基于土聚水泥生土材料改性试验研究

刘志华，李园枫，杨久俊，陈　兵

(1.天津城建大学材料科学与工程学院，天津　300384；2.上海交通大学土木系，上海　200240)



基于土聚水泥生土材料改性试验研究

刘志华1，李园枫1，杨久俊1，陈兵2

(1.天津城建大学材料科学与工程学院，天津300384；2.上海交通大学土木系，上海200240)

生土材料是一种传统的古老的生态建筑材料，但由于强度低，耐水性差难以在现代建筑工程中发挥作用。本文提出了一种以偏高岭土作为主要原材料的土聚水泥用于生土材料改性，通过试验分别研究了碱性激发剂掺量、激发剂种类以及促硬剂对土聚水泥改性生土材料力学性能及耐水性影响。研究结果表明，采用浇筑成型的方式，土聚水泥改性生土材料，其28d抗压强度可达到18.0MPa，软化系数为0.90。土聚水泥非常适合用于生土材料改性。

生土材料； 土聚水泥； 抗压强度;耐水性

1　引　言

近年来，随着人们不断追逐生态，环保的理念，生土建筑由于其独特的技术特点，如较低的材料成本和能源消耗、优良的室内环境品质(可以有效地缓解室内温度和湿度波动，吸收噪声)、可循环利用性以及独特的美感而重新获得了世人的关注与认可。构建生土建筑诸多优点是基于其采用的生土材料，这是一种最为古老的建筑材料。然而，由于生土材料自身的一些不足，如水稳定性较差，强度较低等，难以在现代建筑中找到应用空间。针对这一困境，国内外学者开展了大量针对生土材料的改性研究，提出并开发了各类生土材料改性固化剂[1-3]。这其中包括以水泥、石灰、粉煤灰等作为主要成分的无机加固剂，也含有以离子交换作为机理的液态固化剂及有机固化剂等，极大地提升生土材料在新农村建设中的应用[4-6]。

土聚水泥作为一种不同于硅酸盐水泥的化学激发胶凝材料，其生产能耗低，几乎无污染，且不消耗石灰石资源，是一种环保型“绿色建筑材料”[7,8]。与普通硅酸盐水泥相比，土聚水泥具有有机高聚物的键接结构，通过硅氧四面体和铝氧四面体聚合形成的网络空间结构，具有更优异的粘结性能，且早期强度高。与已有的生土改性固化剂相比，土聚水泥不仅环保，节能且与生土材料具有更好的相容性，更能发挥其聚合作用。然而，目前还未见有将土聚水泥用于生土材料改性的研究报道。针对传统的生土墙体以夯实方式成型，需要消耗大量的能源，本文拟以浇筑成型方式制备生土改性材料，通过试验探讨以偏高岭土作为主要原材料的土聚水泥对生土材料进行改性，测试改性生土材料不同龄期的无侧限抗压强度和水稳定性，以期为生土材料的改性提供新的技术思路。

2　试　验

2.1试验用原材料

试验用的生土取自甘肃兰州黄土，其物理性能指标见表1所示，化学成分见表2。试验用水采用普通自来水，主要用于改性剂与调节生土的稠度。

表1　生土的物理性质

表2　黄土与偏高岭土的化学组成

选用陶瓷工业用的苏州高岭土，其具体化学成分见表2所示。试验时将一定细度的高岭土放入高温炉中，经800 ℃高温煅烧2h制得偏高岭土，用于试验。

试验用的水玻璃原液模数为3.3，波美度Be为40，密度ρ=1.38g/cm3，可分别通过添加KOH和NaOH的化学试剂制备成模数为2.0的碱性激发剂用于试验。试验中Na2SiF6为中国医药集团上海化学试剂公司生产化学试剂。

选用聚羧酸高效减水剂，用于调整泥浆的流动度，其掺量为粉体材料质量0.5%～1.0%。

2.2试验设计与样品制备

图1　流动度测试Fig.1　Testing of fluidity

本研究主要以偏高岭土作为原材料在碱性激发剂作用下形成土聚水泥用于生土材料改性，分别考察了碱性激发剂掺量、类别、促硬剂和养护温度对生土改性材料力学性能影响。配比设计中 ，黄土与土聚水泥比固定为75∶25；土聚水泥由偏高岭土与碱性激发剂按不同比例配制而成；水固比固定为0.20(包含碱性激发剂中含水量)。

样品制备过程：先将偏高岭土和碱性激发剂加入到水泥砂浆搅拌机中低速搅拌1.5min，然后将黄土加入搅拌1min；然后将掺有减水剂的拌合水加入并快速搅拌直至形成流态泥浆，在搅拌过程中，通过调整减水剂掺量，确保泥浆流动度为220～240mm之间，如图1所示。将流态泥浆浇筑到70.7cm×70.7cm×70.7cm试模中并进行振捣密实成型，1d后拆模，室温下养护至规定龄期进行性能测试。

3　结果与讨论

3.1激发剂掺量影响

碱性激发剂由氢氧化钠试剂与水玻璃原液按模数为2配制而成，通过调整减水剂用量控制各组试样流动度在180～200cm之间，制备试样，在常温下养护，分别测试3d，7d和28d抗压强度并对于养护28d试样进行了耐水性测试。具体的配比和测试结果如表3所示。

表3　不同碱性激发剂掺量配比及性能测试结果

从表3中不同龄期抗压强度测试结果看，土聚水泥对生土材料改性效果明显，即使是通过浇筑成型的方式，其3d抗压强度也达到7.0MPa以上，而28d抗压强度最高可达18.0MPa。以往的生土材料改性研究[2,5,6,9]，其28d抗压强度一般在5MPa以内，而在本研究中，采用土聚水泥进行改性，其3d抗压强度就已经达到7.0MPa，28d则高达18.0MPa，展现出了与生土材料良好的相容性。通过对其软化系数测试，采用生土材料进行改性的试样，浸泡24h后，完整无损，且抗压强度降低不显著，软化系数达到0.80以上，远强于其它改性材料，非常适合生土材料改性。

图2　激发剂掺量对不同龄期改性试样抗压强度影响Fig.2　Effect of activator on compressive strength

图2给出了在保持土聚水泥质量一定条件下，激发剂掺量对生土不同龄期抗压强度影响。从图中可以看出，在保持黄土用量不变时，在一定范围内，随着碱性激发剂掺量的增加，即碱性激发剂与偏高岭土比增大，改性生土材料的抗压强度也逐渐增大，当激发剂与偏高岭土比为3∶4时，其抗压强度达到最大；当碱性激发剂掺量继续增大时，改性生土材料抗压强度出现下降。这表明，过量的碱性激发剂对土聚水泥改性生土材料带来负面的效果，考虑到激发剂的价格要高于偏高岭土，因此，在实际工程中建议碱性激发剂与偏高岭土质量比控制为1∶2。

3.2激发剂种类影响

选用碱性激发剂与偏高岭土比为1∶2，参照3.1试验方法，通过改变碱性激发剂种类，用KOH代替NaOH与水玻璃原液按模数为2进行碱性激发剂配制，并制备试样，对比两种激发剂作用效果。试验结果如表4所示。

从表4中测试数据可见，对于早龄期3d和7d抗压强度来说，由KOH配制的碱性激发剂，其强度提高更显著，与NaOH配制的碱性激发剂相比分别提高了7.5%和9.0%。这种差异反应了阳离子对土壤聚合作用的差异，而产生的这种差异的原因，可能是由于离子半径或者碱性强弱引起的。而对比28d抗压强度，两者几乎相同。采用两种不同碱性激发剂的土聚水泥对生土材料耐水性没有显著影响，均展现出良好的耐水性，达到0.85以上，满足耐水材料性能指标。

表4　碱性激发剂类别对生土改性效果

3.3促硬剂的影响

选用A3组配比，分别掺入碱性激发剂质量的8%，10%和12%的Na2SiF6作为促硬剂，试验结果如表5所示。

表5　促硬剂对生土改性效果

从表5的数据可见，促硬剂Na2SiF6的加入，对不同龄期的抗压强度均有不同幅度的提高，且随着Na2SiF6的掺量的增大，其强度也提高。与不掺促硬剂相比，当Na2SiF6掺量为激发剂质量12%时，其28d抗压强度提高了近15%。更为重要的是，促硬剂加入，同时提高了改性生土材料的耐水性，其软化系数最高可达到0.90。但考虑到Na2SiF6具有较强的毒性，在实际工程应用中应适当考虑其用量，建议其掺量不易超高碱性激发剂的10%。

3.4扫描电镜分析

分别选取原状土，B1，B2和C4三种试样养护28d时取样进行扫描电镜观察，如图3所示。

图3　不同试样扫描电镜(a)原状土;(b)B1;(c)B2;(d)C4Fig.3　SEM images of different samples(a)saw soil;(b)B1;(c)B2;(d)C4

对比图中四组试样的扫描电镜：图3a为原状土，其内部结构比较松散，土颗粒之间没有相互粘结作用力，呈现生土材料原有的形貌；图3b和图3c分别是采用两种不同碱性激发剂制备的土聚水泥改性生土材料，从图片中可见，生土颗粒被大量絮状凝胶结构包裹，形成致密的结构体系，同时还发现了大量纤维状晶体结构，这可能是部分的生土颗粒参与了土聚水泥的反应。对比图3b和图3c,两种不同的碱性激发剂其微观结构比较接近，但NaOH激发剂呈现更多的纤维状结构，表明生土颗粒更多地参与了反应。图3d为掺入了Na2SiF6促硬剂，与图3b和图3c相比，其微观结构更加致密，絮状胶凝体更加饱满，而生土颗粒被包裹的更加紧密，表明偏高岭土在碱性激发剂和促硬剂双重作用下，反应更加充分，其改性效果更加显著。

4　结　论

通过以上的试验研究，可以得到如下的初步研究结论：

(1)利用偏高岭土配制的土聚水泥可有效对生土材料进行改性，掺加25%的土聚水泥改性后的生土材料，28d抗压强度可达18.0MPa，软化系数达到0.90，满足现代墙体材料性能需求；

(2)激发剂掺量对土聚水泥改性生土材料力学性能有较大影响。在一定范围内，随着激发剂掺量增大，改性生土材料抗压强度增大，当碱性激发剂与偏高岭土掺量比为3∶4时最佳。考虑到实际工程造价，建议其掺量比控制为1∶2；

(3)采用KOH和NaOH调整硅酸钠模数制备碱性激发剂，对于早期强度，KOH提高更显著，而28d抗压强度和耐水性无显著影响；

(4)采用促硬剂Na2SiF6能显著提高改性生土材料不同龄期抗压强度和耐水性，且随着促硬剂掺量提高，其改性效果提高。

[1] 郑寒英,杨长辉.生土墙体材料改性技术研究现状[J].混凝土与水泥制品,2011,(8): 53-56.

[2] 刘军,盛国东,刘宇.固化剂掺量对生土墙体材料性能的影响[J].沈阳建筑大学学报,2010,26(3):517-521.

[3] 李琴,孙可伟,徐彬,等.土壤固化剂固化机理研究进展及应用[J].材料导报, 2011,(9):64-67.

[4] 王立久,谭晓倩,汪振双.生土活化胶凝材料的制备及性能研究[J].新型建筑材料,2010,(10):83-86.

[5] 石坚,李敏,王毅红,等． 夯土建筑土料工程特性的试验研究[J]．四川建筑科学研究,2006,32(4): 86 -87.

[6] 刘军,袁大鹏,周红红,等．狗尾草对加筋土坯力学性能的影响[J]．沈阳建筑大学学报( 自然科学版), 2010,26(4):720-723.

[7] 张云升．地聚合物混凝土形成机理研究[D]．南京: 东南大学学位论文，2004.

[8] 史才军,巴维尔·克利文科，黛拉·罗伊． 碱-激发水泥和混凝土[M]．北京:化学工业出版社，2008．

[9] 郑寒英,刘家拥,朱柯,等.不同改性材料对生土墙体材料性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2014,(5):62-66.

ExperimentalResearchonPropertiesofRawSoilModifiedbyGeopolymericCement

LIU Zhi-hua1,LI Yuan-feng1,YANG Jiu-jun1,CHEN Bing2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinChenjianUniversity,Tianjin300384,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Soiliscertainlyoneofthemostancienteco-buildingmaterials.Thetraditionalraw-soilmaterialhasfatalflaws,suchaspoorcompressivestrengthandlowwaterresistance,whichrestricteditsapplicationinmodernconstruction.Thispaperprovidedageopolymericcement,whichconsistofMetakaolinandalkali-activator,tomodifyrawsoil.Effectofthecontentsofalkali-activator,kindsofalkali-activatorandhardening-acceleratingadmixturesonmechanicalpropertiesofrawsoilmodificationwereinvestigated.Thetestingresultsindicatedthatgeopolymericcementissuitableforrawsoilmodification.The28dcompressivestrengthoftherawsoilmodificationcanreach18.0MPaanditssoftcoefficientis0.90.

rawsoilmaterial;geopolymericcement;compressivestrength;waterresistance

国家科技支撑计划项目(2014BAL03B03)

刘志华(1977-)，男，博士，副教授.主要从事新型建筑材料方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)01-0073-05