王 赟

(陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,漢中 723000)

0 引 言

在石灰、黃土和砂子中加入糯米汁，形成傳統(tǒng)糯米灰漿，它是中國(guó)古代一項(xiàng)非常重要的科技發(fā)明[1-4]。傳統(tǒng)糯米灰漿中的糯米不僅具有生物礦化中的有機(jī)模板的特性，而且具有協(xié)同作用，改變了石灰漿固化時(shí)碳酸鈣結(jié)晶體的微結(jié)構(gòu)，形成了有機(jī)/無(wú)機(jī)的復(fù)合結(jié)構(gòu)[5-8]，改善材料的強(qiáng)度、耐久性和防滲性等，這一傳統(tǒng)技術(shù)在現(xiàn)代改善黏土防滲性能[9-12]和古建筑加固與修復(fù)[13-16]等方面的研究和應(yīng)用取得一定進(jìn)展。

但是上述文獻(xiàn)中糯米糊化需持續(xù)煮沸0.5～6 h，耗時(shí)費(fèi)力，其次制備的復(fù)合材料在短期內(nèi)強(qiáng)度較低，一般28 d抗壓強(qiáng)度在2 MPa以下。如文獻(xiàn)[1]用濃度分別為1%、2%和3%糯米灰漿和二八灰土仿制保護(hù)材料，其抗壓和抗折強(qiáng)度最大為1.77 MPa和0.064 MPa；文獻(xiàn)[9]用糯米漿和1∶1的石灰：砂和石灰：黏土制備的石灰砂漿和灰黏土試塊，它們的抗壓強(qiáng)度分別為0.4 MPa和0.5 MPa，用該砂漿砌筑的墻體雖強(qiáng)度較低但墻體試件的耗能能力卻優(yōu)于水泥砂漿砌筑的構(gòu)件。文獻(xiàn)[17]用糯米漿和1∶1的石英砂：石灰制備材料，測(cè)得28 d抗壓強(qiáng)度在1 MPa以下，抗折強(qiáng)度0.5 MPa；文獻(xiàn)[18-19]制備了濃度為5%不同種類的糯米灰漿試塊，其28 d最大抗壓強(qiáng)度0.57 MPa，60 d最大抗壓強(qiáng)度為0.61 MPa。本文為了簡(jiǎn)化傳統(tǒng)材料的制備，提高其力學(xué)強(qiáng)度，用直鏈淀粉的糊精乳液、偶聯(lián)劑、石灰、堿性激發(fā)劑和砂土制備石灰/有機(jī)物復(fù)合材料，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 復(fù)合材料制備

試驗(yàn)采用市售材料，石灰：Ca(OH)2含量不少于99%，分析純；標(biāo)準(zhǔn)砂：中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；無(wú)水碳酸鈉：Na2CO3含量不少于99.8%，分析純；碳酸氫鈉：NaHCO3含量不少于99.5%，分析純；硅酸鈉：分子式Na2SiO3·9H2O，Na2O與SiO2含量之比為1.03±0.03；糊精：生化試劑。

復(fù)合材料制備時(shí)，首先將糊精和水以一定質(zhì)量比倒入容器中，進(jìn)行加熱、攪拌，直至溫度升至80 ℃，保持該溫度恒定，待糊精充分溶解糊化，制備成一定濃度的糊精乳液；其次，將一定比例的砂、黏土和石灰混合，并加入質(zhì)量為石灰質(zhì)量3%的激發(fā)劑拌合成復(fù)合料，其中激發(fā)劑選用碳酸鈉、碳酸氫鈉和硅酸鈉；最后，將0.1%的硅烷偶聯(lián)劑加入制備好的糊精漿液中，并倒入復(fù)合料中攪拌均勻，擊實(shí)固化成型即得到復(fù)合材料，制備流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 制備流程圖
Fig.1 Flow chart of preparation technology

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試樣制備

考慮三種不同的糊精濃度、兩種灰、土和砂比例和三種固化劑，設(shè)計(jì)兩個(gè)系列共26組試驗(yàn)，見(jiàn)表1。Ⅰ系列中灰∶土∶砂為150∶300∶1350，Ⅱ系列中灰∶土∶砂為 300∶600∶900，Ⅱ系列中試樣編號(hào)后帶-1。T表無(wú)糊精無(wú)激發(fā)劑，DT為有糊精無(wú)激發(fā)劑，后邊數(shù)字表百分比的糊精濃度，C、H和S表固化劑分別為碳酸鈉、碳酸氫鈉和硅酸鈉激發(fā)的試樣，后面數(shù)字1、2和3代表糊精濃度分別為8%、12%和16%。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experiment Design

復(fù)合材料制備時(shí)先以質(zhì)量比為1∶5.3～1∶11.5制備濃度為8%、12%和16%糊精乳液；按表1中的比例稱取石灰、黏土和砂依次倒入水泥膠砂攪拌機(jī)中，稱取質(zhì)量為石灰質(zhì)量3%的激發(fā)劑倒入，在制備好的糊精漿液中加入其含量0.1%的適量硅烷偶聯(lián)劑，倒入水泥膠砂攪拌機(jī)中攪勻，在振實(shí)臺(tái)上振實(shí)，其中每系列糊精用量以對(duì)比樣用水量為標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行微調(diào)來(lái)保證拌合物干濕度合適，每種試樣制備40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試樣兩組，分別測(cè)定28 d和90 d抗壓和抗折強(qiáng)度。試樣在溫度25 ℃、相對(duì)濕度90%條件下養(yǎng)護(hù)后脫模，用NYL-300型壓力試驗(yàn)機(jī)(精度等級(jí)1級(jí))和DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行28 d和90 d抗壓和抗折性能試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 激發(fā)劑對(duì)基本力學(xué)性能影響

同一糊精濃度下不同系列在不同激發(fā)劑作用下的力學(xué)性能結(jié)果如圖2。圖中RS代表抗折強(qiáng)度，CS代表抗壓強(qiáng)度，下同。

圖2 8%～16%糊精濃度下抗壓和抗折強(qiáng)度
Fig.2 Compression strength(CS) and rupture strength(RS) in 8%-16% concentration of dextrin

由圖2(a)可知，糊精濃度為8%時(shí)，激發(fā)劑均可提高抗壓和抗折強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度的增加比抗折強(qiáng)度的大，90 d抗壓和抗折強(qiáng)度的增加比28 d的稍大；灰∶土∶砂為1∶2∶3時(shí)明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復(fù)合材料強(qiáng)度高，但激發(fā)劑對(duì)強(qiáng)度增加幅度減?。划?dāng)灰∶土∶砂為1∶2∶9時(shí)，碳酸氫鈉的效果最好，即H1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為2.7 MPa、4.7 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了69%、88%和100%、120%，硅酸鈉激發(fā)時(shí)糊精乳液用漿量相對(duì)有些少，導(dǎo)致試樣攪拌有些偏干，當(dāng)灰∶土∶砂為1∶2∶3時(shí)，硅酸鈉的效果最好，即S1-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為4.2 MPa、5.1 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了67%、36%和57%、83%。

由圖2(b)可知，當(dāng)糊精濃度為12%時(shí)，除碳酸氫鈉激發(fā)劑使抗壓強(qiáng)度降低外，激發(fā)劑使復(fù)合材料抗壓和抗折強(qiáng)度提高，90 d抗壓和抗折強(qiáng)度增加幅度比28 d的較大；對(duì)相同激發(fā)劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復(fù)合材料強(qiáng)度高；兩系列中硅酸鈉的效果最好，其中S2-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強(qiáng)度最高，分別達(dá)到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa，分別提高了109%、156%和74%、150%，尤其90 d強(qiáng)度提高較大，試驗(yàn)過(guò)程中碳酸氫鈉激發(fā)時(shí)糊精乳液用漿量相對(duì)有些少，導(dǎo)致試樣攪拌有些偏干。

由圖2(c)可知，糊精濃度為16%時(shí)，激發(fā)劑提高了抗折強(qiáng)度，90 d抗壓強(qiáng)度提高幅度降低，對(duì)Ⅰ系列碳酸氫鈉激發(fā)劑提高了抗壓強(qiáng)度，其余對(duì)強(qiáng)度影響不大甚至有所降低，Ⅱ系列中碳酸鈉激發(fā)劑對(duì)強(qiáng)度降低較多；對(duì)相同激發(fā)劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復(fù)合材料強(qiáng)度高，尤其對(duì)無(wú)激發(fā)劑時(shí)的強(qiáng)度提高最多；灰∶土∶砂比為1∶2∶9時(shí)碳酸氫鈉的效果最好，即H3試樣28 d、90 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到3.4 MPa、4.4 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了36%、41%和50%、42%，灰∶土∶砂為1∶2∶3時(shí)碳酸氫鈉和硅酸鈉的效果相當(dāng)，綜合抗壓和抗折強(qiáng)度，硅酸鈉的效果最好，即S3-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到4.1 MPa、5.1 MPa和1.1 MPa、1.1 MPa，分別提高了64%、61%和120%、60%。試驗(yàn)過(guò)程中碳酸氫鈉激發(fā)時(shí)糊精乳液用漿量相對(duì)較少，導(dǎo)致試樣攪拌有些偏干。

總之當(dāng)糊精濃度為8%和12%時(shí)，三種激發(fā)劑在合適的用漿量下都可加快復(fù)合材料凝固固化，提高復(fù)合材料強(qiáng)度，當(dāng)采用硅酸鈉激發(fā)劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3，糊精濃度為12%時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度最好，糊精乳液量建議在270～285 mL之間調(diào)整。當(dāng)無(wú)激發(fā)劑時(shí)，可采用16%的糊精漿液、灰∶土∶砂為1∶2∶3獲得較高強(qiáng)度。

2.2 糊精濃度對(duì)基本力學(xué)性能影響

無(wú)激發(fā)劑時(shí)，不同糊精濃度的復(fù)合材料抗壓和抗折強(qiáng)度如圖3。由圖3可知糊精的加入大大提高了石灰基膠凝材料的強(qiáng)度；灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比比例為1∶2∶9制備的復(fù)合材料強(qiáng)度高；當(dāng)灰∶土∶砂為1∶2∶9時(shí)，強(qiáng)度隨糊精濃度呈棗核型變化，其中12%的糊精濃度效果較佳，即DT12系列28 d和90 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為2.7 MPa、3.5 MPa和0.7 MPa、0.7M Pa，增幅為120%、133%和147%、133%；當(dāng)灰∶土∶砂為1∶2∶3時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨糊精濃度增大而增大，DT16-1系列的復(fù)合材料28 d和90 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為4.4 MPa、5.0 MPa、0.6 MPa和0.8 MPa，增幅為198%、190%和107%、128%。

圖3 無(wú)激發(fā)劑復(fù)合材料28 d和90 d抗壓和抗折強(qiáng)度
Fig.3 Compression strength(CS) and rupture strength(RS) of composite materials without excitation at 28 d and 90 d

由于灰∶土∶砂為1∶2∶3時(shí)制備的復(fù)合材料強(qiáng)度高，故只分析該類試樣有激發(fā)劑時(shí)糊精濃度對(duì)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表2。由表2可知有碳酸鈉和硅酸鈉激發(fā)劑時(shí)，隨糊精濃度的增加，強(qiáng)度增幅呈棗核型，其中12%濃度效果最好，即S2-1組28 d和90 d抗壓和抗折強(qiáng)度最高，分別達(dá)到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa；添加碳酸氫鈉固化劑時(shí)，強(qiáng)度增幅基本相反。綜上所述糊精增加了復(fù)合材料的強(qiáng)度，激發(fā)劑下不同的糊精的濃度影響了強(qiáng)度的變化幅度，建議糊精濃度取為12%。

3 固化機(jī)理分析

基于糊精灰漿的復(fù)合材料中石灰和糊精乳液是主要組成材料，固化機(jī)理是糊精乳液參與下的無(wú)機(jī)膠凝材料石灰的凝結(jié)硬化。傳統(tǒng)的糯米灰漿中，石灰漿中的氫氧化鈣從空氣中吸收二氧化碳而凝結(jié)硬化，糯米漿參與石灰的硬化實(shí)質(zhì)是調(diào)控碳酸鈣晶核的生成，使結(jié)構(gòu)緊密，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度等，本文用糊精乳液的作用類似糯米漿。糯米漿的主要成分是支鏈淀粉，是一個(gè)樹枝形大分子結(jié)構(gòu)，在影響碳酸鈣結(jié)晶度的同時(shí)，由于吸引力大的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將石灰中氫氧化鈣包裹，限制了其與CO2的反應(yīng)[19]，影響了早期強(qiáng)度。本文用糊精主要成分是直鏈淀粉，是線性短鏈分子，對(duì)碳酸鈣晶核的生成有一定影響，但糊精乳液強(qiáng)度較好，滲透性強(qiáng)，加熱后較高濃度的糊精乳液粘性提高，故分布廣泛的羥基可通過(guò)靜電作用吸引Ca2+，加快了碳酸鈣晶體成核與生長(zhǎng)，同時(shí)加入的堿激發(fā)劑也加快了凝結(jié)固化，減小了內(nèi)部凝結(jié)硬化對(duì)后期凝結(jié)的影響，偶聯(lián)劑改善了界面之間的相容性，提高了黏結(jié)力和強(qiáng)度等性能，故糊精乳液在調(diào)控碳酸鈣晶核的生成的同時(shí)，主要是加快了氫氧化鈣的凝結(jié)硬化，提高了基于糊精灰漿的復(fù)合材料的強(qiáng)度。

表2 Ⅱ系列試樣力學(xué)強(qiáng)度Table 2 Mechanical strength of specimens for Ⅱ series /MPa

4 結(jié) 論

通過(guò)加熱并保持溫度80 ℃制備一定濃度的糊精乳液，與一定比例的砂、黏土和石灰混合攪拌，在激發(fā)劑和偶聯(lián)劑作用下制備復(fù)合材料，并對(duì)不同組份的復(fù)合材料進(jìn)行了28 d和90 d抗壓和抗折性能的研究，得到以下結(jié)論：

(1)糊精可提高傳統(tǒng)材料強(qiáng)度，調(diào)整材料中砂的含量和選擇合適的激發(fā)劑可調(diào)整材料強(qiáng)度，且該復(fù)合材料制備方法簡(jiǎn)單易行，力學(xué)強(qiáng)度較高。

(2)當(dāng)灰∶土∶砂為1∶2∶3，糊精濃度取12%，激發(fā)劑采用硅酸鈉時(shí)可獲得良好力學(xué)性能，此時(shí)復(fù)合材料28 d和90 d抗壓和抗折強(qiáng)度最高，分別達(dá)到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa。

(3)試驗(yàn)過(guò)程中糊精乳液用漿量不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致試樣不密實(shí)或試樣固化時(shí)間偏長(zhǎng)，從而影響強(qiáng)度，建議最優(yōu)材料配比時(shí)用漿量在270～285 mL之間調(diào)整。