胶凝材料对盐渍土改性材料力学、耐久性能的影响

刘志华 李鹏 曲烈 李园枫 王超 张文研 康茹茹

1天津城建大学材料科学与工程学院（300384） 2河南省散装水泥办公室（450000）

胶凝材料对盐渍土改性材料力学、耐久性能的影响

刘志华1李鹏2曲烈1李园枫1王超1张文研1康茹茹1

1天津城建大学材料科学与工程学院（300384） 2河南省散装水泥办公室（450000）

拟在前人研究的基础上，研究了胶凝材料对盐渍土改性材料性能的影响，并通过微观分析手段，研究其作用机理，以达到提升生土材料性能的目的，为我国新农村建设的发展作出贡献。

盐渍土改性；力学性能；耐久性能；改性机理

0 引言

在农村传统建筑中,生土材料具有悠久的历史，我国至今尚有1亿人口居住在生土建筑中。生土材料具有就地取材、易于施工、造价低廉、冬暖夏凉、节省能源、有利于环境保护和生态平衡等优点。我国盐渍土分布范围较广的生土，总面积约为99万平方公里，而生土墙体受到风雨侵蚀后很容易造成墙体开裂，墙根碱蚀，因此，加强对盐渍土改性的研究对我国新农村建设具有深远意义。

陈渊召[2]研究发现，利用石灰、水泥改性盐渍土，可提高盐渍土黏聚力；复掺水泥后，盐渍土材料的冻融循环强度损失率下降了12%，改善了其抗冻性。贾那·托留汗[3]研究发现，加固盐渍土时石灰对盐渍土的改性效果优于等量的水泥，且石灰改性盐渍土时无侧限抗压强度、抗冻性随时间增长而增强。骆昊舒[4研究发现，石灰与水泥复掺固化盐渍土时，无侧限抗压强度、抗冻性优于水泥单掺固化盐渍土。

韩亚兵[5]研究发现，使用石灰、粉煤灰复掺改性渤海盐渍土，粉煤灰掺量增加时盐渍土材料的无侧限抗压强度增加。刘成斌[6]将矿渣、菱苦土、建筑石膏、生石灰进行复配，制备了一种矿渣复合固化剂，并对盐渍土进行了改性研究。刘成斌研究发现，与水泥土相比，矿渣复合固化剂能够良好地吸收Cl-和SO4-，进而提高其水稳性和抗海水侵蚀能力。林清华[7]在工程试验中利用熟石灰、盐渍土、石子配置三合土作为建筑地基，并研究了其抗压强度。林清华研究发现，石灰与盐渍土的体积比为2∶7时，抗压强度最高。潘阳[8]等人利用自制的不含钙元素固化剂固化盐渍土，试验发现自制固化剂反应时可吸收盐渍土中的氯离子，从而提高固化土的水稳定性。

杨久俊[9]等利用氢氧化钠-水玻璃复合碱溶液激活盐渍土制备土质胶凝材料，28 d抗压强度可达8.8 MPa。何成寿[10]利用碱激活剂和粉煤灰改性盐渍土时，粉煤灰掺量对其抗压强度、抗水性影响较大。当粉煤灰掺量由20%增加至40%时，试样的抗压强度增加近1倍，软化系数增加至0.79。杨磊磊[11]等利用水玻璃、氢氟酸、磷酸等激发剂激活滨海盐渍土，配合水泥、石灰制备土质混凝土，掺加4%磷酸的盐渍土生成了大量的胶凝物质，提高了其抗压强度和软化系数。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原料

所用盐渍土取自天津滨海新区临海路旁的表层土壤。取土深度1～16 cm。用X射线荧光光谱仪对盐渍土进行化学成分分析测试，其结果如表1所示。

利用激光粒度仪对其粒度分布进行测试，测得盐渍土平均粒径为0.9 μm，且全部小于1.3 μm。按照粒径分类，盐渍土属于黏质土。利用X射线衍射仪对其矿物成分进行分析,其结果如图1所示，盐渍土矿物成分是石英、钠长石、白云母、方解石等。

图1 盐渍土的XRD曲线

其他原料：所用水泥为天津振兴水泥厂生产的标号为42.5强度等级的普通硅酸盐水泥；石灰为天津江天统一科技公司生产,化学纯氧化钙，CaO含量达98%；减水剂为天津市雍阳减水剂厂生产，高效聚羧酸减水剂；试验用水为自来水。

表1 盐渍土化学组成（%）

1.2 试验方法

拌合物工作性的测定：试验中测定了生土改性材料拌合物的稠度，试验方法参照《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ-T70-2109）。

收缩率的测定：先将试件置于空气中养护28 d,测定试块的初始长度为L0，常温养护24 h后再将试块置于80℃环境下干热养护24 h，测其长度L1。收缩率S=(L0-L1)×100%/L0

吸水率的测定：在吸水率试验中，先测定自然养护至28 d试件的干质量M0，再将其放入水中浸泡，水面高于试块表面20 mm，1 d后后测量试件的质量M1，并通过计算得出吸水率。吸水率R=（M1－M0）×100%/M0

软化系数的测定：软化系数K是以试件养护28 d，然后在水中浸泡1 d的抗压强度与养护28 d的抗压强度之比计算的。第一组放置于空气中养护28 d后直接测量其抗压强度I0；第二组放置于空气中养护28 d后,浸泡于水中,水面比试件高出20 mm。浸泡1 d后取出水中的试件，用干软布轻轻擦去试件表面的水分，立即测定其抗压强度I1。其软化系数K=I1/I0

冻融循环强度损失率的测试：试件养护28 d后,将其放置于水中浸泡,水面比试件高出20 mm，浸泡1 d后取出试块，用干软布轻轻擦去试件表面的水分,再将其放入-16℃的冰箱内冻2 h，取出后放在25℃的恒温恒湿箱中2 h,此为一个循环。经过10次冻融循环后测其抗压强度,并计算强度损失率。

2 结果与讨论

2.1 水泥掺量对改性材料力学性能的影响

图2为石灰掺量为8%、水固比为0.28的情况下，不同水泥掺量（8%、10%、15%）下盐渍土改性材料的抗压强度变化情况。当水泥掺量由8%增加至10%时，改性材料抗压强度由6.7 MPa提高到8.2 MPa，提高了22.4%；当水泥掺量由10%增加至15%时，改性材料的抗压强度由8.2 MPa提高到9.9 MPa，提高了20.7%。这可能是因为水泥浆体发生水化反应，水化产物CSH和CAH凝胶相互交织成网，使得材料抗压强度增加。水泥掺量由8%增加至10%时，改性材料抗压强度增长速率较大，这可能是因为水化产物不断增加，当水泥掺量为10%时水化产物形成连续网络，使得整个结构一体化。当掺量由10%增加至15%时，水化产物仅仅增加了网络密度，其抗压强度增长速率较小。

图2 水泥掺量对改性材料力学性能的影响

2.2 石灰掺量对改性材料力学性能的影响

图3为水泥掺量为10%、水固比为0.28情况下,不同石灰掺量（5%、8%、10%）下盐渍土改性材料的抗压强度变化情况。由图3可知，当石灰掺量由5%提高至8%时，改性材料的抗压强度由7.3 MPa提升至8.2 MPa，提高了11.0%。当掺量由8%提高至10%时，其抗压强度提高至8.5 MPa。这可能是因为一方面石灰的掺加提高了改性材料的碱度，提高了材料中胶凝物质的含量；另一方面石灰与土中的活性物质发生反应，反应产物起到胶结作用，从而改变了土体的整体结构，抗压强度增强。

图3 石灰掺量对改性材料力学性能的影响

2.3 复掺胶凝材料对改性材料力学性能的影响

图4为水泥和石灰总掺量为18%、水固比为0.28情况下，不同胶凝材料（水泥与石灰之比=10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）对改性材料的抗压强度变化情况。胶凝材料中水泥与石灰之比（10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）增加时，改性材料抗压强度不断提高。当水泥∶石灰为16∶2时，其抗压强度最高可达9.8 MPa。这是因为一方面，水泥水化后，产生的Ca2+和OH-在盐渍土中可以起到与石灰相同的离子交换作用、团粒化作用；另一方面，水泥生成的胶凝物质较多，在改性材料中可以起到填充孔隙、胶结盐渍土颗粒的作用，故水泥可形成水泥石骨架，对改性材料起到支撑作用。当水泥比例提高时，改性材料中的胶凝网络密度增加，其抗压强度相应增加。

图4 复摻胶凝材料对改性材料力学性能的影响

2.4 水泥掺量对改性材料耐久性能的影响

图5 水泥掺量对改性材料耐久性能的影响

图5为石灰掺量为8%、水固比为0.28的情况下，不同水泥掺量（8%、10%、15%）下盐渍土改性材料的软化系数、冻融循环强度损失率的变化情况。从图5可以看出，掺入水泥（8%、10%、15%）对改性材料的软化系数、冻融循环强度损失率有很大影响。水泥掺量为8%时，试块软化系数为0.46，冻融循环强度损失率为47.5%。当水泥掺量增加至15%时，改性材料的软化系数提升至0.73，冻融循环强度损失率下降至35.3%。这可能是因为随着水泥掺量的增多，水硬性的水化硅酸钙等产物增多，包裹改性材料中的可溶性物质，填充孔隙，软化系数上升，冻融循环强度损失率下降。

2.5 石灰掺量对改性材料耐久性能的影响

图6为水泥掺量为10%、水固比为0.28情况下,不同石灰掺量（5%、8%、10%）下盐渍土改性材料的软化系数、冻融循环强度损失率的变化情况。由图6可知，石灰掺量（5%、8%、10%）对改性材料的抗压软化系数、冻融循环强度损失率有明显的影响。当石灰掺量由5%提高至10%时，改性材料的软化系数由0.32提升至0.58，冻融循环强度损失率由47.3%下降至41.6%。这是因为石灰有膨胀挤密作用，且其与土中的活性物质发生反应，提高了试块的密实度。石灰还促进了盐渍土材料中水泥颗粒的水化硬化，使得更多的不溶于水的胶凝物质生成,故改性材料的软化系数得到提高，冻融循环强度损失率下降。

图6 石灰掺量对改性材料耐久性能的影响

2.6 复掺胶凝材料对改性材料耐久性能的影响

图7为水泥和石灰总掺量18%、水固比为0.28情况下，不同的胶凝材料（水泥∶石灰=10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）对盐渍土改性材料的软化系数、冻融循环强度损失率变化情况。由图7可知，胶凝材料中水泥与石灰之比（10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）增加时，改性材料软化系数不断提高，冻融循环强度损失率不断下降。这可能是因为水泥水化作用生成胶凝物质多为水化硅酸钙等水硬性产物，石灰水化产物为易溶的氢氧化钙。故当水泥比例提高时，软化系数由0.52增加至0.61，冻融循环强度损失率由42.9%减小至38.3%。

图7 复摻胶凝材料对改性材料耐久性能的影响

2.7 一般性讨论

陈雪峰[12]研究了在不同掺量、不同龄期下水泥改性盐渍土的内部结构，发现随着水泥掺量增加、养护龄期的增加，盐渍土改性材料内部的胶凝物质含量增加，材料整体性增强。肖利明[13]研究了利用石灰、粉煤灰、水泥改性盐渍土时，改性材料中有钙长石、方解石、坡缕镐石等矿物生成，同时增强了其黏聚力和内摩擦角。

本试验通过XRD分析发现，随着水泥掺量的增加，CSH、水化氯铝酸钙的衍射峰逐渐升高，这说明水泥掺量越多,改性材料中CSH凝胶和水化氯铝酸钙的含量越多。另外，石英的衍射峰略有下降，说明水化产物与土中SiO2反应的程度增加。随着石灰的掺量增加，CSH、水化氯铝酸钙的衍射峰不断升高，石英的衍射峰略有下降。这是因为在石灰的作用下，改性材料中的水泥颗粒加速水化，生成了更多的CSH，其次水泥水化产物与盐渍土中Cl-反应，生成了水化氯铝酸钙。石灰与盐渍土中的活性SiO2发生火山灰反应，同样生成了CSH凝胶，同时造成了石英含量的下降。

3 结论

改性材料的最佳配方为水固比0.28、盐渍土掺量100%、水泥掺量15%、石灰掺量8%，其抗压强度可达9.9 MPa，软化系数为0.73，冻融循环强度损失率为35.3%。

改性材料中，保持石灰掺量8%不变，水泥掺量由8%增加至15%时,其抗压强度由6.7 MPa增加至9.9 MPa，软化系数由0.46增加至0.73，冻融循环强度损失率由47.5%减少至35.3%。保持水泥掺量10%不变，石灰掺量在5%～10%范围内变化时，改性材料的抗压强度由7.3 MPa增加至8.5 MPa，软化系数由0.32上升至0.58，冻融循环强度损失率由47.3%下降至41.6%。保持水泥石灰的总掺量不变，提高水泥的比例，改性材料强度在水泥：石灰为16∶2时达到最大值9.8 MPa；软化系数由0.52增加至0.61，冻融循环强度损失率由42.9%减小至38.3%。

采用水泥、石灰复掺改性材料时，生成了水硬性的CSH凝胶和水化氯铝酸钙。且由于水泥、石灰水化产生的Ca(OH)2具有离子交换作用、火山灰反应作用，改善了盐渍土改性材料的内部结构，其收缩率、吸水率都得到改善。

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科研项目:国家科技支撑计划项目（20141BAL03B03）。