成型工艺对生土制品力学性能的影响

2018-06-05杨久俊

天津建设科技 2018年2期

□文/曲烈杨久俊

生土材料是名副其实的节能、环保、绿色建筑材料。我国的生土建筑有超过7000a的历史，山西、陕西、福建、云南、黑龙江、内蒙古、河南等地至今仍保留有生土建筑，其建筑形式有窑洞、土坯建筑、夯土建筑等[1]。但传统生土基材料强度低、脆性大、抗水性差，由其建造的建筑在抗震性、耐久性等方面存在问题[2～3]。

国内外学者从20世纪30年代就开始研究生土材料的改性方法，使其尽可能保证本身的良好特性，又能将作为墙体材料的力学、热学、耐久性能达到最优。在国外，研究者利用水泥、石灰等材料对生土进行改性，以提高其强度和耐久性，开发出了石灰改性土、水泥改性土、复合改性土[4～5]等材料。近年来，由于地震灾害频发，从生土建筑结构体系、抗震构造措施等方面逐渐展开研究，但对生土制品成型工艺与优化的研究较为薄弱[6～7]。

本研究用无机改性剂对陕西黄土进行改性，研究了不同工艺的生土强度，为压制或振动成型生土砖或砌块在新农村中的应用研究提供基础数据。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 水泥和石灰

42.5号普通硅酸盐水泥为天津振兴水泥厂生产。石灰为天津江天统一科技公司购买，CaO含量达98%。

1.1.2 生土

生土为陕西黄土，把土在球磨机中粉磨10min，没有大的结块即可。土的物理性能见表1，粒度见表2。

表1 黄土物理性能 %

表2 黄土粒度 μm

1.1.3 河砂

普通河砂，细度模数2.1，其含泥量质量分数为1.8%。

1.2 试验设计及性能测试

分压制、振动和振动加压成型3种工艺进行试验，试验方案见表3-表5。

表3 生土压制成型试验方案

表4 生土振动成型试验方案

表5 生土砌块振动加压成型试验方案

将陕西黄土陈化24h后，加定量的水搅拌均匀。生土压制成型试样的水固比一般较低，当生土料含水量过大时，容易发生溢浆现象。试块制备过程要注意，准确称量材料后，混合要均匀，先干混后湿混；掺水泥的土料在0.5h内压制完成；称取550g混合物装入尺寸为40mm×40mm×160mm的钢模中，以8MPa成型压力（保压4s）压制生土试块，加压速率为0.5kN/s，压出试块高度在40mm左右。试块脱模后在室内环境干燥2d，放入50℃恒温干燥箱至绝干（一般为5d），至龄期后进行力学性能试验，结果均取3块求平均值。

生土振动成型利用ZDP-1500×1500振实台进行，试块脱模后在室内环境干燥2d后，放入干燥箱至绝干，至龄期后进行力学性能试验，结果均取3块求平均值。

生土空心砌块振动压制成型采用日本虎牌M4成型机，通过压力、持压时间和振动时间进行控制。砌块尺寸为390mm×290mm×190mm，空心率为30%，压力控制在10MPa。标准养护，温度控制在（20±1）℃，湿度在90%以上，养护至检测龄期。性能测试主要为砌块力学性能，参照GB/T4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》。

2 结果与讨论

2.1 采用压制成型工艺的生土力学性能

掺水泥能成倍提高生土试块力学性能，见图1a。对于抗压强度而言，当水泥掺量为5%时，生土试块的抗压强度是空白试样的1.76倍；当水泥掺量为10%时，为2.06倍；当水泥掺量为15%时，达到2.7倍，抗压强度达到最高16.97MPa。对于生土试块的抗折强度，掺水泥也能有效提高，但幅度不是很明显，当水泥掺量达到15%时，抗折强度仅仅为1.44倍，抗折强度达到最大值为3.77MPa。

复掺改性的生土试块力学性能较为优良，相对于单掺改性生土试块的抗压强度要分别高出41.5%和85%。相对于未改性的生土试块，抗压强度提高了近3倍，见图1b。随纤维掺量的增多，抗折强度一直增高，抗压强度在纤维含量为1%时最大，达到21.15MPa；当纤维掺量为1.5%时又降低到18.07MPa。说明在复掺改性生土试块中，纤维掺量1%是最佳的配比。

图1 压制成型生土的强度

2.2 采用振动成型工艺的生土力学性能

随水泥掺量增加，生土的抗折和抗压强度升高，见图2a。这是由于随着水泥掺量的增加，材料增强作用逐渐增大。当水泥掺量达到17.5%时，生土强度可达9.5MPa；当水泥掺量达到20%时，强度可达9.5MPa。可见，单掺水泥需要较多的胶凝材料才能提高生土强度。

复掺胶凝材料对提高生土强度有明显影响，见图2b。砂含量为0，当5%石灰加15%水泥掺量时，生土材料的抗压强度最高为12.5MPa，远高于单掺20%水泥组的强度。这可能是因为体系中有更多的氧化钙提高材料体系中的碱度，有利于激发生土中的活性氧化硅，生成更多的水化产物。而当砂含量为20%时，水泥掺量为15%生土材料的抗压强度最高为18.7MPa。这是因为掺加砂子一方面可以在成型时排气，另一方面可以增加生土材料的刚度，减少变形和增大生土的内摩擦及体积稳定性，由此而提高生土强度。

图2 振动成型生土的强度

2.3 采用振动加压成型工艺的生土空心砌块力学性能

生土强度主要依赖于压实能量。图3为振动加压成型改性生土空心砌块的强度。随着水泥掺量由5%增加到15%，生土砌块28d抗压强度由4.0MPa增加到6.7MPa，说明在振动加压作用下，增加水泥的掺量使得生土强度可以进一步由化学力提供，即它可以产生更多的水化产物。由XRD分析，砌块样品中存在明显的C-S-H、钙钒石、氢氧化钙等衍射峰，主要来源于砌块中所掺水泥水化及石灰熟化产物，其产物能够起到固结生土砌块各组成作用，提高有效结构强度。