基础用改性生土材料及其改性机理研究

田文丽，程海平，魏成娟，余海燕，王 蕾

(1.天津市建筑科学研究院有限公司，天津 300193;2.天津城建大学 材料科学与工程学院，天津 300384)

基础用改性生土材料及其改性机理研究

田文丽1，程海平1，魏成娟1，余海燕2，王 蕾2

(1.天津市建筑科学研究院有限公司，天津 300193;2.天津城建大学 材料科学与工程学院，天津 300384)

传统生土基材料具有强度低、脆性大、抗水性差等缺点而限制其在生土建筑中的应用，为满足现代生土建筑基础的要求，需对生土材料的改性进行深入的研究。本文主要研究了水泥和矿渣对改性生土的力学性能、体积稳定性以及耐久性的影响。

生土；基础；改性材料；抗压强度

生土材料是一种典型的绿色环保建筑材料，因其具有良好的保温隔热性能、取材广泛、施工技术简单、可循环利用等优点而得到广泛的应用。研究表明[1]，生土广泛存在，便于就地取材。然而，生土材料强度不高、体积稳定性差、耐久性不良等缺点已严重影响其在建设中的应用。因此，如何提高生土材料的强度、体积稳定性及耐久性，已成为研究的热点[2-4]。

Ana Paulada Silva Milani[5]对生土材料的稳定性能进行了研究，在土中掺入7.5%的石灰和10%的水泥，改性后生土材料抗压强度提高了3倍。郝传文[6]通过对生土墙体材料进行改性来提高土墙体材料的性能，在土中掺12%的水泥，改性后其28 d抗压强度为9 MPa；张虎元[7]选择新疆交河故城原状生土试样和重塑土试样进行了干湿循环试验，干湿循环对重塑土体具有一定的陈化和愈合作用，初期能提高土体的强度，其抗压强度提高了26%。

改性生土材料可以满足墙体材料的性能要求，是良好的生态建筑材料。但当生土材料作为基础材料使用时，改性生土材料满足不了强度和耐久性的要求。目前，关于改性生土材料替代混凝土(或砖、石)直接用于生土建筑基础方面的报道很少，因此，本文通过对生土材料进行深度改性来提高其强度及耐久性，以期满足生土建筑基础使用的要求。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

图1 西北黄土和矿渣的XRD图谱

本文所用生土取自西北黄土，生土的矿物成分如图1所示，西北黄土的化学成分如表1所示。水泥为42.5级，取自天津振兴，减水剂有飞龙混凝土外加剂厂生产；激活剂主要由实验室自制，矿渣为S95级活性矿粉，取自唐山粒化高炉厂，其矿物组成与化学组成分别如图1和表2所示。

表1 生土化学组成

表2 矿渣化学成分

1.2 试验配合比设计

试验用材料的配合比如表3所示。

表3 试验配合比

1.3 试验方法

强度测定方法，采用40 mm×40 mm×160 mm的试件，在标准条件下进行养护。软化系数测定是将标准养护28 d的试块，浸泡在水中1 d、7 d、14 d和28 d；测定，测定试块在浸水后强度的变化。参照混凝土抗渗性试验方法，养护采用标准养护。

冻融循环方法将养护好的试件在-20℃冰箱内冻2 h，取出后放在20℃的恒温恒湿箱中融化2 h，此为一个循环，经20次、30次、40次冻融循环后测其抗压强度、试样质量，并计算强度损失率和质量损失率。收缩率S按式(1)计算。

S=(L1-Lλ)×100/280

(1)

式中：L1为初始测量值；Lλ为某龄期测量值；280为试件的有效长度，单位mm。

干湿循环试验方法将标准养护28 d的试块，依次放在水中浸泡4 h，风干2 h，在50℃下烘干2 h，再风干2 h，此为1次干湿循环；本试验经30次干湿循环后，计算其强度损失率和质量损失率，计算方法与冻融循环一致。

2 试验结果与分析

2.1 改性材料对生土性能的影响

按照表3的试验配合比，以不同改性材料对生土进行改性，改性后生土材料的28 d抗压强度、软化系数、抗冻性等如图2～图9所示。

从图2可知，与掺改性剂的生土材料相比，未掺改性剂的强度较低；只掺激话剂T2与未掺任何改性材料T1相比，强度几乎不变；而掺矿渣的K1、K2和K3强度分别达到了15.4 MPa、18.9 MPa和27.8 MPa，掺水泥的S1、S2和S3强度分别达到了17.5 MPa、22.6 MPa和28.9 MPa。与未掺改性材料的生土材料相比，掺水泥、矿渣的生土材料中有C-S-H凝胶、C-A-H凝胶物质生成，这些产物将生土颗粒紧紧的胶结在一起，使其结构致密，提高了改性生土材料的强度和耐久性。另外，由于水泥在早期水化较快，其28d抗压强度较高。

从图3可知，水泥和矿渣的1 d软化系数在0.7以上，但都不超过1；在7 d、14 d和28 d软化系数中，S1、S2、S3和K1都不同程度的下降，K2软化系数基本保持不变，K3软化系数达到了1.3以上；与T1和T2生土试块遇水溃散相比，掺矿渣和水泥的生土改性材料耐水性高的主要原因是水泥和矿渣水化产生了一定量的C-S-H凝胶、钙矾石物质，C-S-H凝胶可有效胶结土颗粒，钙矾石填充孔隙，使得改性生土材料具有较好的耐水性。K3软化系数高于1的原因是因为矿渣在激活剂的作用中，且在水环境中二次水化生成了更多的C-S-H凝胶和C-A-H凝胶，使得改性生土材料更加密实。

从图4和图5可知，生土改性材料冻融循环20次、30次和40次的强度损失率和质量损失率随着改性材料掺量的增加，改性生土材料的强度损失率和质量损失率减小；K3强度损失率为-0.28，原因是在有水的环境下，矿渣在激活剂的作用下二次水化，又生成了较多的C-S-H等胶凝性物质，胶结土颗粒，减少了孔隙，强度进一步提高。

图2 改性材料对生土28 d抗压强度的影响 图3 改性材料对生土软化系数的影响

图4 改性材料对生土冻融循环后强度的影响 图5 改性材料对生土冻融循环后质量的影响

从图6可知，随着水泥和矿渣掺量的不断增加，其收缩率减少，矿渣改性的生土材料收缩率保持在0.4%左右，水泥改性的生土材料收缩率保持在0.3%左右；掺矿渣和水泥的改性生土材料收缩率低的主要原因是水泥和矿渣水化生成了具有胶凝性的C-S-H和C-A-H，生土颗粒被紧紧的胶结在一起，钙矾石填充于颗粒孔隙，结构更加稳定，且大幅度降低了改性生土材料的收缩。

从图7可知，随着水泥和矿渣掺量的不断增加，其抗渗等级不断增大，K1和K2的抗渗等级为P4，K3的抗渗等级为P6，矿渣在激活剂的作用下反应生成了大量的水化硅酸钙和水化铝酸钙，包裹在土颗粒表面，填充颗粒孔隙，水分难以进入；S1的抗渗等级为P4，S2和S3的抗渗等级为P6，水泥水化生成了大量的胶凝性的物质，填充在土颗粒之间的孔隙中，结构更密实，水分难以渗透；改性后的生土材料的抗渗性能明显提高。

从图8和图9可知，为生土改性材料干湿循环30次的强度损失率和质量损失率；K3强度损失率为-0.25，由于矿渣前期水化慢，在有水的条件下，矿渣二次水化，产生了更多的C-S-H和C-A-H凝胶，使得改性后生土材料的结构更加密实，因此，强度不减反增。

图6 改性材料对生土收缩率的影响 图7 改性材料对生土抗渗性的影响

图8 改性材料对生土干湿循环强度的影响 图9 改性材料对生土干湿循环质量的影响

2.2 生土改性机理

图10 生土改性材料的XRD图谱

生土改性的矿物组成如图10所示。从图10可知，与未掺改性材料的生土材料相比，掺水泥、矿渣的生土材料中有C-S-H凝胶、钙矾石和氢氧化钙等物质生成，这些物质将生土颗粒紧紧的胶结在一起，使其结构致密，提高了改性生土材料的强度和耐久性；矿渣改性土泡水后，强度反而增加，这是由于矿渣的二次水化造成的，反应生成了更多的、具有胶凝性的C-S-H凝胶和C-A-H凝胶物质，使其结构更加致密，且孔隙率更低，水和其它有害物质难以进入试块内部，进一步提高了矿渣改性土的强度和耐久性。

3 结 语

(1)综合经济性和实用性，生土、矿渣、激活剂、减水剂、水的质量比为0.8∶0.2∶0.02∶0.02∶0.18时为最佳配合比；由此制备出的生土改性材料的强度为27.8 MPa，7 d的软化系数为1.33，抗冻等级为F40，收缩率在4%左右，抗渗等级为P6，干湿循环后强度增加了25%。

(2)生土颗粒被改性材料水化生成的胶凝性物质紧紧胶结在一起，生土颗粒间的空隙被胶凝性物质所填充，提高了改性后生土材料的强度和耐久性，满足了生土建筑地基的使用要求。

[1] 王军，吕东军．走向生土建筑的未来[J].西安建筑科技大学报(自然科学版)，2001，33(2)：147-149.

[2] 刘俊霞，张磊.生土材料国内外研究进展[J].材料导报，2012，26(12)：14-17.

[3] 曲烈，李剑.掺复合减水剂生土改性材料流变与力学性能研究[J].粉煤灰综合利用，2013：8-11.

[4] 丁苏金，王武祥.生土建筑材料的改性研究进展及其应用[J].建筑砌块与砌块建筑，2014：45-51.

[5] Milani APS,Labaki L C.Physical,mechanical,and thermal performance of cement-stabilized rammed Earth-rice husk ash walls[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2011，24(6)：775-782.

[6] 郝传文.改性方式对生土墙体材料耐久性影响的研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2011：56-63.

[7] 张虎元，严耿升，赵天宇，等.土建筑遗址干湿耐久性研究[J].岩土力学，2011，32(2)：347-355.

Research on Mechanism of Modified Raw Soil in Foundation

TIAN Wenli1, CHENG Haiping1, YU Haiyan2, WANG Lei2

(1.Tianjin Architectural Science Research Institute Co. Ltd, Tianjin 300193, China;2.Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China)

s：The shortcomings of tradition raw-soil material are low strength, large brittleness and poor water resistance, Because of that, its application in the raw-soil buildings is limited. In order to meet the requirement of modern raw-soil building foundation, more research should be done for modification of the raw-soil. In the paper, the influence of the cement and slag on mechanics performance are studied, after that, volume stability and durability of modified raw-soil are researched.

raw soil; foundation; modified materials; compressive strength

2017-03-20

田文丽(1974-)，女，天津红桥人，本科，高级工程师，主要从事建筑材料方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.001

TU521.3

A

1674-5403(2017)02-0001-04