水玻璃改性生土试块性能及机理研究

刘志华　马军涛天津城建大学材料科学与工程学院（300384）华北水利水电大学土木与交通学院（450045）



水玻璃改性生土试块性能及机理研究

刘志华1马军涛2
1天津城建大学材料科学与工程学院（300384）2华北水利水电大学土木与交通学院（450045）

摘要：本试验使用水玻璃与水泥熟料复掺对生土材料进行改性试验，研究其对生土试块强度的影响规律和改性机理。试验结果表明，生土试块中的水玻璃和水泥在水化过程中生成的凝胶，可改善土体的稳定性，增强土体内部结构黏结和抗变形能力，从而提高土体的强度。

关键词：生土材料；强度；水玻璃；改性机理

1　研究背景

生土墙体材料是一种传统的建筑材料，但由于强度原因在近年来越来越多被取代。但鉴于资源与环境的双重压力，生土材料以及生土改性材料仍为目前国内外研究的热点之一［1］，将生土材料通过改性作为生态建材，需通过物理和化学改性技术加以实现。水玻璃是碱激发工业废渣胶凝材料中的一种重要原料，而碱激发工业废渣胶凝材料被认为是一种具有极大开发价值和应用前景的环境友好型胶凝材料［2］。以水玻璃为主剂的硅化法在我国西北地区处理黄土湿陷施工中被广泛应用。硅化法就是利用注浆设备或无压自渗方式将水玻璃为主剂的溶液灌注、渗透到岩土体中，进行地基加固的化学注浆技术［3］。

本试验使用水玻璃对生土材料进行改性，同时研究了水玻璃与水泥复掺时生土材料的性能，并通过微观手段对其机理进行分析。

2　试验过程

试验用水玻璃原液模数为3，呈淡黄色液体状。表1列出了试验样品的混合物组成，表2列出了试验样品的混合物组成，将混合物搅拌与生土按照0.24的水胶比搅拌均匀，将拌合料装入40 mm×40 mm×40 mm的模具内振捣成型。试块成型后，用保鲜膜包好，24 h后拆模，然后将试样放在自然条件下（温度20±3℃，湿度约为50％）养护7 d后进行抗压强度测试。

表1　水玻璃掺量及生土试块的力学性能

水玻璃出厂贮存后逐渐出现老化现象，一般大致损失30％～35％的黏结强度，限制了水玻璃的应用，缩短了水玻璃使用时间。单用水泥改性生土也有缺点，所以试验考虑使用水泥熟料和水玻璃复掺对生土材料进行改性。表2列出了试验样品的混合物组成，按照上述同样方法成型、养护并测试。

表2　水玻璃、水泥复掺配合比及生土试块的力学性能

3　试验结果及分析

单掺水玻璃生土试块7 d抗压强度曲线如图1。由图1所示可以看出，掺入水玻璃可以提高生土试块的抗压强度，但是随着水玻璃掺量的增加，其抗压强度会降低。这是因为水玻璃掺入土料中会发生如下反应过程：水玻璃中的碱性离子和水溶液中的氢离子之间进行离子交换，由于过剩羟基离子的产生而使溶液呈碱性；水玻璃在空气中反应形成无定型硅酸，逐渐干燥硬化，固化膜表面覆盖有硅氧醇基保护层。此外，水玻璃溶液会与土中的碱土金属易溶盐如CaCl2、MgCl2发生化学反应，生成水合硅酸钙（镁）凝胶。生成的凝胶有堵塞毛细孔隙而防止水渗透的作用，凝胶薄膜包覆在土颗粒表面，将土颗粒黏结在一起，增强了土颗粒间的连接力，改善制品强度。但是当水玻璃掺量过多时，硅酸凝胶对制品内部孔隙形成的应力，反而会引起制品强度的降低，所以水玻璃掺量为20％的制品7 d抗压强度相对降低。

图1　试块抗压强度与水玻璃掺量的关系

水玻璃与水泥复掺生土试块7 d抗压强度曲线如图2。根据测试结果可以看出，复掺水泥和水玻璃后生土试件抗压强度均有一定的提高。对比C1和C2、C2和C3均可以发现在掺量适当的情况下提高某一成分的掺量均会增加其强度。对比B3和C3或者B2和C2均可发现，复掺情况下的增强效果要大于单掺的效果。

图2　试块抗压强度与水泥熟料水玻璃掺量的关系

这是因为利用外掺法将两者同时加入生土材料中，水泥熟料、水玻璃间与土体间产生一系列的物理、化学反应：

1）水泥熟料和水玻璃的化学反应

水泥的水解产物为氢氧化钙，水玻璃与氢氧化钙产生化学反应形成一定强度的凝胶体—水化硅酸钙（Ca（OH）2+ NaO·nSiO2+ mH2O = Ca·nSiO2· mH2O + NaOH）。

图3　C2试块的超景深图片

2）水泥熟料的水化反应

该反应形成一定强度的凝胶体—水化硅酸钙。所形成的凝胶体把黏土颗粒、水泥、水玻璃等牢牢地凝固在一起，土体被加固并板结变硬，提高了生土的强度（如图3）。由上述反应看出，水泥水化及其与水玻璃反应后所得产物大致相同，但水玻璃与水泥的反应速度比水泥水化反应要快，因此水泥熟料—水玻璃复掺凝胶时间较短，相对增强效果要比单掺效果好。

4　结论

通过单掺水玻璃与复掺水泥、水玻璃分别对生土材料进行改性，分析其强度增减规律，得到结论如下：

掺水玻璃的生土基试块抗压强度随着掺量的升高而升高，但是其掺量应控制在合适范围内，过多反而会降低生土基试块抗压强度的增强效果。

水泥熟料和水玻璃等无机胶凝材料抗压强度的增强机理都是在固结生土的过程中发生水化反应，生成不同的水化凝胶，凝胶的干燥硬化可以增强土体内部结构黏结和抗变形能力，从而提高土体的强度。

水泥与水玻璃复合掺加时效果优于单掺水玻璃对生土材料的改性效果。

参考文献：

［1］金蕾.云南传统民居墙体营造意匠［D］.昆明：昆明理工大学，2004.

［2］Roy Della M. Alkali- activated cements：Opportunitiesand challenges［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（2）：249- 254.

［3］吴昊.水泥-水玻璃双液注浆在砂质粉土地基处理上的应用［J］.中国水利，2013（22）.