劉志華 李鵬 曲烈 李園楓 王超 張文研 康茹茹

1天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（300384） 2河南省散裝水泥辦公室（450000）

膠凝材料對(duì)鹽漬土改性材料力學(xué)、耐久性能的影響

劉志華1李鵬2曲烈1李園楓1王超1張文研1康茹茹1

1天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（300384） 2河南省散裝水泥辦公室（450000）

擬在前人研究的基礎(chǔ)上，研究了膠凝材料對(duì)鹽漬土改性材料性能的影響，并通過(guò)微觀分析手段，研究其作用機(jī)理，以達(dá)到提升生土材料性能的目的，為我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

鹽漬土改性；力學(xué)性能；耐久性能；改性機(jī)理

0 引言

在農(nóng)村傳統(tǒng)建筑中,生土材料具有悠久的歷史，我國(guó)至今尚有1億人口居住在生土建筑中。生土材料具有就地取材、易于施工、造價(jià)低廉、冬暖夏涼、節(jié)省能源、有利于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)鹽漬土分布范圍較廣的生土，總面積約為99萬(wàn)平方公里，而生土墻體受到風(fēng)雨侵蝕后很容易造成墻體開(kāi)裂，墻根堿蝕，因此，加強(qiáng)對(duì)鹽漬土改性的研究對(duì)我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)具有深遠(yuǎn)意義。

陳淵召[2]研究發(fā)現(xiàn)，利用石灰、水泥改性鹽漬土，可提高鹽漬土黏聚力；復(fù)摻水泥后，鹽漬土材料的凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率下降了12%，改善了其抗凍性。賈那·托留汗[3]研究發(fā)現(xiàn)，加固鹽漬土?xí)r石灰對(duì)鹽漬土的改性效果優(yōu)于等量的水泥，且石灰改性鹽漬土?xí)r無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗凍性隨時(shí)間增長(zhǎng)而增強(qiáng)。駱昊舒[4研究發(fā)現(xiàn)，石灰與水泥復(fù)摻固化鹽漬土?xí)r，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗凍性優(yōu)于水泥單摻固化鹽漬土。

韓亞兵[5]研究發(fā)現(xiàn)，使用石灰、粉煤灰復(fù)摻改性渤海鹽漬土，粉煤灰摻量增加時(shí)鹽漬土材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加。劉成斌[6]將礦渣、菱苦土、建筑石膏、生石灰進(jìn)行復(fù)配，制備了一種礦渣復(fù)合固化劑，并對(duì)鹽漬土進(jìn)行了改性研究。劉成斌研究發(fā)現(xiàn)，與水泥土相比，礦渣復(fù)合固化劑能夠良好地吸收Cl-和SO4-，進(jìn)而提高其水穩(wěn)性和抗海水侵蝕能力。林清華[7]在工程試驗(yàn)中利用熟石灰、鹽漬土、石子配置三合土作為建筑地基，并研究了其抗壓強(qiáng)度。林清華研究發(fā)現(xiàn)，石灰與鹽漬土的體積比為2∶7時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高。潘陽(yáng)[8]等人利用自制的不含鈣元素固化劑固化鹽漬土，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自制固化劑反應(yīng)時(shí)可吸收鹽漬土中的氯離子，從而提高固化土的水穩(wěn)定性。

楊久俊[9]等利用氫氧化鈉-水玻璃復(fù)合堿溶液激活鹽漬土制備土質(zhì)膠凝材料，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)8.8 MPa。何成壽[10]利用堿激活劑和粉煤灰改性鹽漬土?xí)r，粉煤灰摻量對(duì)其抗壓強(qiáng)度、抗水性影響較大。當(dāng)粉煤灰摻量由20%增加至40%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度增加近1倍，軟化系數(shù)增加至0.79。楊磊磊[11]等利用水玻璃、氫氟酸、磷酸等激發(fā)劑激活濱海鹽漬土，配合水泥、石灰制備土質(zhì)混凝土，摻加4%磷酸的鹽漬土生成了大量的膠凝物質(zhì)，提高了其抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

所用鹽漬土取自天津?yàn)I海新區(qū)臨海路旁的表層土壤。取土深度1～16 cm。用X射線熒光光譜儀對(duì)鹽漬土進(jìn)行化學(xué)成分分析測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。

利用激光粒度儀對(duì)其粒度分布進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得鹽漬土平均粒徑為0.9 μm，且全部小于1.3 μm。按照粒徑分類，鹽漬土屬于黏質(zhì)土。利用X射線衍射儀對(duì)其礦物成分進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖1所示，鹽漬土礦物成分是石英、鈉長(zhǎng)石、白云母、方解石等。

圖1 鹽漬土的XRD曲線

其他原料：所用水泥為天津振興水泥廠生產(chǎn)的標(biāo)號(hào)為42.5強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥；石灰為天津江天統(tǒng)一科技公司生產(chǎn),化學(xué)純氧化鈣，CaO含量達(dá)98%；減水劑為天津市雍陽(yáng)減水劑廠生產(chǎn)，高效聚羧酸減水劑；試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

表1 鹽漬土化學(xué)組成（%）

1.2 試驗(yàn)方法

拌合物工作性的測(cè)定：試驗(yàn)中測(cè)定了生土改性材料拌合物的稠度，試驗(yàn)方法參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》（JGJ-T70-2109）。

收縮率的測(cè)定：先將試件置于空氣中養(yǎng)護(hù)28 d,測(cè)定試塊的初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，常溫養(yǎng)護(hù)24 h后再將試塊置于80℃環(huán)境下干熱養(yǎng)護(hù)24 h，測(cè)其長(zhǎng)度L1。收縮率S=(L0-L1)×100%/L0

吸水率的測(cè)定：在吸水率試驗(yàn)中，先測(cè)定自然養(yǎng)護(hù)至28 d試件的干質(zhì)量M0，再將其放入水中浸泡，水面高于試塊表面20 mm，1 d后后測(cè)量試件的質(zhì)量M1，并通過(guò)計(jì)算得出吸水率。吸水率R=（M1－M0）×100%/M0

軟化系數(shù)的測(cè)定：軟化系數(shù)K是以試件養(yǎng)護(hù)28 d，然后在水中浸泡1 d的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度之比計(jì)算的。第一組放置于空氣中養(yǎng)護(hù)28 d后直接測(cè)量其抗壓強(qiáng)度I0；第二組放置于空氣中養(yǎng)護(hù)28 d后,浸泡于水中,水面比試件高出20 mm。浸泡1 d后取出水中的試件，用干軟布輕輕擦去試件表面的水分，立即測(cè)定其抗壓強(qiáng)度I1。其軟化系數(shù)K=I1/I0

凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率的測(cè)試：試件養(yǎng)護(hù)28 d后,將其放置于水中浸泡,水面比試件高出20 mm，浸泡1 d后取出試塊，用干軟布輕輕擦去試件表面的水分,再將其放入-16℃的冰箱內(nèi)凍2 h，取出后放在25℃的恒溫恒濕箱中2 h,此為一個(gè)循環(huán)。經(jīng)過(guò)10次凍融循環(huán)后測(cè)其抗壓強(qiáng)度,并計(jì)算強(qiáng)度損失率。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥摻量對(duì)改性材料力學(xué)性能的影響

圖2為石灰摻量為8%、水固比為0.28的情況下，不同水泥摻量（8%、10%、15%）下鹽漬土改性材料的抗壓強(qiáng)度變化情況。當(dāng)水泥摻量由8%增加至10%時(shí)，改性材料抗壓強(qiáng)度由6.7 MPa提高到8.2 MPa，提高了22.4%；當(dāng)水泥摻量由10%增加至15%時(shí)，改性材料的抗壓強(qiáng)度由8.2 MPa提高到9.9 MPa，提高了20.7%。這可能是因?yàn)樗酀{體發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物CSH和CAH凝膠相互交織成網(wǎng)，使得材料抗壓強(qiáng)度增加。水泥摻量由8%增加至10%時(shí)，改性材料抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較大，這可能是因?yàn)樗a(chǎn)物不斷增加，當(dāng)水泥摻量為10%時(shí)水化產(chǎn)物形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)一體化。當(dāng)摻量由10%增加至15%時(shí)，水化產(chǎn)物僅僅增加了網(wǎng)絡(luò)密度，其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率較小。

圖2 水泥摻量對(duì)改性材料力學(xué)性能的影響

2.2 石灰摻量對(duì)改性材料力學(xué)性能的影響

圖3為水泥摻量為10%、水固比為0.28情況下,不同石灰摻量（5%、8%、10%）下鹽漬土改性材料的抗壓強(qiáng)度變化情況。由圖3可知，當(dāng)石灰摻量由5%提高至8%時(shí)，改性材料的抗壓強(qiáng)度由7.3 MPa提升至8.2 MPa，提高了11.0%。當(dāng)摻量由8%提高至10%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度提高至8.5 MPa。這可能是因?yàn)橐环矫媸业膿郊犹岣吡烁男圆牧系膲A度，提高了材料中膠凝物質(zhì)的含量；另一方面石灰與土中的活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物起到膠結(jié)作用，從而改變了土體的整體結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)。

圖3 石灰摻量對(duì)改性材料力學(xué)性能的影響

2.3 復(fù)摻膠凝材料對(duì)改性材料力學(xué)性能的影響

圖4為水泥和石灰總摻量為18%、水固比為0.28情況下，不同膠凝材料（水泥與石灰之比=10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）對(duì)改性材料的抗壓強(qiáng)度變化情況。膠凝材料中水泥與石灰之比（10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）增加時(shí)，改性材料抗壓強(qiáng)度不斷提高。當(dāng)水泥∶石灰為16∶2時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)9.8 MPa。這是因?yàn)橐环矫?，水泥水化后，產(chǎn)生的Ca2+和OH-在鹽漬土中可以起到與石灰相同的離子交換作用、團(tuán)?；饔?；另一方面，水泥生成的膠凝物質(zhì)較多，在改性材料中可以起到填充孔隙、膠結(jié)鹽漬土顆粒的作用，故水泥可形成水泥石骨架，對(duì)改性材料起到支撐作用。當(dāng)水泥比例提高時(shí)，改性材料中的膠凝網(wǎng)絡(luò)密度增加，其抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增加。

圖4 復(fù)摻膠凝材料對(duì)改性材料力學(xué)性能的影響

2.4 水泥摻量對(duì)改性材料耐久性能的影響

圖5 水泥摻量對(duì)改性材料耐久性能的影響

圖5為石灰摻量為8%、水固比為0.28的情況下，不同水泥摻量（8%、10%、15%）下鹽漬土改性材料的軟化系數(shù)、凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率的變化情況。從圖5可以看出，摻入水泥（8%、10%、15%）對(duì)改性材料的軟化系數(shù)、凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率有很大影響。水泥摻量為8%時(shí)，試塊軟化系數(shù)為0.46，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率為47.5%。當(dāng)水泥摻量增加至15%時(shí)，改性材料的軟化系數(shù)提升至0.73，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率下降至35.3%。這可能是因?yàn)殡S著水泥摻量的增多，水硬性的水化硅酸鈣等產(chǎn)物增多，包裹改性材料中的可溶性物質(zhì)，填充孔隙，軟化系數(shù)上升，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率下降。

2.5 石灰摻量對(duì)改性材料耐久性能的影響

圖6為水泥摻量為10%、水固比為0.28情況下,不同石灰摻量（5%、8%、10%）下鹽漬土改性材料的軟化系數(shù)、凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率的變化情況。由圖6可知，石灰摻量（5%、8%、10%）對(duì)改性材料的抗壓軟化系數(shù)、凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率有明顯的影響。當(dāng)石灰摻量由5%提高至10%時(shí)，改性材料的軟化系數(shù)由0.32提升至0.58，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率由47.3%下降至41.6%。這是因?yàn)槭矣信蛎洈D密作用，且其與土中的活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，提高了試塊的密實(shí)度。石灰還促進(jìn)了鹽漬土材料中水泥顆粒的水化硬化，使得更多的不溶于水的膠凝物質(zhì)生成,故改性材料的軟化系數(shù)得到提高，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率下降。

圖6 石灰摻量對(duì)改性材料耐久性能的影響

2.6 復(fù)摻膠凝材料對(duì)改性材料耐久性能的影響

圖7為水泥和石灰總摻量18%、水固比為0.28情況下，不同的膠凝材料（水泥∶石灰=10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）對(duì)鹽漬土改性材料的軟化系數(shù)、凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率變化情況。由圖7可知，膠凝材料中水泥與石灰之比（10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）增加時(shí)，改性材料軟化系數(shù)不斷提高，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率不斷下降。這可能是因?yàn)樗嗨饔蒙赡z凝物質(zhì)多為水化硅酸鈣等水硬性產(chǎn)物，石灰水化產(chǎn)物為易溶的氫氧化鈣。故當(dāng)水泥比例提高時(shí)，軟化系數(shù)由0.52增加至0.61，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率由42.9%減小至38.3%。

圖7 復(fù)摻膠凝材料對(duì)改性材料耐久性能的影響

2.7 一般性討論

陳雪峰[12]研究了在不同摻量、不同齡期下水泥改性鹽漬土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著水泥摻量增加、養(yǎng)護(hù)齡期的增加，鹽漬土改性材料內(nèi)部的膠凝物質(zhì)含量增加，材料整體性增強(qiáng)。肖利明[13]研究了利用石灰、粉煤灰、水泥改性鹽漬土?xí)r，改性材料中有鈣長(zhǎng)石、方解石、坡縷鎬石等礦物生成，同時(shí)增強(qiáng)了其黏聚力和內(nèi)摩擦角。

本試驗(yàn)通過(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量的增加，CSH、水化氯鋁酸鈣的衍射峰逐漸升高，這說(shuō)明水泥摻量越多,改性材料中CSH凝膠和水化氯鋁酸鈣的含量越多。另外，石英的衍射峰略有下降，說(shuō)明水化產(chǎn)物與土中SiO2反應(yīng)的程度增加。隨著石灰的摻量增加，CSH、水化氯鋁酸鈣的衍射峰不斷升高，石英的衍射峰略有下降。這是因?yàn)樵谑业淖饔孟拢男圆牧现械乃囝w粒加速水化，生成了更多的CSH，其次水泥水化產(chǎn)物與鹽漬土中Cl-反應(yīng)，生成了水化氯鋁酸鈣。石灰與鹽漬土中的活性SiO2發(fā)生火山灰反應(yīng)，同樣生成了CSH凝膠，同時(shí)造成了石英含量的下降。

3 結(jié)論

改性材料的最佳配方為水固比0.28、鹽漬土摻量100%、水泥摻量15%、石灰摻量8%，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)9.9 MPa，軟化系數(shù)為0.73，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率為35.3%。

改性材料中，保持石灰摻量8%不變，水泥摻量由8%增加至15%時(shí),其抗壓強(qiáng)度由6.7 MPa增加至9.9 MPa，軟化系數(shù)由0.46增加至0.73，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率由47.5%減少至35.3%。保持水泥摻量10%不變，石灰摻量在5%～10%范圍內(nèi)變化時(shí)，改性材料的抗壓強(qiáng)度由7.3 MPa增加至8.5 MPa，軟化系數(shù)由0.32上升至0.58，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率由47.3%下降至41.6%。保持水泥石灰的總摻量不變，提高水泥的比例，改性材料強(qiáng)度在水泥：石灰為16∶2時(shí)達(dá)到最大值9.8 MPa；軟化系數(shù)由0.52增加至0.61，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失率由42.9%減小至38.3%。

采用水泥、石灰復(fù)摻改性材料時(shí)，生成了水硬性的CSH凝膠和水化氯鋁酸鈣。且由于水泥、石灰水化產(chǎn)生的Ca(OH)2具有離子交換作用、火山灰反應(yīng)作用，改善了鹽漬土改性材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其收縮率、吸水率都得到改善。

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[5]韓亞兵.渤海新區(qū)鹽漬土地基處理措施研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2015.

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科研項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20141BAL03B03）。