自密实生土材料制备及力学性能的研究

2016-10-19刘志华曲烈刘刚王超张文研康茹茹李园枫

天津建设科技 2016年4期

□文/刘志华曲烈刘刚王超张文研康茹茹李园枫

自密实生土材料制备及力学性能的研究

□文/刘志华曲烈刘刚王超张文研康茹茹李园枫

采用黄土为原材料，研究了自密实生土材料配方、制备及其性能。结果表明，自密实生土材料的最优配比为生土40%、水泥12%、矿粉8%、砂30%、碎石10%，水固比0.45，聚羧酸减水剂1.0%，生土材料坍落度可达21.5 cm，14 d抗压强度可达6.5 MPa。自密实生土材料流动性的主要影响因素是水胶比、减水剂和砂石掺量；当增加砂石掺量时，相当增加了材料中水的含量并使其流动性增加，原因是砂石低于生土吸水率；生土材料的流动性与抗压强度没有直接的线性关系。

自密实；生土材料；制备；力学性能

目前，我国遍布的生土建筑，孕育了当地的文化。因为各地条件和环境的不同，形成各具特色的生土建筑。尽管生土材料有很多优良的特性，但缺点也很明显。如何改善生土材料性能，将其潜在的应用潜力发掘出来，是一个急需解决的任务［1］。

在20世纪80年代，法国学者［2］就开始研究现代生土材料。在法国格勒诺布尔创立的生土建筑研究中心（CRATerre）是当代生土材料和建造技术的先驱和权威机构。法国维尔尼土坝防渗墙建造时，采用粘土混凝土进行浇筑，其配方是47 kg/m3水泥、117 kg/m3粘土，其余是水坝砂石，该粘土混凝土的28 d抗压强度为1～1.2 MPa。智利坎文托维约坝的粘土防渗墙28 d强度为0.45 MPa，该水坝建造者采用的配方是74 kg/m3水泥、75 kg/m3粘土、25 kg/m3膨润土。德国政府对生土建筑很重视，在1999年制定了《生土建筑导则》。美国哥伦比亚州、亚利桑那州的传统生土建造技术，已经达到了市场化的标准并不断改良推广应用，当地甚至许多别墅建设开始热衷使用生土材料。2002年澳大利亚国家为了规范生土建筑标准，出版了《澳大利亚生土建筑手册》。

我国生土建筑的研究起步较晚，但也有许多学者对生土材料、生土建筑墙体性能等进行了大量研究，取得了一些成果［3～4］。2007年，吴恩融和穆钧团队开始在甘肃庆阳设计建造“毛寺生态实验小学”项目［5］，充分利用当地资源，改良夯土、土坯砌筑技术，指导当地村民修建校舍，该项目获得了国内建筑类大奖。2011年5月—2012年7月，“现代夯土绿色民居建造研究示范项目”在甘肃省会宁县开展，穆钧、周铁钢团队进一步对夯土建造技术进行推广，夯土农宅不仅结构安全性和墙体耐久性能上有了极大提升，而且具有传统夯土建筑保温节能的优势。但夯土施工的不足之处是劳动强度大且有很大的施工噪音。

卢良浩等［6］采用85 kg土、340 kg水泥、550 kg砂、980 kg卵石、水灰比0.6的试验配比，制备出坍落度21 cm，28 d抗压强度10 MPa的浇筑成型生土材料。李上游等［7］研究得到生土材料的坍落度20 cm左右，扩散度为35 cm左右的生土材料，其试验配合比是粘土140 kg、水泥158 kg、砂865 kg、卵石782 kg，掺水量266 kg，其28 d抗压强度可达3.3 MPa。曲烈等［8］利用掺木质素和萘系减水剂对生土材料流变性能进行改性，发现当水灰比为0.6，减水剂掺量（萘系减水剂与木质素减水剂的掺量比为4∶6）为1%时，改性生土材料的流变性能最好；当水灰比为0.5，减水剂掺量（萘系减水剂与木质素减水剂的掺量比为6∶4）为1%时，改性生土材料的流变性能最好。

高福平等［9］利用米家寨生土配制粘土混凝土的配合比为102 kg/m3的粘土（30%）、237 kg/m3PO.2.5水泥、砂率42%，220 kg/m3的水（0.65的水胶比），其坍落度为20 cm（1 h坍落度为18.5 cm），扩散度为32.5 cm，28 d强度可达到11.1 MPa。何丽娟等［10］研制了坍落度19.5 cm，扩展度40 cm，28 d强度为13.8 MPa的粘土混凝土，其试验配合比是粘土132 kg、水泥288 kg、砂686 kg、石957 kg，用水量为256 kg/m3。刘志华等［11］制备自密实生土改性材料，配方为10%粉煤灰、1.5%减水剂、16%高效固化剂，制得28 d抗压强度为3.2 MPa的大流动性、自密实生土材料。

本文拟在前人研究的基础上，对自密实生土材料的配比、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测定其流动性、物理力学等性能，制备出具有优异性能的生土材料，以达到改善生土建筑施工条件的目的。

1　原材料及试验方法

1.1试验原料

黄土取自河南省荥阳，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，见表1。

表1　黄土的化学组成%

由表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%。从图1可知，黄土的主要矿物是SiO2和钾、钠长石。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6.6 μm。

图1　黄土XRD图谱

活性矿粉为唐山市京东粒化高炉矿渣粉厂生产。砂子为市售中砂，细度模数为3.75。石子为市售石子，粒径＜5 mm。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。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试验设备

行星式水泥胶砂搅拌机、试验用球磨机、水泥砂浆振动台、远红外鼓风干燥箱、标准坍落度筒、JYE-300A自动恒应力强度检测仪、鄂式破碎机、100 mm×100 mm×100 mm钢模、水泥快速养护箱等。

1.3试验方法

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

2）坍落度的测定。将坍落度筒（上口直径10 cm，下口直径20 cm，高30 cm，呈喇叭状）内外擦干净、润湿并在筒顶部加上漏斗，放在干净润湿的方板（100 cm× 100 cm×100 cm）上。用双脚踩紧踏板（或用手按紧筒），固定筒的位置；将拌和料分3次均匀装入筒内，每层约为筒高的1/3，每装一层用捣棒插捣20次；装满筒后卸下漏斗，将筒顶多余的拌和料轻轻刮去；将坍落度筒垂直向上提起，要平稳，提起过程要在10 s内完成，坍落物最高点与筒的高度差即为拌和料的坍落度（读数精确至0.1 cm），测试过程应在3 min内完成；完成后，用直尺测量拌和料扩展后最大直径和最小直径（读数精确至0.1 cm）。

3）抗压强度的测试。将试块放在抗压试验机上，试块轴心应与试验机压板中心对齐，应选试块成型时的侧面为承压面；启动抗压试验机，调整上压板与试块，使二者均匀接触；以0.5 MPa/s的速度对试块进行加压，直到试件破坏，读数精确至0.1 MPa。

2　结果与讨论

2.1胶凝材料对生土材料性能的影响

胶凝材料对自密实生土材料流动性影响见图2。胶凝材料的添加量分别为9%（6%水泥+3%矿粉）、12%（8%水泥+4%矿粉）、15%（10%水泥+5%矿粉）、20%（12%水泥+8%矿粉）。

图2　胶凝材料对生土材料流动性的影响

由图2可知，在胶凝材料用量达到15%之前，随着水泥和矿粉掺量的增加，生土材料的坍落度增大，扩展度也增大；当掺量为水泥10%、矿粉5%以后，坍落度达到20 cm以上，同时增长幅度变慢，但扩展度有下降趋势。可能是因为水泥量增多，对生土材料的改性效果突出了，增大了材料粘聚性。如图3所示，随着胶凝材料的增多，试块抗压强度不断增大。当水泥和矿粉掺量＜15%，增长幅度较慢；当掺量超过15%时，试块抗压强度明显增加，14 d强度可达到6 MPa以上。确定胶凝材料用量为20%（12%水泥+8%矿粉）。试块从3 d强度到7 d强度增加明显，而7 d强度到14 d强度很少增加，可能是因为胶凝材料的水化反应主要在前期进行，后期反应很少。

图3　胶凝材料对生土材料抗压强度的影响

2.2水胶比对生土材料性能的影响

如图4所示，随着水胶比的增大，生土材料的坍落度增大，扩展度也增大。当水胶比达到0.45以后，材料的坍落度可达到20 cm以上，扩展度在35 cm以上。当水胶比达到0.5时，材料的流动性很好，但开始出现泌水现象。

图4　水胶比对生土材料流动性能的影响

如图5所示，随着水胶比的增加，3 d抗压强度不断降低，7 d抗压强度也在降低，尤其是在水胶比达到0.5时，强度下降幅度很大。对于水胶比分别为0.35、0.4、0.45的生土材料，三者14 d抗压强度基本相同，而水胶比为0.5的生土材料，14 d抗压强度很低，与其含水量过高、试块中的孔隙、缺陷多有关，当然跟其泌水离析也有很大关系。故用水量必须严格控制，建议水胶比为0.45。

图5　水胶比对生土材料抗压强度的影响

2.3砂石掺量对生土材料性能的影响

如图6所示，在砂石掺量达到45%之前，随着砂石掺量增多，坍落度变化较小，当砂石掺量达到45%时，坍落度上升幅度明显增大；同样，砂石掺量达到45%之前，材料的扩展度有所下降，当砂石掺量＞45%，材料的扩展度突然增加。这可能是因为砂子的吸水率低，砂子增多，拌和物中的自由水增多，流动性增大。当砂石掺量达到50%时，材料的坍落度达到25 cm以上，扩展度达到48 cm以上，出现轻微泌水现象。

图6　砂石掺量对生土材料流动性的影响

如图7所示，在砂石掺量达到40%之前，随着砂石掺量增多，试块强度增大；砂石掺量40%和掺量45%的试块强度基本相同；当砂石掺量超过45%时，因为生土和胶凝材料的比例下降，试块的强度也出现明显下降，当然，这也与其流动性过大、出现泌水离析现象有一定关系。

图7　砂石对生土材料抗压强度的影响

2.4减水剂对生土材料性能的影响

如图8所示，随着减水剂的增加，生土材料的流动性不断提高。可能是因为在生土材料中加入减水剂后，使胶凝物颗粒表面性质产生变化，拌和物中的自由水增多，流动性变大。当减水剂掺量达到1%时，坍落度升高至20 cm以上，扩展度达到35 cm。而当减水剂掺量达到2%时，流动性进一步提升，但开始出现泌水离析现象。

图8　减水剂对生土材料流动性的影响

如图9所示，在减水剂掺量达到1%之前，随着减水剂掺量增多，强度有所增加，但并不太大；当掺量超过1%时，强度开始下降；当减水剂掺量为2%时，试块强度很低，14 d强度在5 MPa之下，这可能与其流动性过大，出现泌水现象有关。试验表明，在一定掺量内减水剂对浇筑性生土材料强度影响较小。

图9　减水剂对生土材料抗压强度的影响

根据试验数据，对自密实生土材料坍落度与强度进行相关性分析。采用线性拟合

式中：E为抗压强度，MPa；R为坍落度，cm；a和b为系数。通过回归分析计算可得

计算该线性公式的相关系数r=-0.122。根据混凝土试验规程，当试验数据为13组时，其可信相关系数取0.553（可信度5%）。因r的绝对值为0.122，远小于0.553，生土材料的坍落度与抗压强度线性关系是无意义的、不可信的。

3　结论

1）自密实生土材料的最优配比为生土40%，水泥12%，矿粉8%，水固比0.45，聚羧酸减水剂1.0%，其坍落度可达21.5 cm，扩展度可达36.1 cm，14 d抗压强度可达6.5 MPa。

2）影响自密实生土材料流动性的主要因素是水胶比、减水剂和砂石掺量。掺加减水剂改变生土、胶凝材料的颗粒表面性质，分散了絮凝结构，增加了自由水，使得材料流动性增加；当增加砂石掺量时，增加了材料中自由水的含量，使其流动性增加，原因是砂石吸水率低于生土。

3）自密实生土材料的流动性与其抗压强度无直接线性关系。

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［11］刘志华，李园枫，杨久俊，等.自密实生土基墙体材料的试验研究［J］.新型建筑材料，2015，（10）：45-48.

□曲烈、刘刚、王超、张文研、康茹茹、李园枫/天津城建大学材料科学与工程学院。

TU521

1008-3197（2016）04-01-04