基于碱激发S95矿粉改性生土的试验研究

孟宏睿， 陈丽红， 付江涛

(陕西理工大学 土木工程与建筑学院， 陕西 汉中 723000)

随着社会经济的发展，世界环境保护问题日渐突出，保护生态环境、实现可持续发展已成当今国际社会普遍关注的问题。中国于2018年颁布《国家乡村振兴战略规划(2018—2022年)》，提出了乡村振兴战略，其中，生态宜居是关键。生土建筑作为我国民居传统建筑形式(图1)，现在仍大量存在，在陕南地区，特别是欠发达县域的农村更是广泛存在[1]。生土作为一种建筑材料，具有就地取材、技术简单、造价低廉、倒塌后可回收、有较好的热工、调节湿度等优点[2]，因此，在日益提倡环境保护的背景下，国内外诸多学者对生土的力学特性展开了多方面的研究，但同时值得一提的是生土也具有强度低、耐久性差、遇水易崩解性、水敏性等弱点[3]，这些弱点在一定程度上限制了生土材料的应用和技术推广。由此，对生土进行改良，提高生土强度、耐久性和降低其水敏性是扩大其推广范围的关键。目前，生土改良主要的技术包括物理改良和化学改良。其中，物理改良是指采用物理方法如强夯、煅烧、加入筋材等方式改良土体物理性状，从而改善其强度和稳定性[4-8]。化学改良是指采用在土体中加入各种化学改良剂，使其与土体发生化学反应，产生胶凝材料，从而提高其强度[9-16]。但这两种方法各有优缺点，相比较而言，将化学改良和物理改良方法结合起来则有着更为广阔的发展前景。

本文通过在保证较好制备性能的情况下，利用自然风干的生土，在其中掺入S95矿粉、复合激发剂(水玻璃质量∶乙二醇质量∶氢氧化钠质量=5∶1∶1，化学改良)和聚丙烯纤维(物理改良)，通过试验研究生土粒径、生土与矿粉的质量比、有机纤维的掺入、复合碱性激发剂的掺量对生土材料抗折强度、抗压强度的影响，并通过扫描电子显微镜对改性生土的微观机理进行探究。研究结果可为陕南地区传统生土(土坯)建筑的发展以及环境生态保护等提供参考。

(a)福建土楼 (b)陕南生土建筑图1 生土建筑

1 试验概况

1.1 试验材料

生土：原土取自陕南宁强县粘土，天然密度2.15 g/cm3，天然含水率21.0%，液限27%，塑限17%。将自然风干的生土(含水率1.2%)磨细，制备过筛粒径为0.1、0.3、0.5 mm的土样。

S95矿粉：汉中汉钢新型建材有限公司，密度2.88 g/cm3，比表面积440 m2/kg，性能指标见表1。

表1 S95矿粉性能指标

碱性激发剂：NaOH，分析纯，NaOH含量≥98%，碳酸盐(以Na2CO3计)≤1.5%；Na2SiO3·9H2O，分析纯，Na2O含量在19.3～22.8之间，Na2O与SiO2含量比1.03±0.03；乙二醇(HOCH2CH2OH)，分析纯，分子量62.07，比重范围1.112 8～1.113 8，沸程196～199 ℃。

聚丙烯纤维：聚丙烯纤维的密度为0.90～0.92 g/cm3，纤维长度为1.5～200.0 mm。

水：自来水。

1.2 试验设计

将自然风干的生土磨细分别用粒径0.1、0.3、0.5 mm的筛子过筛，矿粉采用S95，按生土与矿粉质量比(CL∶SP)为6∶4(A组)和7∶3(B组)进行掺配。为保证有较好成型条件，采用水料比0.3加入用水量，即水质量/(生土质量+矿粉质量)=W/(CL+SP)=0.3。复合激发剂由水玻璃∶乙二醇∶氢氧化钠=5∶1∶1(质量比)构成，按矿粉质量(SP)的4%、6%、8%掺入；对A试验配比组，分别按生土和矿粉总质量1%的量掺入聚丙烯纤维(编号AX组)进行对比试验。

1.3 试样制备

将生土土样、S95矿粉按比例加入水泥胶砂搅拌机中低速搅拌1 min，再加入溶有复合激发剂(或溶有复合激发剂及聚丙烯纤维)的水，高速搅拌2 min形成低流态混合物，将低流态混合物分两次装入40 mm×40 mm×160 mm水泥胶砂试模，用水泥胶砂振实台振实60 s，将试模表面刮平，带模在水泥标准养护箱中养护7 d后拆模，室温下养护28 d，进行力学性能测试。

1.4 试验结果与现象

试件在YAW-300C全自动压力试验机(图2)上进行抗折强度和抗压强度测试。每个试件均以峰值荷载计算其抗压强度，测试结果见表2。试件折断后的断面照片如图3所示。改性生土的扫描电子显微镜(SEM)照片如图4所示。

图2 YAW-300C全自动压力试验机

表2 原土及改性生土试件力学性能测试结果

(a)无掺料生土 (b)CL∶SP=7∶3 (c)CL∶SP=6∶4 图3 试件折断后的断面

(a)CL∶SP=7∶3 (b)CL∶SP=6∶4图4 改性生土的SEM照片

2 试验结果分析

2.1 矿粉、复合激发剂对生土内部结构的影响

从图3可以看出，生土材料加入矿粉后，干燥后的试块颜色由红褐色变为黄褐色，并随着掺入比例的变化在其内部出现有青色，与原土体颜色有明显差别，说明加入矿粉改变了原生土材料的外观性能。从改性生土材料的SEM照片(图4)中可以看出，由于S95矿粉及激发剂的加入，试件材料发生了相应的水化反应，生成两种主要的凝胶产物——水化硅酸钙和水化铝酸钙。其胶凝性能使生土颗粒间相互交叉连接、包裹并覆盖在生土颗粒表面，使比表面积增大，拥有稳定的整体性结构。该结构将增强生土颗粒之间的粘合力，并改善生土的性能。

2.2 复合激发剂对改性生土强度的影响

由表2、图5—图7可以看出，无论A组、B组或AX组的试验中，生土与S95矿粉混合，掺入复合激发剂可以明显提高改性生土的力学性能。不同过筛孔径的土样，虽然提高的程度稍有不同，但提高的幅度均较大，其中在无纤维掺入时28 d抗折强度、抗压强度与基准试件的最高变化率为400%(B33对比B03)和1 012.57%(A21对比A01)。当复合激发剂的掺量增加到6%之前，增加复合激发剂的掺量强度变化较大；而掺量由6%变到8%时，强度的变化幅度不大，对于A组和AX组试件来说，其强度有所降低；对B组来说，强度虽没有降低，但增幅明显减小。这说明掺入复合激发剂可以有效激发S95矿粉的活性，使其活性物质在弱碱性环境中进行水化反应，随着水化反应的不断进行，生成的水化硅酸钙凝胶等物质填充生土缝隙，细化生土材料的孔结构，并提供骨架支撑作用，从而有效地改善了生土材料的力学性能。从试验的结果来看，复合激发剂的掺量有一个较为合理的取值时，可以使其强度有较大幅度的增长。

(a)抗折强度 (b)抗压强度 图5 复合激发剂掺量对过筛0.1 mm筛孔生土力学性能的影响

2.3 生土颗粒粒径对改性生土强度的影响

对照表2及表3的计算可以看出，随着生土颗粒变细，改性生土的28 d抗折强度、28 d抗压强度大都有所提高，且对28 d抗折强度的提高影响相对明显。从生土与矿粉的比例为6∶4(A组和AX组)的试验结果可以看出，生土颗粒越细强度提高幅度较大，而生土与矿粉比例为7∶3(B组)的试验结果可以看出，生土颗粒越细而强度提高的幅度较小。随着生土粒径的减小，改性生土的28 d抗压强度最高变化率为36.10%(B1组)，28 d抗折强度最高变化率为204.69%(A3组)。这说明，在复合激发剂的作用下，增加矿粉含量，生土颗粒越细，则发生物理改性和化学改性就更充分，从而促成强度更为有效的提高，这从图3试件断面的照片中也得到了印证。原土的断面照片红褐色，CL∶SP=7∶3的断面颜色逐渐泛黄褐色，CL∶SP=6∶4的断面中可以清楚看到泛青色。这也进一步说明在复合激发剂的激发作用下，S95矿粉发生了类似普通硅酸盐水泥加固土体的化学反应，与原土体颜色有明显差别，改变了原生土材料的性能。

(a)抗折强度 (b)抗压强度图6 复合激发剂掺量对过筛0.3 mm筛孔生土力学性能的影响

(a)抗折强度 (b)抗压强度图7 复合激发剂掺量对过筛0.5 mm筛孔生土力学性能的影响

表3 生土过筛粒径对改性生土力学性能的影响

2.4 掺入有机纤维对改性生土强度的影响

由表4—表6的数据可以看出，有机纤维的掺入对改性生土28 d抗压强度的影响不一致，有提高的也有降低的，但抗压强度的变化率不大；对改性生土28 d抗折强度影响较为明显，特别是土粒过筛粒径0.5 mm、复合激发剂掺量8%的试件(A33组)，其28 d抗折强度的变化率达到220.31%。

表4 有机纤维对过筛0.1 mm筛孔生土力学性能的影响

表5 有机纤维对过筛0.3 mm筛孔生土力学性能的影响

表6 有机纤维对过筛0.5 mm筛孔生土力学性能的影响

3 结语

(1)复合生土(生土+S95矿粉)掺入复合激发剂改性后(改性生土)，可以有效提高生土的强度。加入的复合激发剂有效激发了复合生土中矿粉的活性成分，能生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，从而改善生土的力学性能。

(2)随着复合激发剂掺量的增加，改性生土的28 d抗折强度和抗压强度均有提高，而且28 d的抗压强度提高幅度较为明显；当复合激发剂掺量在达到6%之前，随着掺量的增加抗压强度提高幅度较大；在复合激发剂掺量达到6%之后，随着掺量的增加，相较于掺量6%的复合生土，28 d抗折强度和抗压强度有较小提高或略有降低。复合激发剂掺量在6%时较为理想。

(3)改性生土中矿粉越多，土颗粒越细，则强度提高越明显。当S95矿粉增加时，生土的颗粒越细则生土和矿粉更能有效填充，在激发剂的作用下，更有利于发生物理改性和化学改性，从而有效地提高生土的强度。

(4)有机纤维能有效提高改性生土的28 d抗折强度，但对28 d抗压强度影响不大。