超细矿粉改性生土的正交试验研究★

彭 斌 孟宏睿 李 涛 冯映雪 杨 成 陈丽红

(陕西理工大学土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723001)



·建筑材料及应用·

超细矿粉改性生土的正交试验研究★

彭 斌 孟宏睿*李 涛 冯映雪 杨 成 陈丽红

(陕西理工大学土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723001)

采用正交设计方法，以碱激发超细矿粉改性生土材料的抗压强度为指标，分析了生土颗粒粒径、生土与超细矿粉比例、复合碱性激发剂掺量等因素对碱激发超细矿粉改性生土材料抗压强度的影响，结果表明：各因素影响改性生土抗压强度的顺序为复合碱性激发剂掺量、生土颗粒粒径、生土与超细矿粉比例；复合碱性激发剂掺量的影响最大，最佳的复合碱性激发剂掺量为6%。

生土，超细矿粉，抗压强度，正交试验

1 概述

生土建筑是指利用未经焙烧的土壤或简单加工的原状土作为主体材料，辅以木、石等天然材料营造主体结构的建筑。生土是人类最早使用的建筑材料之一，具有便于自建、取材方便、造价低廉、保温隔热、污染少、可循环利用等有利于生态平衡的优点，是生态型建筑材料，为居住空间创造了舒适的环境，目前在我国部分农村地区房屋建设中，生土建筑仍占有一席之位。但由于生土材料耐水性能差、强度较低、耐久性差、体积稳定性差等缺点，使得生土建筑在抗震地区安全性很差，严重地限制了生土材料的应用。在资源日益枯竭、环境污染日益严重的今天，需要重新审视生土这一古老但却具有发展前景的绿色建筑材料，用新的科技方法来重新利用它。

如何对生土材料进行改性，增强其耐水性能和力学性能，提高生土建筑的使用年限，成为生土材料应用发展必须解决的问题。目前，生土材料改性方法主要采用两种，即物理改性和化学改性，物理改性是在夯实生土时，掺入麻刀、稻草、竹筋、麦秆等植物纤维的改性方法，通过植物纤维与生土材料之间的粘结作用，有效的抵消部分剪切应力，提高生土夯筑墙体的整体性能，减小土体干缩；化学改性是加入无机类改性剂，如粉煤灰、熟石灰、石膏、水泥等材料，与土粒子发生化学反应，提高生土材料的强度和耐久性。

本实验研究：采用综合改性的方法，用正交设计在生土中掺入超细矿粉作为胶凝材料，采用复合碱性激发剂对其进行活性激发，并掺入1%的有机纤维混合均匀，以浇筑成型方式制备生土改性材料，测试改性生土材料强度指标，为生土改性材料提供新的技术思路。

2 试验研究

2.1 试验用原材料

试验土样取自陕南宁强粘土，测定其天然密度为2 150 kg/m3，天然含水率为21.0%，液限为27%，塑限为17%。

超细矿粉选用陕钢集团高炉排出的粒化矿渣磨成的超细矿粉，比表面积为425 m2/kg，其化学成分见表1。

表1 超细矿粉化学成分

复合碱性激发剂由水玻璃、乙二醇、氢氧化钠通过试验按一定比例进行掺配确定。试验用水采用普通自来水，前期试验研究了水胶比，确定出当用水量为生土和超细矿粉总重量的30%时，便于试验振动成型。

2.2 试验设计和试件制作

1)影响因素和考核指标的选择。采用正交设计方法，以超细矿粉为原材料在掺入1%的有机纤维作用下形成胶凝材料，同时掺入复合碱性激发剂用于生土的改性，分别考察了生土与超细矿粉的掺合比例、复合碱性激发剂的掺量以及生土颗粒粒径的大小对改性生土抗压性能的影响。

生土与超细矿粉掺比的确定：由于在制备改性生土材料时是在常温常压条件下进行的，环境条件对于其性能影响较小，主要的影响因素为胶凝材料，即生土与超细矿粉，二者的比例将影响反应产物的多少以及性能指标的高低，初步采用7∶3，6∶4，5∶5三个水平。

复合碱性激发剂的掺量：通过前期研究分析，复合碱性激发剂由水玻璃、乙二醇、氢氧化钠通过试验按一定比例进行掺配确定，由于复合碱性激发剂的掺量对生土材料和超细矿粉都存在显著的激发作用，故试验复合碱性激发剂的掺量选用4%,6%,8%三个水平。

生土的粒径：将生土风干后，进行碾碎处理，考虑生土的粒径可能对试验的强度也有影响，试验选用将原土过筛0.1 mm，0.3 mm，0.5 mm三个水平进行掺配。

以表示改性生土试块28 d抗压强度为考核指标。正交试验方案和试验结果见表2。

表2 L9(33)试验方案和试验结果

2)试件制作。根据正交表，计算出每一组试验材料用量，考虑到生土与其他材料的密度不同，为了使混合料均匀一致，先将所有干料加入水泥胶砂搅拌机慢速搅拌1 min，再将溶有激发剂的水加入继续搅拌1 min，选用水泥胶砂标准试模(40 mm×40 mm×160 mm)固定在胶砂振实台上，搅拌完成后分两次振动成型，用刮刀将其表面抹平；为防止水分流失太快而导致的开裂收缩，将试件在水泥胶砂养护箱中养护7 d，再取出放在室内用塑料膜覆盖自然养护21 d测试其抗压强度。

2.3 试验结果分析

将试验结果进行极差分析和方差分析，列于表3和表4。

表3 考核指标的极差分析

表4 28 d抗压强度为考核指标的方差分析

从表2的试验结果及表3的极差分析结果可以看出，对于改性生土材料的28 d抗压强度，因素影响顺序为：复合碱性激发剂掺量、生土粒径、生土与超细矿粉比例，并且复合碱性激发剂掺量的影响较大，生土与超细矿粉比例和生土粒径影响不大，说明该两个因素所取水平在最佳范围内。从表2中可以看出：对于复合碱性激发剂掺量为6%的改性效果最好，说明复合激发剂存在最佳掺量；超细矿粉中化学成分SiO2，CaO占70%左右，具有潜在的化学活性，在复合碱性激发条件下发生水化反应，生成的水化产物增加了生土颗粒内胶凝材料的数量，当生土和超细矿粉的比例与复合碱性激发剂相匹配时，超细矿粉在碱性条件下与生土发生化学反应，改性生土的强度大大提高，硬度也增大，其颜色由黄褐色变为绿黑色。综上所述，对于抗压强度性能指标的最优配合比为：A1B2C2，即生土粒径为0.01 mm、生土与超细矿粉比例为6∶4、复合碱性激发剂掺量在6%时，28 d抗压强度为40.63 MPa。

为了进一步分析各因素对改性生土强度的影响，进行了以28 d抗压强度为考核指标的方差分析，结果见表4。方差分析表明：复合碱性激发剂的掺量对改性生土抗压强度的影响很显著。复合碱性激发剂掺量为6%为最佳，得出的结论与前面的直观分析是一致的。

3 结语

1)试验结果表明：各因素影响改性生土抗压强度的顺序为：复合碱性激发剂掺量、生土粒径、生土与超细矿粉比例，并且复合碱性激发剂掺量的影响最大。

2)方差分析表明：复合碱性激发剂的掺量对改性生土抗压强度的影响很显著。复合碱性激发剂掺量为6%为最佳，和易性最好。

3)对于抗压强度性能指标的最优配合比为：A1B2C2，即生土粒径为0.01 mm、生土与超细矿粉比例为6∶4、复合碱性激发剂掺量在6%时，28 d抗压强度为40.63 MPa。

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The research of orthogonal test for improvement raw-soil material with superfine slag★

Peng Bin Meng Hongrui*Li Tao Feng Yingxue Yang Cheng Chen Lihong

(Dept of C.E. of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, China)

By means of orthogonal design method, with the compressive strength of improvement for raw-soil material base on alkali-activated superfine slag as the index, the paper analyzes the effect of compressive strength for raw-soil material base on alkali-activated superfine slag, along with the particle size of raw-soil, superfine slag and raw-soil ratio and the content of alkali-activated. The test results show: the importance order of the three influencing factors on the compressive strength for raw-soil material base on alkali-activated superfine slag is the content of alkali-activated, the particle size of raw-soil and superfine slag and raw-soil ratio, and the optimal content of alkali-activated is 6%.

raw-soil, superfine slag, compressive strength, orthogonal test

1009-6825(2017)12-0092-03

2017-02-18

★:陕西省教育厅专项基金项目(2013JK0987);2015年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(201510720573)

孟宏睿(1968- ),男，博士，硕士生导师，副教授

TU522.3

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