不同成型工艺对生土材料力学性能和微观结构的作用

随着可持续发展和低碳经济的深入人心,发展低能耗、低排放、低污染的建筑材料成为建材业发展的必然选择,人们开始重新审视生土这一古老的建筑材料,认识它是一种节能、环保、绿色的建筑材料。生土材料除具有保温、调湿、通风、防火等功能,更重要的是成本低、能耗低并
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摘要

  随着可持续发展和低碳经济的深入人心,发展低能耗、低排放、低污染的建筑材料成为建材业发展的必然选择,人们开始重新审视“生土”这一古老的建筑材料,认识它是一种节能、环保、绿色的建筑材料。生土材料除具有保温、调湿、通风、防火等功能,更重要的是成本低、能耗低并且能够在其服役结束后重新回归自然。但传统生土材料强度低、易变形和耐水性差的先天性不足导致其在体积稳定性、抗震性和耐久性方面不尽如人意。

  生土材料改性就成为该领域科研工作者的研究热点,通常利用水泥、石灰、工业固体废弃物、有机物、纤维等材料改性生土材料的力学性能和耐久性。Matthew Hal的研究表明固结夯土材料的渗水性对水泥的掺入量比较敏感,由于水泥增加了拌合物中细颗粒的数量,降低了其内部气孔的孔径范围,进而影响了固结土的渗水性[1].钱觉时利用电厂废料脱硫石膏、粉煤灰材料等改性生土材料,改性后生土材料抗压强度提高2~4倍,抗折强度超过1.0MPa,相比传统生土材料提高1倍,干燥收缩显着降低,耐水性和耐候性能有很大提升[2].刘军在土样中加入不同掺量的粉状固化剂,组分为水泥、粉煤灰、葡萄糖等,随着固化剂掺量的增加,生土墙体材料力学性能、水稳定性能、抗冻性能均明显提高[3].粉煤灰和矿渣类矿物掺合料加入生土材料后,其活性组分在碱性条件下发生火山灰反应,生成类似于水泥水化产物的凝胶,提高生土的抗水性和抗化学侵蚀性[4].刘俊霞研究了磷酸对黄河泥沙石灰土的激活效果和作用机理,实验表明,4wt%H3PO4活化的黄河泥沙,通过30MPa压力压制成型的石灰土,抗压强度和软化系数得到大幅改善[5].

  上述研究主要集中于讨论改性材料种类和掺量对生土材料物理力学性能的影响,并未对生土材料成型工艺的影响进行系统探讨。事实上,成型工艺直接影响土体颗粒的堆积性状、粘结方式和孔隙结构乃至生土材料的力学性能、耐水性能和耐久性等。为了系统研究不同成型方式和工艺参数对生土材料力学性能和微观结构的影响和作用机理,为生土材料的研究、应用和推广利用提供理论基础和数据支持,我们进行了以下实验研究。

  1 实验原料与方法。

  1.1 实验原料。

  黄河泥沙:取自黄河下游的花园口,天然含水率44.8%,主要化学成分为SiO270.9%,Al2O39.1%,CaO 6.1%,Fe2O33.0%,烧失量5.4%;活化泥沙是NaHSO4活化处理之后的黄河泥沙;水泥:开封孟电水泥有限公司生产,标号为P.O 42.5,其28d抗折和抗压强度分别为8.8MPa和53.4MPa;生石灰:市售,有效CaO含量大于70%;粉煤灰:活性指数为0.78;试验用砂为ISO标准砂。

  1.2 实验方法。

  振动成型工艺:以活化黄河泥沙为主要原料,掺加适量无机胶凝材料制备生土砌块。先将粉煤灰、石灰和标准砂放入搅拌机搅拌3min,然后加入适量水再搅拌2min,最后加入水泥和活化泥沙充分搅拌。件尺寸为240mm×115mm×53mm,脱模后置于标准养护箱内养护至检测龄期,依据GB/T5101-2003测试强度。

  压制成型工艺:根据JTJ 057-94《公路工程无机结合料稳定料试验规程》,按照不同配比于水泥胶砂搅拌机中搅拌2min,加水至成型最佳含水状态(8%~10%),再拌合5min备用;按预定的压密实度称量的混合料装入Ф36mm×36 mm的试模中,置于液压式万能试验机上,以20、30、40和50MPa的成型压力成型试件;将试件置于标准养护箱内养护,温度控制在(20±1)℃,湿度在90%以上,养护至检测龄期。

  1.3 生土材料微观结构和组成分析。

  采用日本理学JSM-6700F型扫描电子显微镜进行SEM和EDS分析。

  2 实验结果与分析。

  2.1 成型压力对压制成型生土材料性能的影响。

  按照表1的配比,采用表2中的成型压力成型试块,试件含水率9%~11%,以适宜成型为宜,分别测试试件的3d、7d和28d抗压强度和28d的软化系数。

  表2结果表明,随着成型压力的上升,抗压强度和软化系数基本呈上升趋势,但软化系数仍不能满足生土材料作为建筑材料的要求(不小于0.70)。试件中整体含水量只有9%,水分进入体系后,除砂外其余各组分均有吸水性能,很显然,体系中水分不足以满足各组分水化、熟化和活化的需求。随着拌合料在压力作用下密实成型,生土材料孔隙率急剧下降,不利于环境中水蒸气的渗入,水泥水化、石灰熟化和粉煤灰活化过程受阻,颗粒之间没能建立完整的化学胶结作用,力学性能过分依赖外界的压实能量。试件浸泡过程中受到一定的液态水压力,水在孔隙毛细压力的作用下渗入生土材料。首先发生残留生石灰的熟化反应,产生的体积膨胀引起结构孔隙率的提高,然后会有更多的水渗入体系内部,最终导致黄河泥沙吸附过多的水分,而未形成良好的胶结状态,导致生土材料在轴向压力的作用下,泥沙颗粒发生滑移引起结构破坏,从而降低了软化系数。

  2.2 水固比对振动成型生土材料性能的影响。

  由表3结果可以看出,抗压强度随着水固比的降低而升高,这与普通混凝土抗压强度与水灰比的研究结果相一致。生土材料的软化系数也随着水固比的降低而增加,说明影响软化系数的主导因素是试件的孔结构:孔隙率和孔径分布。随着掺入水量的增加,活化黄河泥沙在拌合阶段吸附大量的水分,无机胶凝材料在水化硬化阶段,能够抢夺周围泥沙中的水分生成水化产物包裹于泥沙颗粒表面,起到固结强化的作用。随着生土材料的硬化和干燥,在原来失水位置上也会形成孔隙,黄河泥沙吸附水分愈多,所形成孔隙也愈多,形成有害孔的几率也就增大。

  在生土材料浸水过程中,水分在静水压力的作用下进入材料内部。孔隙率较低或有害孔较少的试件在受压时,泥沙与包裹于其表面的水化产物共同滑移时阻力较大,强度较高;相反,泥沙颗粒过多吸水后发生滑移的阻力小,强度和软化系数相应降低。但水固比过低会引起成型困难或使用过多的减水剂,抗压强度和软化系数的增幅也不明显。

  2.3 成型工艺对生土材料微观结构的影响。

  由图1(a)压制试件的微观形貌能够看出,体系中各级配颗粒结合紧密,细颗粒表面有大量板状Ca(OH)2晶体,图中指定区域的EDS分析结果显示,主要成分是CaCO3,是Ca(OH)2或CaO在空气中碳化的产物。与图1(a)相比,振动成型试件的微观结构(图1,b)中有大量的絮状C-S-H并包裹于泥沙颗粒的周围,板状Ca(OH)2相对较少,并可见针状钙矾石的存在,说明无机胶凝材料得到充分的水化,粉煤灰中活性组分也与Ca(OH)2反应生成C-S-H或AFt,起到固结黄河泥沙的作用。振动成型试件的孔隙明显比压制试件的孔隙多,其颗粒之间的粘结方式以水化物胶结为主,而压制试件中颗粒的粘结方式则以机械压实为主,所以压制试件的软化系数较低,水稳性较差。

  3 结论。

  (1)压制成型试件的抗压强度和软化系数与成型压力基本成线性关系,软化系数最高为0.68;振动成型试件相应性能随着水固比的减小而增大,软化系数可达到0.75;(2)微观分析显示,压制成型试件结构紧密,颗粒间有大量板状Ca(OH)2晶体,说明颗粒之间主要依赖物理作用粘结;振动成型试件的微观结构中有大量的絮状无机水化产物包裹于泥沙颗粒的周围,并可见针状钙矾石,说明粉煤灰中活性组分也与Ca(OH)2反应生成C-S-H或AFt,起到固结黄河泥沙的作用,因此生土材料的水稳性得到改善。

  参考文献

  [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] 钱觉时,王 琴,贾兴文等。燃煤电厂脱硫废弃物用于改性生土材料的研究[J].新型建筑材料,2009,2:28~31

  [3] 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(自然科学版),2010,26(3):517~521

  [4] 刘俊霞,张 磊,杨久俊等。 磷酸对黄河泥沙石灰土的激活效果与作用机理[J]. 建筑材料学报,2013,16(5):898-902

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