改性材料对生土物理力学性能的影响及作用机理

余海燕，程海平，石峻尧，任亚楠，杨久俊

(天津城建大学材料科学与工程学院，天津　300384)



改性材料对生土物理力学性能的影响及作用机理

余海燕，程海平，石峻尧，任亚楠，杨久俊

(天津城建大学材料科学与工程学院，天津300384)

生土材料强度低、耐水性差的缺点限制其在生土建筑中的应用，为满足现代生土建筑的要求，有必要对生土的改性进行深入的研究。本文主要研究了水泥、矿渣、粉煤灰和水玻璃对改性生土力学性能及耐久性的影响，并通过XRD、SEM等微观分析，探究了改性材料的作用机理。实验结果表明：当m(生土)∶m(矿渣)∶m(砂)∶m(激活剂)∶m(减水剂)=0.6∶0.2∶0.2∶0.01∶0.01，在水料比为0.15时，制备出的生土改性材料，其强度达到了25.3 MPa，软化系数为0.89，冻融系数为0.85。

生土； 改性材料； 力学性能； 软化系数

1　引　言

生土是人类最早使用的建筑材料之一[1-3]，因其具有保温隔热、可循环利用、取材广泛、施工技术简单等优点而得到广泛的应用[4]，甚至到现在，这种古老的建筑材料仍具有强大的生命力[5-7]，资料显示[8]现在世界上约有1/3的人口仍居住在生土建筑中。但生土材料强度低、耐水性差等缺点，使其应用受到限制[9,10]。因此，如何提高生土材料的强度和耐水性，延长生土建筑的使用年限，成为生土材料研究的热点之一[11-14]。

Jayasinghe等[15]在红壤土中掺加不少于6.0%的水泥，改性后生土的抗压强度提高了1～2倍。Degirmenci[16]利用磷石膏和天然石膏对生土砖进行改性，发现改性后生土砖的28 d抗压强度提高了4倍，其抗折强度和干收缩性能也得到提高。韩晓雷等[17]利用石灰对生土进行了改性，按灰比土为3∶7的比例配制灰土，采取夯实成型，自然养护28 d后的抗压强度为1 MPa。钱觉时等[18]利用脱硫石膏、粉煤灰等电厂废料作为生土的改性材料，改性后生土材料抗压强度提高2～4倍，抗折强度超过1.0 MPa，相比传统生土材料提高1倍，干燥收缩显著降低，耐水性和耐候性均有较大提升。周铁钢等[19]利用石膏改性土建造的墙体不仅具有较好的物理力学性能，同时也具有良好的抗震性能。

上述改性的生土材料可以满足墙体材料的性能要求，是良好的生态建筑材料。本文主要通过对生土材料进行深度改性，进一步提高其强度及耐水性，以期满足生土建筑使用的要求。

2　试　验

2.1试验原材料

黄土：取自陕西绥德县，其由XRF及XRD测得的化学组成及矿物如表1和图1所示。从表1和图1可以看出黄土的主要化学成分包括SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3等，其矿物组成主要是α-SiO2、钠长石、叶腊石和方解石等；

图1　西北黄土和矿渣的XRD图谱Fig.1　XRD pattern of the raw-soil and slag

水泥：所用的42.5级普通硅酸盐水泥来自天津振兴水泥有限公司；

减水剂：天津飞龙混凝土减水剂厂生产的聚羧酸减水剂；

自制激活剂：其主要成分为硫铝酸盐和氧化钙的烧结物；

矿渣：唐山市京东粒化高炉矿渣粉厂生产的S95级活性矿粉，其由XRF及XRD测得的化学组成及矿物如表2和图1所示。从表2和图1可以看出，其化学成分主要包括Al2O3、SiO2和CaO等，其矿物组成主要是大量的无定型活性物质；

粉煤灰：来自天津市圣得威商贸有限公司；

水玻璃：来自保定市润丰实业有限公司，模数为1.5。

表1生土化学组成

Tab.1Chemical composition of raw-soil/%

SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOK2ONa2OCO2Others50.312.19.84.22.73.51.715.21.5

表2矿渣化学成分

Tab.2Chemical composition of slag/%

Al2O3SiO2Fe2O3CaOCO2MgOOthers12.724.71.239.88.47.65.6

2.2试验配合比设计

试验用材料的配合比如表3和表4所示。

2.3试验方法及主要实验仪器

强度测试参照GB/T17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。

软化系数测定是将标准养护28 d的试块，浸泡在水中1 d，在饱和面干状态下进行实验；K=f/F，K为材料的软化系数；f为材料在水饱和状态下的无侧限抗压强度，MPa；F为材料在干燥状态下的无侧限抗压强度，MPa。冻融系数测定：将标准养护28 d的试块放入TDR-1型混凝土快速冻融装置(工作温度-20～10 ℃)中冻融循环30次；冻融系数=冻后压强/冻前压强。

X射线荧光光谱仪：日本RIGAKU公司生产的D/MAX-2500 PC型射线荧光光谱仪。

X射线衍射仪：日本RIGAKU公司生产的D/MAX-2500 PCX型射线衍射仪。

场发射电子扫描显微镜：日本电子株式会社生产的JSM-7800F型场发射电子扫描显微镜。

表3单掺改性剂的试验配合比

Tab.3Test mixure of the single-doped modifier

编号土水泥矿渣粉煤灰砂激活剂减水剂水料比T10.80000.20.010.010.15T20.70.1000.20.010.010.15T30.650.15000.20.010.010.15T40.60.2000.20.010.010.15T50.700.100.20.010.010.15T60.6500.1500.20.010.010.15T70.600.200.20.010.010.15T80.7000.10.20.010.010.15T90.65000.150.20.010.010.15T100.6000.20.20.010.010.15

表4复掺改性剂的试验配合比

Tab.4Test mixure of the admixed modifiers

编号土水泥矿渣粉煤灰水玻璃砂激活剂减水剂水料比S10.60.150.05000.20.010.010.15S20.60.130.07000.20.010.010.15S30.60.10.1000.20.010.010.15S40.60.070.13000.20.010.010.15S50.60.050.15000.20.010.010.15S60.60.1500.0500.20.010.010.15S70.60.1300.0700.20.010.010.15S80.60.100.100.20.010.010.15S90.60.0700.1300.20.010.010.15S100.60.0500.1500.20.010.010.15S110.700.100.0360.20.010.010.15S120.6500.1500.0360.20.010.010.15S130.600.200.0360.20.010.010.15

3　结果与讨论

3.1单掺改性材料对生土性能的影响

按照表3的试验配合比，分别以水泥、矿渣和粉煤灰作为改性材料对生土进行改性，改性材料的掺量分别为10%、15%和20%，改性生土材料的28 d强度、软化系数及抗冻性如图2所示。

由图2a可知，随着改性材料掺量的增加，改性生土材料的抗压强度显著提高。其中，水泥掺量为10%、15%和20%时，试块抗压强度分别为19.4 MPa、27.6 MPa和35.9 MPa，分别提高了397%、608%和821%；矿渣掺量为10%、15%和20%时，试块抗压强度分别为16.9 MPa、21.4 MPa和25.3 MPa，分别提高了333%、448%和549%；粉煤灰掺量为10%、15%和20%时，试块抗压强度分别为5.2 MPa、8.1 MPa和14.6 MPa，分别提高了33%、108%和274%。比较三种改性材料的改性效果，在相同掺量的条件下，水泥的效果最好，矿渣次之，粉煤灰的效果最差。产生这种效果的原因是水泥水化的水化物以及矿渣和粉煤灰在激活剂作用下的水化物主要是水化硅酸钙凝胶及水化铝酸钙等，其具有很大的比表面积，可以将粘土颗粒胶结在一起，从而提高生土材料的强度。对于28 d龄期，水泥、矿渣、粉煤灰的水化程度有差异，生成的水化物的量有所不同，因此，三者的改性效果也存在差异，以水化程度较高的水泥改性效果最好。图2b所示的改性材料对生土28 d抗折强度的影响与其对抗压强度的影响一致。

由图2c可知，随着改性材料掺量的增加，改性生土材料的软化系数逐渐提高。其中，水泥掺量为10%、15%和20%时，试块软化系数分别为0.85、0.91和0.96；矿渣掺量为10%、15%和20%时，试块软化系数分别为0.76、0.82和0.89；粉煤灰掺量为10%、15%和20%时，试块软化系数分别为0.63、0.74和0.79。与不掺改性材料的生土试块遇水溃散相比，改性生土材料耐水性高的主要原因是改性材料水化生成了耐水性较强的水化硅酸钙和水化铝酸钙，其在生土材料中起骨架作用，并将土颗粒粘结在一起，使其具有较好的耐水性。

由图2d可知，随着改性材料掺量的增加，改性生土材料的冻融系数逐渐提高。其中，水泥掺量为10%、15%和20%时，试块冻融系数分别为0.8、0.89和0.92；矿渣掺量为10%、15%和20%时，试块冻融系数分别为0.7、0.79和0.85；粉煤灰掺量为10%、15%和20%时，试块冻融系数分别为0.55、0.64和0.71。与不掺改性材料的生土试块完全不抗冻相比，改性生土材料抗冻性高的主要原因是改性材料的水化物不仅提高了试块的强度，同时也提高其耐水性，因此受冻融循环作用时试件抗冰冻破坏的能力提高。

图2　单掺改性材料对生土性能的影响(a、b)单掺改性材料对生土28 d抗压、抗折强度的影响; (c、d)单掺改性材料对生土软化系数、冻融系数的影响

3.2复掺改性材料对生土性能的影响

按照表3的试验配合比，分别以水泥和矿渣、水泥和粉煤灰复掺作为改性材料对生土进行改性，改性材料总掺量为20%，水泥:矿渣(粉煤灰)分别为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和1∶3，即S1(S6)、S2(S7)、S3(S8)、S4(S9)和S5(S10)，改性后生土材料的28 d抗压强度、软化系数及抗冻性如图3所示。

由3a可知，相同比例的掺量下，复掺水泥和矿渣的S1、S2、S3、S4和S5比复掺水泥和粉煤灰S6、S7、S8、S9和S10抗压强度分别提高了15%、33%、41%、67%和92%，比较两种复掺改性材料的改性效果，复掺水泥和矿渣较好。

由3c可知，相同比例的掺量下，复掺水泥和矿渣的S1、S2、S3、S4和S5比复掺水泥和粉煤灰S6、S7、S8、S9和S10软化系数分别提高了2.1%、2.7%、3.2%、3.6%和4.0%；由4d可知，相同比例的掺量下，S1、S2、S3、S4和S5比复掺水泥和粉煤灰S6、S7、S8、S9和S10冻融系数分别提高了3.3%、5.1%、6.4%、7.5%和8.8%，矿渣在激活剂的作用下，水化更加充分，生成胶凝性物质，并胶结生土颗粒，填充空隙。

图3　复掺改性材料对生土性能的影响(a、b)复掺改性材料对生土28 d抗压、抗折强度的影响;(c、d)复掺改性材料对生土软化系数、冻融系数的影响Fig.3　Admixed modified materials impacting on performance of raw-soil

比较单掺与复掺的改性效果，水泥部分取代矿渣或粉煤灰的复掺较单掺矿渣或粉煤灰的改性效果稍好；但是，考虑到在实际应用中的经济性和环境效益，单掺20%矿渣(T7)的效果最佳，其28 d抗压强度为25.3 MPa，软化系数为0.89，冻融系数为0.85。

3.3水玻璃对矿渣改性土性能的影响

按照表4的试验配合比，分别以矿渣、水玻璃作为改性材料对生土进行改性，矿渣的掺量分别为10%、15%和20%，并掺入一定量的水玻璃，改性生土材料的28 d强度、软化系数及抗冻性如图4所示。

由图4a可知，比较S11、S12、S13与T5、T6、T7的抗压强度，掺入水玻璃后，其抗压强度分别提高了8%、11%和41%；由4c可知，比较S11、S12、S13与T5、T6、T7的软化系数，掺入水玻璃后，其软化系数分别提高了6%、4%和3%。由4(d)可知，比较S11、S12、S13与T5、T6、T7的冻融系数，掺入水玻璃后，其冻融系数分别提高了4%、4%和9%。

首先水玻璃[20]水解生成Si(OH)4，并有大量的OH-进入浆体并扩散到矿渣表面，加速了激活剂对矿渣玻璃体中的Si-O和Al-O键的断键作用，相同龄期内生成了较多的水化物；此外，水玻璃失水固结生成具有一定胶凝性的硅胶，强化了凝胶物对土颗粒的粘结作用，表现为试件强度的大幅提升。但由于生成的硅胶抗水性较差，因此试件的软化系数以及抗冻系数的增加幅度没有强度增加得多。

图4　水玻璃对矿渣改性土性能的影响(a、b)水玻璃对矿渣改性土28 d抗压、抗折强度的影响;(c、d)水玻璃对矿渣改性土软化系数、冻融系数的影响Fig.4　Sodium silicate impacting on performance of slag modified soil

在矿渣中掺入一定量的水玻璃，可使改性后生土材料的强度有所提高，但提高的幅度并不明显，所以在实际应用过程中没必要再掺加水玻璃作为激活剂。

3.4生土改性机理

改性材料对生土的改性效果与其改性后生成的产物及其产物存在的形式有关，分别对改性生土材料进行XRD、SEM分析，以期探索出生土材料改性后其矿物成分与矿物形貌之间的关系，实验结果如图5和图6所示。

图5　改性材料的XRD图谱(a)单掺改性材料XRD；(b)复掺改性生土的XRD Fig.5　XRD patterns of the modified materials

图6　改性生土的扫描电镜图片(a)生土；(b)20%水泥(激发剂)；(c)20%矿渣(激发剂)；(d)20%粉煤灰(激发剂)；(e)20%矿渣+水玻璃(激发剂)；(f)20%(水泥∶矿渣=1∶1)(激发剂);(g)20%(水泥∶粉煤灰=1∶1)(激发剂)Fig.6　SEM images of the modified raw-soil

由图5和图6可知，未经改性处理的生土结构疏松，颗粒与颗粒之间存在着较大的空隙；而掺有改性材料的样品结构致密，改性材料(尤其是矿渣和粉煤灰)在激活剂的作用下可生成大量的胶凝性物质，激活剂的主要成分是硫酸盐和氧化钙的混合物，激活剂可促使矿渣和粉煤灰中更多的的Si-O和Al-O键断裂，从而生成了更多的胶凝性物质，同时，激活剂本身参与反应后，也可生成胶凝性物质；因此，土颗粒的表面被水化生成的絮凝状或网状C-S-H凝胶、针棒状的钙矾石等水化物所包裹，这些水化物通过交叉与连接形成了改性土质材料的骨架，并将土颗粒牢牢地粘结[21-24]在一起，使改性土的强度有很大的提升；同时水化物的包裹，一方面使生土中粘土矿物吸水后层间距离的增加受到限制，阻碍其膨胀[25]；另一方面，使水分不宜渗透到土颗粒的表面，从而提高了土质材料的抗水性及抗冻性[26-30]。对于水化龄期为28 d的试件来讲，水泥的水化程度最高，生成的水化物最多，改性土的结构最致密，其强度与耐久性最好；而矿渣改性土的结构较水泥改性土稍差一些，但比粉煤灰改性土的结构致密得多，因此其宏观性能介于二者之间。

4　结　论

(1)在生土中掺入水泥、矿渣、粉煤灰等材料可以提高生土材料的力学性能及耐久性，并且随着掺量的增加改性效果更明显；

(2)实验结果表明，复掺比单掺的改性效果好，但从综合经济性和实用性考虑，单掺矿渣(S7)效果较好，即生土、矿渣、砂、激活剂、减水剂、水的质量比为0.6∶0.2∶0.2∶0.01∶0.01∶0.15时为最佳配合比；由此制备出的生土改性材料的强度为25.3 MPa，软化系数为0.89，冻融系数为0.85；

(3)改性材料对生土改性的机理是由于改性材料在激活剂的作用下生成大量的水化物，增强了粘土颗粒间的作用力，提高了试件的密实性，从而使改性生土具有较高的强度及耐久性。

[1]Minke G.Building with earth-design and technology of a sustainable architecture[J]．Basel:Birkhuser, 2006: 1-198.

[2]Berge B.The ecology of building materials. 2nd ed[M]．Architectural Press, Elsevier Science, 2009: 1-448.

[3]Guillaud H.Characterization of earthen materials. In: Avrami E, Guillaud H,Hardy M, editors. Terra literature review-an overview of research in earthen architecture conservation[J]．LosAngeles:TheGettyConservationInstitute, 2008: 21-31.

[4]闫增峰，赵敬源，刘加平．生土建筑围护结构表面吸放湿过程实验研究[J]．长安大学学报: 建筑与环境科学版，2003，20(4)，16-19．

[5]Caporale A,Parisi F,Asprone D,et al.Comparative micromechanical assessment of adobe and clay brick masonry assemblages based on experimental data sets[J]．ComposStruct,2015;120:208-20.

[6]Adorni E,Co sson E,Ferretti D.In situ characterization of archaeological adobe bricks[J]．ConstrBuildMater,2013,40:1-9.

[7]Silveira D,Varum H,Costa A.Influence of the testing procedures in the mechanical characterization of adobe bricks[J]．ConstrBuildMater,2013,40:719-28.

[8]王军，吕东军． 走向生土建筑的未来[J]．西安建筑科技大学报，2001，33(2)：147-149．

[9]王毅红，王春英，李先顺,等．生土结构的土料受压及受剪性能试验研究[J]．西安科技大学学报，2006，26(4):469-472，484．

[10]尚建丽，刘加平，赵西安．低能耗夯实粗粒土建筑特性的试验研究[J]．西安建筑科技大学报: 自然科学版，2003，35(4):325-328．

[11]王毅红，卜永红，杜建军,等．生土坯及生土坯砌体受力性能的试验研究[C].建筑专业委员会．砌体结构与墙体材料基本理论和工程应用．上海: 同济大学出版社，2005，33-37．

[12]刘俊霞，张磊，杨久俊,等. 生土材料国内外研究进展[J].材料导报，2012，26(12)，14-17.

[13]曲烈，李剑，张娜,等. 掺复合减水剂生土改性材料流变与力学性能研究[J].粉煤灰综合利用，2013，8-11.

[14]丁苏金，王武祥等. 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，2014，45-51.

[15]Jayasinghe C,Kamaladasan.Compressive strength characteristics of cement stabilized rammed eah walls[J].ConstrBuildMater,2007, 21: 1971-1977.

[16]Degirmenci N.The using of waste phosphogypsum and natural gypsum in adobe stabilization[J].ConstrBuildMater,2008,22: 1220-1226.

[17]韩晓雷.灰土强度影响因素研究[J].岩土工程学报，2002，24(5):667-669.

[18]钱觉时，王琴，贾兴文,等．燃煤电厂脱硫废弃物用于改性生土材料的研究[J]．新型建筑材料，2009,(2):28-31.

[19]周铁钢，穆钧，杨华．抗震夯土民居在灾后重建中的应用与实践[J]. 世界地震工程，2010，26(3):145.

[20]赵永林.水玻璃激发矿渣超细粉胶凝材料的形成及水化机理的研究[D].西安：西安建筑科技大学硕士学位论文，2007.

[21]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.

[22]郑寒英.不同改性材料对生土墙体材料性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2014,(5):62-65.

[23]Jayasinghe C,Kamaladasa N.Compressive strength characteristics of cement stabilized rammedearth walls[J]．ConstructionandBuildingMaterials,2007,21:1971-1976.

[24]Mohamed A M O.The role of clay minerals in marly soils on its stability[J]．EngineeringGeology,2000,57:193-203.

[25]卢雪松，项伟，范文彦,等. 离子土壤固化剂加固红黏土实验研究[J].人民黄河，2010，32(2):127-129.

[26]王赘，张波. 生土建筑在灾后重建中的应用研究[J]. 世界地震工程，2009，25(3):159-161.

[27]王琴等. 生土材料的改性研究[D].重庆：重庆大学硕士学位论文，2009.

[28]韩冰，刘玉旭.稻壳灰的制备和微观结构性能[J].四川建材，2010，36(6):1-2.

[29]尚建丽，刘加平.生态建材与可持续发展[J].长安大学学报，2003,(11):71-74.

[30]荆其敏.生土建筑[J].建筑学报，1994,(5):43-47.

Effect of Modified Agent on the Physical and Mechanical Properties of Raw-soil and Its Action Mechanism

YUHai-yan,CHENGHai-ping,SHIJun-yao,RENYa-nan,YANGJiu-jun

(School of Materials Science and Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China)

The shortcomings of raw-soil material are low strength and poor water resistance, which limits its application in the raw-soil buildings. In order to meet the requirement of modern raw-soil buildings, the modification of the raw-soil need to do more research. This paper studied the influence of the cement, slag ,fly ash and sodium silicate on the mechanics performance and durability of modified raw-soil and explored the mechanism of modified materials by the microscopic analysis of XRD and SEM. The testing results showed that when the mix ratio of raw-soil, slag, sand, activator, water reducing agent is 0.6∶0.2∶0.2∶0.01∶0.01 and water to binder ratio is 0.15, the strength, softening coefficient and coefficient of freezing and thawing of modified raw-soil can reach to 25.3 MPa, 0.89 and 0.85, respectively.

raw-soil;modified material;mechanical property;softening coefficient

国家科技支撑计划项目(2014BAL03B03)

余海燕(1971-)，男，博士，副教授.主要从事水泥基材料方面的研究.

TU521

A

1001-1625(2016)05-1443-07