.82 cm-1处依然存在属于伊利石和蒙脱石的特征峰，说明生土材料改性后其矿物组成未发生变化。此外，复掺改性后在1434.53 cm-1的特征峰移向1424.00 cm-1, 873.24 cm-1移向873.34 cm-1，说明在改性材料水化反应作用下生土材料中的黏粒与溶液中存在的阳离子发生了离子交换作用；吸收峰为水化硅酸钙的特征峰，进一步证明复合改性生土材料中水泥水化生成了胶凝产物；666.77 cm-1处吸收峰为SiO42-基团弯曲振动特征峰，说明水泥水化过程中有一定量的石膏产生。

通过对改性生土材料进行红外光谱分析，可知水泥/矿渣复合改性生土材料通过水化作用产生不溶于水的胶凝产物，其胶凝产物对土颗粒的包裹作用以及对结构孔隙的填充作用使得复合改性生土材料抗压强度得到了显著地提升。此外，水化胶凝产物与土颗粒形成整体性结构，能够降低冻融循环作用时膨胀收缩产生的应力对生土材料内部结构的侵害，降低强度损失。

3.2.2水泥掺量对复合改性生土材料抗冻性能的影响

图5为矿渣掺量为10%条件下，不同水泥掺量复合改性生土材料的抗压强度和强度损失率。由图可以看出，随着水泥掺量的增加，改性生土材料冻融前抗压强度均呈现出增长的趋势，冻融循环作用后材料的强度损失率逐渐降低。这是因为随着水泥掺量的增加，能够产生更多的水化胶凝产物，与此同时生成的Ca(OH)2能够为矿渣提供足够的(OH)-，使得矿渣完成玻璃体的分解和矿渣的水化作用，产生水化硅酸钙凝胶。水化生成的胶凝产物越多，土颗粒被包裹的越紧密，彼此之间的连接作用越明显，原本相互独立的土颗粒在胶凝产物的作用下团聚在一起，形成一种稳定的结构形态，这种稳定结构的形成使改性生土材料的抗压强度得到了显著提升。此外，密实的微观结构能够抵御冷热交替所带来的应力作用，降低冻融循环作用所引起的强度损失。因此，水泥掺量越多，改性生土材料中水化生成的胶凝材料越多，改性生土材料内部越致密，结构越稳定，抗压强度越高，抗冻融性能越强。

图5　矿渣掺量为10%时，不同水泥掺量对抗冻性能的影响Fig.5　Influence of cement dosage on freezing-thawing durability when slag dosage is 10%

图6为不同水泥掺量下复合改性生土材料的微观形貌，由于本文仅关注不同水泥掺量下改性生土材料存在的微观形貌差异，因此仅对3%、5%和7%水泥掺量下改性生土材料进行了扫描电镜拍摄。由图6可以看出，不同水泥掺量复合改性生土材料的微观形貌存在明显的差异。当水泥掺量为3%时(图a)，由于水泥掺量较少，其水化生成的胶凝产物和Ca(OH)2较少，制约了矿渣玻璃体结构分解和水化。因此，图a显示出土颗粒被胶凝产物包裹并在一定程度上呈现出堆积的状态，但是此时胶凝产物不足，导致土颗粒被包裹的不够充分，可以看到有片层状结构的物质裸露在外，证明此时水泥掺量不足；当水泥掺量为5%时(图b)，随着水泥掺量的增加，水化产物增多，矿渣的水化更加充分，胶凝产物开始将更多的土颗粒包裹进胶凝体中，此时裸露在外的片层状土颗粒明显减少，土颗粒被胶凝体充分包裹并形成一个整体，使得此时的生土材料抗压强度及抗冻融性能较3%水泥掺量时有了一定的提升；当水泥掺量为7%时(图c)，水泥水化产物的继续增加，使得土颗粒全方位地被胶凝体所包裹，土颗粒表面已经几乎看不到裸露的片层状结构，而是形成一个质地均匀、表面平整的结构，说明土颗粒已经成了一种稳定的结构，此时复合改性生土材料抗压强度及抗冻融性能获得了显著的提升。

图6　不同水泥掺量下生土材料微观形貌(a)3%;(b)5%;(c)7%Fig.6　Microstructure of earth material under different cement contents

3.2.3矿渣掺量对复合改性生土材料抗冻性能的影响

图7　水泥掺量为5%时，不同矿渣掺量对抗冻性能的影响Fig.7　Influence of slag dosage on freezing-thawing durability when cement dosage is 5%

图7为水泥掺量为5%时，不同矿渣掺量下复合改性生土材料抗压强度及冻融循环强度损失。由图可以看出，随着矿渣掺量的增加，复合改性生土材料抗压强度逐渐提升且冻融循环强度损失逐渐减小。这是因为水泥水化生成一定量Ca(OH)2，形成一定的碱性环境，更多的矿渣被激发出活性后，能够产生更多的水化胶凝产物。此时复合改性材料的抗压强度提升效果更加显著，抵御冻融循环作用的能力也越强，冻融循环强度损失越少。

图8为矿渣掺量为5%、10%和15%条件下复合改性生土材料的扫描电镜照片，以分析不同矿渣掺量下改性生土材料的微观形貌差异。当矿渣掺量为5%时，水泥水化生成的胶凝产物对土颗粒进行包裹和连接。此时，少量的矿渣被碱性环境激发活性并生成胶凝产物，这部分胶凝体对生土材料进一步包裹和填充，但此时材料的表面仍然可以看到一些“凹陷”。当矿渣掺量为10%时，更多的矿渣被激发，从扫描电镜照片上看，此时生土材料表面“凹陷”明显减少，结构更加致密，因此材料的抗压强度较5%矿渣掺量为更高。当矿渣掺量增加至15%时，土颗粒被胶凝产物完全包裹，材料表面凹陷进一步减少，材料的微观结构光滑且饱满，结构密实度得到进一步提升，此时材料的抗压强度和抗冻性得到进一步增强。

图8　不同矿渣掺量下生土材料微观形貌(a)5%;(b)10%;(c)15%Fig.8　Microstructure of earth material under different slag contents

4　结　论

通过复掺水泥和矿渣对生土材料进行改性，在冻融循环作用前后对复合改性生土材料进行抗压强度测试，利用傅里叶红外光谱分析和扫描电镜对材料的性能差异和改性机理进行微观分析，得到以下结论：

(1)对生土材料进行水泥/矿渣复合改性，能够显著提升冻融循环作用前后生土材料的抗压强度。这是因为复合改性材料的水化胶凝产物对生土具有包裹作用和填充作用。此外，由于胶凝产物彼此相连形成相对稳定的结构，能够抵御冻融循环作用在材料内部产生的应力，使得生土材料的抗冻性能得到提升；

(2)在一定矿渣掺量下，水泥掺量的增加能够有效提升复合改性生土材料的抗压强度，减少冻融循环作用下的强度损失率。这是因为水泥掺量的增大，能够增加水化胶凝产物的产生，更多的Ca(OH)2激发出矿渣的活性，土体被胶凝体的包裹和填充作用更加明显，从而形成一个质地均匀、表面平整的结构，复合改性生土材料抗压强度及抗冻融性能也获得了显著的提升；

(3)当水泥掺量一定时，复合改性生土材料的抗压强度随矿渣掺量的增加而提升，冻融循环强度损失率随之减少。这是因为在水泥水化生成的碱性环境中，更多的矿渣被激发并生成胶凝产物，使得生土材料表面凹陷和孔洞明显减少，结构更加致密、饱满，材料的抗压强度和抗冻性得到提升。

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Strength Characteristic of Stabilized Earth Material under Freezing and Thawing Cycle

ZHANGLei1,YANGLiu1,MAXiang-long2,HEJian-tao1,ZHUSan-pu1

(1.College of Architecture,Xi'an University of Architecture & Technology,Xi'an 710055,China;2.College of Materials & Mineral Resources,Xi'an University of Architecture & Technology,Xi'an 710055,China)

Earth material have defects of mechanical property and freezing-thawing durability, freezing-thawing durability of stabilized earth material with both cement and slag was analyzed. The mechanism of freezing-thawing durability improvement was studied by FT-IR and SEM, the influence of dosage of cement and slag on freezing-thawing durability was analyzed. The results show that compared to soil, the compressive strength of stabilized earth materials were improved observably before and after freezing and thawing cycle. In addition, the compressive strength of stabilized earth material was improved with the increasing of dosage of cement and slag, losses of strength after freezing and thawing cycle were reduced.

freezing and thawing cycle;stabilized earth material;compressive strength;loss of strength

国家杰出青年基金项目(51325803)

张磊(1987-)，男，博士研究生.主要从事生土建筑室内热环境方面的研究.

杨柳，博士，教授，博士生导师.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2094-07