不同成型工藝對生土材料力學性能和微觀結構的作用

隨著可持續發展和低碳經濟的深入人心,發展低能耗、低排放、低污染的建筑材料成為建材業發展的必然選擇,人們開始重新審視生土這一古老的建筑材料,認識它是一種節能、環保、綠色的建筑材料。生土材料除具有保溫、調濕、通風、防火等功能,更重要的是成本低、能耗低并
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摘要

  隨著可持續發展和低碳經濟的深入人心,發展低能耗、低排放、低污染的建筑材料成為建材業發展的必然選擇,人們開始重新審視“生土”這一古老的建筑材料,認識它是一種節能、環保、綠色的建筑材料。生土材料除具有保溫、調濕、通風、防火等功能,更重要的是成本低、能耗低并且能夠在其服役結束后重新回歸自然。但傳統生土材料強度低、易變形和耐水性差的先天性不足導致其在體積穩定性、抗震性和耐久性方面不盡如人意。

  生土材料改性就成為該領域科研工作者的研究熱點,通常利用水泥、石灰、工業固體廢棄物、有機物、纖維等材料改性生土材料的力學性能和耐久性。Matthew Hal的研究表明固結夯土材料的滲水性對水泥的摻入量比較敏感,由于水泥增加了拌合物中細顆粒的數量,降低了其內部氣孔的孔徑范圍,進而影響了固結土的滲水性[1].錢覺時利用電廠廢料脫硫石膏、粉煤灰材料等改性生土材料,改性后生土材料抗壓強度提高2~4倍,抗折強度超過1.0MPa,相比傳統生土材料提高1倍,干燥收縮顯著降低,耐水性和耐候性能有很大提升[2].劉軍在土樣中加入不同摻量的粉狀固化劑,組分為水泥、粉煤灰、葡萄糖等,隨著固化劑摻量的增加,生土墻體材料力學性能、水穩定性能、抗凍性能均明顯提高[3].粉煤灰和礦渣類礦物摻合料加入生土材料后,其活性組分在堿性條件下發生火山灰反應,生成類似于水泥水化產物的凝膠,提高生土的抗水性和抗化學侵蝕性[4].劉俊霞研究了磷酸對黃河泥沙石灰土的激活效果和作用機理,實驗表明,4wt%H3PO4活化的黃河泥沙,通過30MPa壓力壓制成型的石灰土,抗壓強度和軟化系數得到大幅改善[5].

  上述研究主要集中于討論改性材料種類和摻量對生土材料物理力學性能的影響,并未對生土材料成型工藝的影響進行系統探討。事實上,成型工藝直接影響土體顆粒的堆積性狀、粘結方式和孔隙結構乃至生土材料的力學性能、耐水性能和耐久性等。為了系統研究不同成型方式和工藝參數對生土材料力學性能和微觀結構的影響和作用機理,為生土材料的研究、應用和推廣利用提供理論基礎和數據支持,我們進行了以下實驗研究。

  1 實驗原料與方法。

  1.1 實驗原料。

  黃河泥沙:取自黃河下游的花園口,天然含水率44.8%,主要化學成分為SiO270.9%,Al2O39.1%,CaO 6.1%,Fe2O33.0%,燒失量5.4%;活化泥沙是NaHSO4活化處理之后的黃河泥沙;水泥:開封孟電水泥有限公司生產,標號為P.O 42.5,其28d抗折和抗壓強度分別為8.8MPa和53.4MPa;生石灰:市售,有效CaO含量大于70%;粉煤灰:活性指數為0.78;試驗用砂為ISO標準砂。

  1.2 實驗方法。

  振動成型工藝:以活化黃河泥沙為主要原料,摻加適量無機膠凝材料制備生土砌塊。先將粉煤灰、石灰和標準砂放入攪拌機攪拌3min,然后加入適量水再攪拌2min,最后加入水泥和活化泥沙充分攪拌。件尺寸為240mm×115mm×53mm,脫模后置于標準養護箱內養護至檢測齡期,依據GB/T5101-2003測試強度。

  壓制成型工藝:根據JTJ 057-94《公路工程無機結合料穩定料試驗規程》,按照不同配比于水泥膠砂攪拌機中攪拌2min,加水至成型最佳含水狀態(8%~10%),再拌合5min備用;按預定的壓密實度稱量的混合料裝入Ф36mm×36 mm的試模中,置于液壓式萬能試驗機上,以20、30、40和50MPa的成型壓力成型試件;將試件置于標準養護箱內養護,溫度控制在(20±1)℃,濕度在90%以上,養護至檢測齡期。

  1.3 生土材料微觀結構和組成分析。

  采用日本理學JSM-6700F型掃描電子顯微鏡進行SEM和EDS分析。

  2 實驗結果與分析。

  2.1 成型壓力對壓制成型生土材料性能的影響。

  按照表1的配比,采用表2中的成型壓力成型試塊,試件含水率9%~11%,以適宜成型為宜,分別測試試件的3d、7d和28d抗壓強度和28d的軟化系數。

  表2結果表明,隨著成型壓力的上升,抗壓強度和軟化系數基本呈上升趨勢,但軟化系數仍不能滿足生土材料作為建筑材料的要求(不小于0.70)。試件中整體含水量只有9%,水分進入體系后,除砂外其余各組分均有吸水性能,很顯然,體系中水分不足以滿足各組分水化、熟化和活化的需求。隨著拌合料在壓力作用下密實成型,生土材料孔隙率急劇下降,不利于環境中水蒸氣的滲入,水泥水化、石灰熟化和粉煤灰活化過程受阻,顆粒之間沒能建立完整的化學膠結作用,力學性能過分依賴外界的壓實能量。試件浸泡過程中受到一定的液態水壓力,水在孔隙毛細壓力的作用下滲入生土材料。首先發生殘留生石灰的熟化反應,產生的體積膨脹引起結構孔隙率的提高,然后會有更多的水滲入體系內部,最終導致黃河泥沙吸附過多的水分,而未形成良好的膠結狀態,導致生土材料在軸向壓力的作用下,泥沙顆粒發生滑移引起結構破壞,從而降低了軟化系數。

  2.2 水固比對振動成型生土材料性能的影響。

  由表3結果可以看出,抗壓強度隨著水固比的降低而升高,這與普通混凝土抗壓強度與水灰比的研究結果相一致。生土材料的軟化系數也隨著水固比的降低而增加,說明影響軟化系數的主導因素是試件的孔結構:孔隙率和孔徑分布。隨著摻入水量的增加,活化黃河泥沙在拌合階段吸附大量的水分,無機膠凝材料在水化硬化階段,能夠搶奪周圍泥沙中的水分生成水化產物包裹于泥沙顆粒表面,起到固結強化的作用。隨著生土材料的硬化和干燥,在原來失水位置上也會形成孔隙,黃河泥沙吸附水分愈多,所形成孔隙也愈多,形成有害孔的幾率也就增大。

  在生土材料浸水過程中,水分在靜水壓力的作用下進入材料內部。孔隙率較低或有害孔較少的試件在受壓時,泥沙與包裹于其表面的水化產物共同滑移時阻力較大,強度較高;相反,泥沙顆粒過多吸水后發生滑移的阻力小,強度和軟化系數相應降低。但水固比過低會引起成型困難或使用過多的減水劑,抗壓強度和軟化系數的增幅也不明顯。

  2.3 成型工藝對生土材料微觀結構的影響。

  由圖1(a)壓制試件的微觀形貌能夠看出,體系中各級配顆粒結合緊密,細顆粒表面有大量板狀Ca(OH)2晶體,圖中指定區域的EDS分析結果顯示,主要成分是CaCO3,是Ca(OH)2或CaO在空氣中碳化的產物。與圖1(a)相比,振動成型試件的微觀結構(圖1,b)中有大量的絮狀C-S-H并包裹于泥沙顆粒的周圍,板狀Ca(OH)2相對較少,并可見針狀鈣礬石的存在,說明無機膠凝材料得到充分的水化,粉煤灰中活性組分也與Ca(OH)2反應生成C-S-H或AFt,起到固結黃河泥沙的作用。振動成型試件的孔隙明顯比壓制試件的孔隙多,其顆粒之間的粘結方式以水化物膠結為主,而壓制試件中顆粒的粘結方式則以機械壓實為主,所以壓制試件的軟化系數較低,水穩性較差。

  3 結論。

  (1)壓制成型試件的抗壓強度和軟化系數與成型壓力基本成線性關系,軟化系數最高為0.68;振動成型試件相應性能隨著水固比的減小而增大,軟化系數可達到0.75;(2)微觀分析顯示,壓制成型試件結構緊密,顆粒間有大量板狀Ca(OH)2晶體,說明顆粒之間主要依賴物理作用粘結;振動成型試件的微觀結構中有大量的絮狀無機水化產物包裹于泥沙顆粒的周圍,并可見針狀鈣礬石,說明粉煤灰中活性組分也與Ca(OH)2反應生成C-S-H或AFt,起到固結黃河泥沙的作用,因此生土材料的水穩性得到改善。

  參考文獻

  [1] Hall M,Allinson D.Assessing the effects of soil grading on themoisture content- dependent thermal conductivity of stabilisedrammed earth materials[J].Appl Therm Eng,2009,29:740~747

  [2] 錢覺時,王 琴,賈興文等。燃煤電廠脫硫廢棄物用于改性生土材料的研究[J].新型建筑材料,2009,2:28~31

  [3] 劉 軍,盛國東,劉 宇。固化劑摻量對生土墻體材料性能的影響[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2010,26(3):517~521

  [4] 劉俊霞,張 磊,楊久俊等。 磷酸對黃河泥沙石灰土的激活效果與作用機理[J]. 建筑材料學報,2013,16(5):898-902

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