改性生土泥浆最优配合比的试验及分析

杨森，李志强，王国庆，鞠冠男

（石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子，832003）

我国生土建筑已经有7000多年的历史，生土建筑具有就地取材、技术简单、建造方便、物理性能良好、隔声性能好、对室内的温度以及湿度有很好的调节能力等优点，在我国西部的陕西、山西、甘肃、宁夏、新疆农村地区得到广泛应用。目前，对生土材料的研究偏向于生土试块力学性能和墙体抗震方面研究[1-8]，丁苏金等[1]研究了生土砌块用粘结材料物理力学性能的影响和粘结材料的改性方法，王毅红、周铁钢等[2-5]对西北的粘土进行了试块、改性砂浆、墙体抗震等较全面的研究，刘成奎、冯坚等[6]针对青海地区改性生土墙体材料进行了试验研究，茹克亚·阿不地热依木等[7]对新疆的南疆生土建筑黏性土体材料基本土力学性能进行研究，卜永红等[8]研究了承重夯土墙体在地震荷载作用下的破坏过程、破坏形态的研究。

由上述研究可知，生土材料的研究仍是广大学者关注的焦点之一，但大多数的研究都是在缺乏配套粘结材料的基础上进行的。而由《砌体结构设计规范》（GB50003-2011）可知，砌体结构的受拉、受弯、受剪性能主要是由粘结材料决定的，粘结材料对墙体结构稳定性、耐久性、抗震性能具有显著影响。加之我国地处地震活动多发区，生土建筑的抗震性能受到极大挑战。因此，本文在生土泥浆中复掺草筋、水泥、生石灰、糯米以改善其受力性能和耐久性，并通过正交试验探讨改性生土泥浆的受力特性和其最优配合比，为改性生土材料的相关研究提供参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

粘土采用新疆石河子150团的粘土；水泥采用新疆石河子开发区青松天业水泥有限公司生产的32.5R复合硅酸盐水泥；生石灰采用石河子一五一团振兴石灰厂；草筋采用长度≤50 mm的麦秸秆；糯米采用超市食用糯米；试验拌和水及养护水均采用自来水。

1.2 正交试验设计

试验主要研究草筋掺量（A）、水泥掺量（B）、生石灰掺量（C）和糯米（D）掺量4种因素对生土砌体的抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。为了减少试验的次数，所以设计四因素三水平L9（34）正交试验。根据本课题组的前期试验研究[9]，制定了正交因素试验水平表及试验方案，如表1、2所示。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level of test

表2 正交试验方案表L9（34）Tab.2 The scheme of orthogonal test

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

依据GB/T 4111-2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行试验，可得改性泥浆砌块的抗压强度和劈裂抗拉强度（表3）。

按照正交试验的分析方法，对表2和表3的试验结果进行处理，结果如表4所示。

由表4可以看出，28 d抗压强度的各因素影响顺序为：草筋A＞糯米D＞水泥B＞生石灰C；28 d劈裂强度的各因素影响顺序为：糯米D＞草筋A＞水泥B＞生石灰C。

表3 正交试验结果Tab.3 The results of orthogonal test

表4 正交试验极差分析Tab.4 The range analysis of orthogonal test

2.2 抗压强度因素指标分析

根据正交试验法，所考察的28 d抗压强度的指标由直观分析表可求出各因素在不同水平下的强度值，见图1。由图1可知：

（1）改性泥浆砌块的抗压强度随着草筋A掺量的增加而逐渐增加，当草筋A掺量由0%增加到0.25%时，28 d抗压强度增加至初始强度2倍（图1a）。

究其原因主要是：加入草筋起到了生土骨架作用，所以在改性泥浆中加入草筋可提高砌块抗压强度。

（2）当水泥掺量B由 15%增至 17.5%时，改性泥浆砌块28 d抗压强度逐渐减小，减少10.9%，说明在前期水泥掺量对生土固相物质的重组影响不大，对改性泥浆砌块的抗压强度增加不明显；而当B的掺量由17.5%增加到20%时，28 d抗压强度增加48.6%，但是整体呈上升趋势（图1b），此时水泥的掺量对改性泥浆砌块的抗压强度影响最显著。

究其原因主要是：生土中加入水泥能增加生土固相物质的重组，所以改性泥浆砌块的抗压强度随着水泥掺量B的增加而增加。

（3）改性泥浆砌块的抗压强度随着生石灰掺量C的增加而降低。由于生石灰掺量较少时，参与土粒反应的石灰量少，生成的胶结物少从而影响土体的整体性、稳定性和强度提高。石灰掺量从2.5%增加到5%时，改性泥浆砌块28 d抗压强度逐渐增大，增幅为9%；但是整体上呈下降趋势（图1c）。

究其原因是：由于生石灰整体掺量少，在做实验时可能出现拌和不均匀现象，使土的空隙变大对改性泥浆砌块的抗压强度提高不显著。

（4）随着糯米掺量C的增加，改性泥浆砌块28 d抗压强度逐渐增加，其强度增加到初始强度的22%；糯米掺量从5%增加到10%时，其28 d的强度逐渐减小，减幅为28%；整体上呈下降趋势（图1d）。

究其原因主要是：添加糯米汁后，土粒间的粘性更多，土粒呈粘团状，很难被击实，从而使砌块内部产生空隙造成砌块受力不均使抗压强度降低。

图1 各因素对改性泥浆砌块28 d抗压强度的影响Fig.1 Influence of four factors on 28 d compressive strength of the modified mud block

2.3 劈裂强度因素指标分析

根据正交试验法，所考察的28 d劈裂抗拉强度的指标由直观分析表可求出各因素在不同水平下的强度值，结果见图2。由图2可知：

（1）随着草筋掺量A的增加，劈裂抗拉强度而增加。草筋掺量从0增加到2.5%时，28 d抗拉强度增加至原始强度的1.43倍（图2a），草筋大大增加了生土骨架作用。这表明：在改性泥浆砌块中加入草筋可使变形能力大大提高，改性泥浆砌块抗拉强度随着草筋掺量增加而增加。

（2）随着水泥掺量B的增加，改性泥浆砌块的抗拉强度逐渐增加（图2b），水泥可有效使生土内固相物质重组，但是变形能力较低。

（3）改性泥浆砌块近似随着生石灰掺量C的增加而逐渐增加，当C的掺量由0增加到2.5%时，抗拉强度相比于初始强度减小7.5%（图2c），生石灰对劈裂抗拉强度和变形能力较低。

（4）当糯米掺量D由0增加到5%时，28 d劈裂抗拉强度急剧增大，抗拉强度增加至初始1.53倍，此时改性泥浆砌块的抗拉强度和变形能力最大；当糯米掺量由5%增加到10%，抗拉强度逐渐减小，减幅为24.1%（图2d）；随着糯米掺量的进一步增多，土粒的粘性变得更大，不易搅拌均匀，使土粒间的空隙变大，从而影响改性泥浆砌块抗拉强度提高。

图2 各因素对改性泥浆砌块28 d劈裂抗拉强度的影响Fig.2 Influence of foiirs factors on 28 d spitting tensile strength of the modified mud block

2.4 方差分析

改性泥浆砌块立方体抗压强度试验结果的方差分析见表5。

表5 正交试验方差分析Tab.5 The variance analysis of orthogonal test

由表5可知：

（1）对28 d时的抗压强度，草筋掺量A对改性泥浆砌块的影响最为显著，其次是糯米掺量D，最后是生石灰掺量C、水泥掺量D（二者对抗压强度的影响比较接近）。

（2）对28 d时的抗拉强度，糯米对改性泥浆砌块的影响最为显著，其次是草筋掺量，最后是水泥掺量，生石灰掺量对劈裂抗拉强度的影响不具有显著性。

2.5 最优配合比

由因素指标分析可知，改性泥浆砌块的抗压强度的最优配比为A3B3C1D2，即草筋为0.25%，水泥为20%，生石灰为0%，糯米为5%。改性泥浆砌块劈裂抗拉强度的最优配比为A3B3C2D2，即草筋为0.25%，水泥为20%，生石灰为2.5%，糯米为5%。

综合考虑改性泥浆砌块抗压强度、劈裂抗拉强度的最优配合比，其中草筋掺量A、水泥掺量B和糯米掺量D可作为定量，并由方差分析知生石灰C对改性泥浆砌块的抗压强度、劈裂抗拉强度影响不显著，再考虑到生石灰能提高改性泥浆砌块的耐水性，最终确定最优配合比为为A3B3C2D2，即草筋为0.25%，水泥为20%，生石灰为2.5%，糯米为5%。

3 讨论

经文献检索，目前有关改性泥浆的研究很少，本文的试验结果与改性泥浆的相关研究[1]对比分析，有以下主要特点：

（1）文献[1]选取水泥、水泥矿渣、粉煤灰以及氯化钙、硫酸钠为掺合料；本文选取草筋、水泥、生石灰、糯米为掺合料，是根据我国古代“糯米灰浆”和现代泥浆的工艺进行了改进，更符合生土建筑工艺的要求。

（2）文献[1]主要采取单因素的试验方法，各掺量对泥浆抗压强度的影响比较直观，但是试验量比较大。本文采用正交试验方法，各掺量对泥浆抗压强度的影响需要通过理论分析才能得到，但试验量较小，且能体现出各掺量之间的相互作用对泥浆抗压强度的影响，能更真实反映各材料对生土材料整体性能的影响。

（3）文献[1]主要以泥浆的抗压强度、保水率为设计目标；本文主要以泥浆的抗压强度和劈裂抗拉强度为设计目标，并综合考虑了材料的耐久性，更适用于对耐久性有较高要求的生土建筑。

4 结论

由9组改性泥浆砌块的正交试验的结果及分析，本研究得到以下结论：

（1）影响改性泥浆砌块抗压强度的各因素影响顺序为：草筋A＞糯米D＞水泥B＞生石灰C；影响改性泥浆砌块劈裂抗拉强度的各因素影响顺序为：糯米D＞草筋A＞水泥B＞生石灰C。

（2）当A3B3C2D2时为最优配合比，即草筋为0.25%，水泥为20%，生石灰为2.5%，糯米为5%，此时改性泥浆砌块的抗压强度和劈裂抗拉强度较高。

参考文献：

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