改性方法对生土材料水分传输特性的影响

刘俊霞， 吴晓博， 张茂亮， 王帅旗， 海 然

(1.中原工学院 建筑工程学院， 河南 郑州 450007；2.河南建筑材料研究设计院有限责任公司， 河南 郑州 450002)

生土材料是一种名副其实的生态、节能、环保的建筑材料，以之建造的生土建筑具有不消耗非再生资源、不产生废弃物、低能耗和低CO2排放、优良的室内空气质量等特点，所以自古以来它就是一种优良的建筑材料[1].传统生土材料因依靠物理作用相结合，强度低、变形大、耐水性差，致使生土建筑在耐水性、体积稳定性等方面不尽如人意[2]，因此生土材料的改性研究已成为研究热点.胡明玉等[3]研究了无机土壤固化剂对生土材料物理力学性能的影响，结果表明土壤固化剂掺量为20%～25%时，生土材料具有较高的强度、耐水性和抗冻性能.刘俊霞等[4]的研究结果表明，掺入黄麻纤维改性的生土材料相比未掺黄麻纤维的生土材料，其软化系数可以提高12.2%.刘志华等[5]以偏高岭土为主要原材料，研究了激发剂对生土耐水性的影响，结果显示促硬剂Na2SiF6能够显著提高改性生土材料不同龄期的耐水性，且耐水性随着促硬剂掺量的增加而提高.张磊等[6]研究了石灰-矿渣/生土复合材料的热湿综合性能，结果表明用10.19%石灰和4.02%矿渣复合改性的生土材料具有良好的力学性能和导热导湿性能.Ciancio等[7]、Kariyawasam等[8]分别研究了石灰和水泥改性对生土材料微观结构、力学性能和耐水性的影响.

上述研究表明，生土材料的耐水性能够通过物理、化学和复合改性加以改善，改性材料的引入改变了水分进入生土材料内部的传输特性，从而改善了生土材料的吸水、保水和耐水性能.基于此，本文在前期研究的基础上，通过生土材料毛细吸水试验，对比研究水泥、黄麻纤维和水泥/黄麻纤维复合改性生土材料以及未改性生土材料的毛细吸水速率、毛细吸收系数和表面渗入速率等水分传输参数，分析改性方法对生土材料微观结构和水分传输特性的影响，为生土材料耐久性和水蚀破坏规律及机理的研究奠定基础，进而促进生土材料和生土建筑在黄河中下游地区新农村建设中的应用和推广.

1 试验

1.1 原材料

生土(RS)为陕西西安某地区深层未扰动黄土，其主要化学组成见表1；水泥(C)为天瑞集团水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其技术指标见表2；市售黄麻纤维(F)，纤长10mm，密度1.2g·cm-2，长径比70，采用浓度(质量分数，文中涉及的含量、掺量、减水率、浓度等除特别说明外均为质量分数或质量比)5%的NaOH溶液进行表面处理、清洗、烘干、备用；市售河砂(SA)，细度模数2.8；减水剂(SP)为AJ-2B聚羧酸高效减水剂，固含量2.3%，减水率36%.

表1 生土的化学组成

表2 普通硅酸盐水泥技术指标

1.2 生土材料试件制备

以陕西黄土为主要原料，掺加黄麻纤维和水泥制作生土材料试件，试件成型配合比见表3；减水剂掺量均为固体原料总质量的0.1%；按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》成型尺寸为40mm×40mm×160mm的试块，生土分2层振捣密实成型，2d后脱模，在相对湿度60%～70%，温度(20±5)℃ 的条件下养护至测试龄期.

表3 生土材料试件配合比和强度

1.3 毛细吸水试验

试验采用称重法测定生土材料试件的毛细吸水量.试件在测试前经105℃烘干至恒重后，将其中5个面涂抹环氧树脂以封闭水的渗透，仅留1个面供测试用(如图1(a)所示)，部分毛细吸水测试试件见图1(b).记录所有试件的原始质量后进行吸水试验，每间隔一定的时间取出试件称重.为了保证试验结果的代表性和可靠性，每个时间节点取出20个试件称量计算吸水量，试件称量的时间间隔分别为：前60min间隔5min，60～360min间隔15min，360～540min间隔30min.

1.4 微观结构分析

采用日本理学JSM—6700 F扫描电镜(SEM)对生土材料试件断面进行形貌分析.

图1 试件Fig.1 Samples

2 结果与分析

2.1 生土材料试件中水的传输特征

图2是生土材料的毛细吸水量随时间的变化规律.从图2可以看出：毛细吸水量在入水初期增速较快，入水450min后吸水量基本保持不变.图3是生土材料毛细吸水量随时间平方根的变化曲线.从图3可以看出：生土材料的毛细吸水量基本与时间平方根呈线性关系.根据多孔材料毛细吸水质量增量“时间平方根”定律[9]，该直线的斜率即为生土材料的毛细吸收系数，其计算结果见表4所示.这与Matthew Hall的研究结果相类似，说明初始毛细吸收系数的研究也能适用于生土材料长时间吸湿性能的研究，而且能够更加真实地反映生土材料与所处的环境进行水分传输的过程和结果.

图2 生土材料毛细吸水量随时间变化曲线Fig.2 Capillary absorption variation curves with time of earth materials

图3 生土材料毛细吸水量随时间平方根变化曲线Fig.3 Capillary absorption variation curves with t1/2 of earth materials

mm·min-1/2

由图2，3和表4可以看出：黄麻纤维改性生土材料的毛细吸水量明显高于未改性生土材料，水泥和水泥/黄麻复合改性生土材料的毛细吸水量则显著降低，几种生土材料的毛细吸收系数和毛细吸水量的变化规律基本一致.未改性生土材料掺入黄麻纤维后，毛细吸收系数显著提高，从0.904mm·min-1/2增加至1.296mm·min-1/2，增加了43.4%；掺入水泥后则降低了19.8%.水泥改性生土材料中掺入黄麻纤维后，复合改性生土材料的毛细吸水量和毛细吸收系数有一定程度的提高.

2.2 改性方法对生土材料毛细吸水速率的影响

图4是不同生土材料毛细吸水速率随时间的变化规律.从图4可以看出：在生土材料入水初期，毛细吸水速率均较大；随着吸水时间的延长，毛细吸水速率均呈下降趋势.表5为不同时间区间几种生土材料的平均毛细吸水速率.由表5可以看出：0～50min 时间区间的平均吸水速率为生土材料的初始吸水速率，黄麻纤维改性生土材料初始吸水速率较未改性生土材料提高26.2%，而水泥改性生土材料初始吸水速率降低了25.3%；黄麻纤维改性生土材料在150min之前的平均吸水速率显著高于未改性生土材料，150min之后吸水速率明显降低，450～540min时间区间接近未改性生土材料的平均吸水速率.

图4 生土材料毛细吸水速率随时间的变化曲线Fig.4 Curves of capillary absorption rate variation with time of earth materials

g·min-1

2.3 改性方法对生土材料水分表面渗入深度的影响

表6是通过表观密度法计算得出的生土材料孔隙率.由表6可以看出：生土材料中掺入水泥后，其孔隙率大幅降低，掺入黄麻纤维后孔隙率则小幅提高.图5是生土材料水分表面渗入深度随时间变化规律，其中渗入深度是通过孔隙率和吸水质量计算所得.由图5可以看出：黄麻纤维改性生土材料水分最终渗入深度最大，未改性生土材料水分渗入深度最小，说明黄麻纤维明显提高了未改性生土材料水分的表面渗入深度；水泥改性生土材料和复合改性生土材料水分的渗入深度基本相同，介于前两者之间，说明水泥的改性作用不能降低水分的渗入深度，但可以抑制黄麻纤维的水分吸持作用.这是由于水泥的改性作用细化了生土材料的孔结构，同时水化产物的包裹作用改变了黄土颗粒和黄麻纤维自身的吸水特性，水分则通过结构中毛细孔网络传输至生土材料内部.

表6 生土材料的孔隙率

图5 生土材料水分表面渗入深度随时间的变化规律Fig.5 Variation regularity of surface penetration depth with time of earth materials

2.4 改性材料对水分在生土中传输机理的影响

生土材料结构中存在3种孔隙：一是黄土团粒内部的孔隙，二是团粒与团粒之间的孔隙，三是生土材料原充水空间失水后形成的失水空腔.黄土颗粒自身的多孔特性使其具有一定的水分吸持能力，生土材料的孔隙率较大使其结构中存在粗大毛细孔的可能性较大，未改性和黄麻纤维改性生土材料吸水后首先充满前2种毛细孔，随后通过大量的毛细孔导入失水空腔.

黄麻纤维是一种天然植物纤维，自身有一定的吸水性，黄麻纤维在生土材料水分传输过程中，起到了类似于导管传输的作用.同时，黄麻纤维与生土之间仅通过物理作用粘结，并形成了纤维/生土界面结构，从而降低了生土材料密实度.因此，未改性和水泥改性生土材料中掺入黄麻纤维后，生土材料的毛细吸水量、毛细吸收系数、毛细吸水速率和表面渗入深度等水分传输参数均明显提高.

图6为改性生土材料CEM，CJEM的 28d SEM照片.由图6(a)可以看出：黄土颗粒周围包裹大量絮状的水泥水化产生的C-S-H凝胶，连接形成网状的骨架结构.图6(b)中也可以观察到黄土颗粒周围和拔出黄麻纤维表面均包裹有大量的水泥水化产物，说明黄麻纤维与生土材料基体之间结合紧密.因此，水泥改性和复合改性生土材料的28d抗压强度与未改性和黄麻纤维改性生土材料相比有大幅提高.水泥颗粒的大小低于黄土，在生土材料拌和期间填充在黄土颗粒间的孔隙中，水泥的水化产物包裹于团粒表面，填充在生土材料的失水空腔中，降低了黄土自身的毛细吸水能力，并建立了团粒与团粒之间的化学连接，从而改变了黄土颗粒的表面状态和生土材料的孔结构.刘军等[10]的研究表明，临界孔径(大尺寸孔隙形成通道时所必须经过的最小孔径)对水泥基材料的物质传输性能有决定性的作用.由于水泥的改性作用，水泥改性和复合改性生土材料中水分的传输主要通过临界孔径建立的毛细孔网络进行，其水分传输特性与未改性和黄麻纤维改性生土材料之间有本质差异.

图6 改性生土材料28d的SEM照片Fig.6 SEM photos of modified earth materials at 28d

3 结论

(1)生土材料的毛细吸水量与时间平方根呈线性关系；水泥改性生土材料的毛细吸收系数和初始吸水速率较未改性生土材料分别降低19.8%和25.3%，而黄麻纤维改性生土材料的毛细吸收系数和初始吸水速率分别提高了43.4%和26.2%.

(2)黄麻纤维改性生土材料水分的表面渗入深度最大，未改性生土材料水分的表面渗入深度最小，水泥改性和复合改性生土材料水分的表面渗入深度介于两者之间，黄麻纤维明显提高了生土材料水分的表面渗入深度.

(3)水泥改性生土材料的孔隙率较未改性生土材料降低了41.9%，黄麻纤维改性生土材料的孔隙率则提高了4.1%；水泥改性和水泥/黄麻纤维复合改性生土材料中黄土颗粒周围和拔出黄麻纤维表面均包裹有大量的水泥水化产物，它改变了黄土颗粒的表面状态和生土材料的孔结构，影响了生土材料的水分传输特性.