栗　潮　徐露露中國(guó)水電十一局鄭州科研設(shè)計(jì)有限公司（450000）

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摻加水泥熟料對(duì)生土基復(fù)合材料性能的影響

栗潮徐露露
中國(guó)水電十一局鄭州科研設(shè)計(jì)有限公司（450000）

摘要：通過(guò)摻加水泥熟料對(duì)生土進(jìn)行改性，測(cè)定其力學(xué)性能，研究其對(duì)生土試塊強(qiáng)度的影響規(guī)律和改性機(jī)理。研究表明，摻加水泥熟料，會(huì)在固結(jié)生土的過(guò)程中發(fā)生一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)，生成不同的水化凝膠。這些凝膠的干燥硬化可改善土體的穩(wěn)定性，增強(qiáng)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)連結(jié)和抗變形摩擦力，從而提高土體的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：生土材料；強(qiáng)度；水泥熟料；改性機(jī)理

1　研究背景

從人類社會(huì)形成以來(lái)，生土墻體材料一直是主要的建筑材料之一。近20年來(lái)，鑒于資源與環(huán)境的雙重壓力，生土材料以及生土改性材料已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一［1］。土體的改性材料包括水泥、石灰和粉煤灰等，它們可單獨(dú)使用，也可按一定的比例復(fù)合使用，在常溫下能夠直接膠結(jié)土體中的土壤顆粒，能夠與黏土礦物反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)［2］。水泥熟料作為常見(jiàn)的膠凝材料，基本成分是C3S、C2S、C3A、C4AF，其中C3S和C2S是水泥的主要成分，占到水泥質(zhì)量的75％左右，也是水泥制品抗壓強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者。

試驗(yàn)采用的改性材料為水泥熟料，具有取材容易、原料簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本文通過(guò)研究摻加水泥熟料生土試樣的性能，研究其對(duì)生土基強(qiáng)度的影響規(guī)律和改性機(jī)理，對(duì)生土墻體材料的應(yīng)用具有廣泛的指導(dǎo)意義。

2　試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)使用的是水泥熟料，水泥熟料的化學(xué)成分及性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1　水泥熟料的主要化學(xué)組成（％）

表2　水泥熟料品質(zhì)指標(biāo)

水泥熟料是從水泥窯經(jīng)過(guò)高溫?zé)珊?，再?jīng)過(guò)冷卻機(jī)冷卻并破碎后的塊狀或大顆粒狀物質(zhì)，所以需要對(duì)其進(jìn)行球磨機(jī)粉碎。表3列出了試驗(yàn)樣品的混合物組成，將混合物攪拌與生土按照0.24的水膠比攪拌均勻，將拌合料裝入40 mm×40 mm×40 mm的模具內(nèi)振搗成型。試塊成型后，用保鮮膜包好，24 h后拆模，然后將試樣放在自然條件下（溫度20± 3℃，濕度約為50％）養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

表3　樣品的組成物及其力學(xué)性能

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表3數(shù)據(jù)可得其7 d抗壓強(qiáng)度曲線如圖1。由圖示趨勢(shì)可以看出，摻加水泥熟料可以提高生土試塊的強(qiáng)度，且隨著水泥熟料摻量的升高，抗壓強(qiáng)度也呈上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谕寥乐袚郊铀?，可以改變軟土的固有性質(zhì)。水泥發(fā)生水化反應(yīng)［3］，產(chǎn)生CSH和CAH凝膠，附著在土壤顆粒表面，并形成Ca（OH）2。Ca2+、OH-滲透進(jìn)入土顆粒內(nèi)部，與黏土礦物發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，繼續(xù)生成上述膠凝物質(zhì)，其主要作用形式為：

圖1　試塊抗壓強(qiáng)度與水泥熟料摻量的關(guān)系

1）離子交換與團(tuán)?；饔?。主要是指水泥中的Ca2+與土壤中的Na+、K+置換的過(guò)程，較小的土顆粒形成較大的土團(tuán)粒，從而使土體的強(qiáng)度提高。

2）水泥的凝結(jié)硬化。水泥與水分發(fā)生水化反應(yīng)以后，土壤顆粒被水化產(chǎn)物所包裹，從而水泥土形成一個(gè)整體，產(chǎn)生一定的強(qiáng)度。水泥水化反應(yīng)的凝結(jié)硬化是水泥土最主要的強(qiáng)度來(lái)源。

3）火山灰作用。土壤中含有大量的SiO2、A12O3，水泥中含有大量的強(qiáng)堿性物質(zhì)Ca（OH）2。這些活性物質(zhì)在堿性溶液中發(fā)生火山灰反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的結(jié)晶化合物，增大固化土強(qiáng)度。

4）碳酸化作用。水泥水化物中，游離的Ca（OH）2能吸收水中和空氣中的CO2，發(fā)生碳酸化作用，生成不溶于水的CaCO3。這種反應(yīng)也能使固化土增加強(qiáng)度，但增加強(qiáng)度較慢，幅度較小。

圖2　不同水泥熟料摻量的生土基試塊的超景深圖片

單用水泥改性生土?xí)r，主要水化物為纖維狀或絮狀的CSH附著在孔壁上（如圖2），能夠使生土材料具備一定的強(qiáng)度，但不能有效填充生土干燥留下的孔隙，會(huì)影響生土材料的耐久性。從經(jīng)濟(jì)性考慮，在實(shí)際操作中不建議摻加過(guò)多的水泥熟料，這樣會(huì)影響生土墻體材料的環(huán)保性和可再生性。

4　結(jié)論

單摻水泥熟料的生土基試塊抗壓強(qiáng)度隨著摻量的升高而升高，但是其摻量要控制在合適范圍內(nèi)，過(guò)多反而會(huì)降低增強(qiáng)效果。其改性機(jī)理為水泥熟料在固結(jié)生土的過(guò)程中發(fā)生水化反應(yīng)而生成CSH凝膠等強(qiáng)度相，加強(qiáng)了生土顆粒之間的連接，從而增強(qiáng)其力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳晶，單德啟.土著的前衛(wèi)——大地藝術(shù)事業(yè)中的鄉(xiāng)土聚落［J］.建筑師，2005：1115.

［2］鄭寒英，楊長(zhǎng)輝.生土墻體材料改性技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.混凝土與水泥制品，2011（8）：53- 56.

［3］Gregory Moor & Kevin Heathcole. Earth building in Australia durability research［J］. Modern Earth Building 2002-Berlin.