吳曉君 鄭家榕 張凌霄 王俊杰 武 祺 張玲玲

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

生土因其不需要復雜處理，在過去被廣泛利用。而隨著時代的發(fā)展，生土因其耐水性差、強度低，故其使用發(fā)展受到很大限制，其在房建中逐漸被混凝土、砌體、鋼材替代。而如今，在碳中和、碳達峰、綠色可持續(xù)發(fā)展的大背景下，建筑垃圾污染的不斷加劇，使天然具備綠色環(huán)保性質的生土材料再一次進入了人們的視野。為此，如何改良生土材料原有特性，使其耐水特性以及承載能力得以提高，已經成為解決生土建筑發(fā)展受阻的首要問題。

生土材料的改性包括物理改性和化學改性兩種方式[1]。物理改性通常是根據(jù)土體的性質、結構組成等，摻入級配骨料、纖維狀材料等，通過控制生土材料的含水率，改善其壓實性能，從而提高生土材料的承載能力，但因基體與增強體之間并未產生新物質，在微觀上呈分開狀態(tài)，為此，通常其各項性能只會在原有材料承載范圍內變化，改性幅度有限。化學改性則是在生土材料中摻加膠凝材料、活性混合材料等改性添加劑，使得生土（基體）與水泥（增強體）之間產生界面層，將生土與水泥緊密粘結，不僅能改善改性生土的力學性能，且重組結構的水穩(wěn)定性得到很大提高，各項性能指標均超出原生土材料。

四川省綿陽市屬北亞熱帶山地濕潤季風氣候區(qū)，年均降水量826～1417 毫米，降水充沛，對建筑材料的耐水性能要求較高。經調研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)生土建筑改性大多以傳統(tǒng)膠凝材料水泥、石灰為主，且摻量從5%～22%不等，摻量較高，對環(huán)境影響較大。本文以綿陽某生土建筑為例，在確保改性生土性能滿足要求的基礎上，通過試驗測試與理論分析相結合的方法，通過加入綠色環(huán)保的土壤固化劑EFS，激發(fā)水泥的水化反應，提高改性土性能，降低水泥用量，減少對環(huán)境的污染。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗用土取自綿陽某現(xiàn)場，土樣呈紅棕色，以粉質黏土為主，夾雜少量強風化泥巖塊石，可塑性好，各項指標如表1 所示。

表1 土樣性能指標

1.2 試件配合比方案

根據(jù)CJJ/T 286-2018《土壤固化劑應用技術標準》有關要求以及材料的界面理論設計12 種改性土配合比，研究EFS 與水泥對生土的改性作用，配合比如表1 所示。A 組試件為素土試件; B 組試件為0.01%EFS，水泥含量分別為3%，4%，5%，6%; C 組試件為0.015%EFS，水泥含量分別為3%，4%，5%，6%。d 組試件為0.02%EFS，水泥含量分別為3%，4%，5%，6%。試件分為13 組，每組制作8 個試件，共計104 個試件，各配合比如表2 所示。

表2 固化土配合比 kg·m-3

在進行實驗之前先將生土去除巖石、樹根后進行破碎，然后將材料按配合比混合并攪拌均勻。參照《土工試驗方法標準》 中擊實試驗，將處理好的生土在Φ100mm×100mm 的圓柱形模具中分三層夯實，為了確保接觸界面的強度，每層擊好后，將接觸面做“刮毛”處理。制件完成后將試樣用塑料薄膜覆蓋，并標準養(yǎng)護7d、28d，后測試其無側限抗壓強度以及水穩(wěn)定性。

2 試驗結果分析

2.1 變形性能

素土試件共3 個，破壞過程及破壞形態(tài)相似，現(xiàn)以A-2 試件為例描述其現(xiàn)象和破壞過程。[5]當荷載為破壞荷載的50%時，試件中上部出現(xiàn)第一條裂縫，隨著荷載的增加，裂縫不斷增多，且裂隙發(fā)展方向與壓力方向平行(圖1(a))，繼續(xù)加載，試件出現(xiàn)45°方向貫通裂縫，試件完全破壞。

圖1 素土試件破壞狀態(tài)

摻EFS 固化劑與水泥的試件破壞過程及破壞形態(tài)相似。與素土試件相比，其裂縫出現(xiàn)的的荷載略高,剪切角增大。隨著荷載增加，裂縫上下延伸，同時出現(xiàn)多條較短的橫向裂縫和斜裂縫(圖2(a))，隨著荷載的增加，試件表面開始掉渣、剝落，主要剝落、掉渣與裂縫主要集中在試件的上部(圖2(b))，試件破壞后呈細腰狀態(tài)(圖2(c))，兩頭大中間小。產生此現(xiàn)象是因為EFS 與水泥共同作用把土顆粒膠結在一起，試塊的整體性較好，其塑性破壞特征有所減弱。

圖2 改性試件破壞狀態(tài)

2.2 無側限抗壓強度

為了研究其強度特性，選用HYE-300 型微機電液伺服壓力試驗機，對試件進行無側限抗壓試驗，并記錄試件破壞壓力P，使用下式指標表示改性后生土性能。如下式所示所示。Rc 為試件無側限抗壓強度(MPa);P 為試件破壞時的最大壓力(N);A 為試件截面面積(mm2);RC0.95為試件95%保證率的強度代表值(N);RC為試件無側限抗壓強度平均值(N);S 為標準差;Cv 為變異系數(shù)(%)。

試件7d 無側限抗壓強度計算結果如圖表1 所示。由圖3 可知，D4 組試件7d 無側限抗壓強度較大，離散性較?。籄 組試件7d 無側限抗壓強度小，離散性較大;C1，C2 離散型偏大。隨著水泥用量的增大，試件7d 無側限抗壓強度逐漸增大;我國目前規(guī)范尚且不成熟，本文借鑒了美國的《新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范》，要求7d的無側限抗壓強度不小于1.38Mpa，可知B2,B3,B4,C3,C4,D3,D4 組試件均滿足該要求，其中D4 組試件7d 無側限抗壓強度較高，95%保證率的強度代表值較規(guī)范限值1.38MPa 高75%。

圖3 EFS 摻量和水泥摻量對7d 無側限抗壓強度的影響

試件28d 無側限抗壓強度計算結果如圖4 所示，摻EFS 為0.015%的C 組試件的離散型偏大，隨著水泥摻量的加大，試件28d 的無側限抗壓強度逐漸增大，《新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范》規(guī)定，28d 無側限抗壓強度不小于2.07Mpa，可知B2,B3,B4,C2,C3,C4,D4 均滿足強度要求，其中C3 組強度最高，高出規(guī)范規(guī)定高34.7%。

圖4 EFS 摻量和水泥摻量對28d 無側限抗壓強度的影響

水泥在與生土在EFS 土壤固化劑的作用下，顆粒之間或內部發(fā)生交聯(lián)，且EFS 土壤固化劑改變了土顆粒物理結構，增強了土體穩(wěn)定性、整體性，使得土體抗壓強度提高。[3]當EFS 摻量低而水泥摻量高時，試件抗壓強度隨著水泥摻量增加而增強，如B 組所示。EFS 摻量較高而水泥摻量較低時，由于其催化效果顯著，水泥與土體結合不均勻，使得土顆粒未被完全包裹，且水泥在土顆粒表面結合厚度不均勻，使得C 組離散型偏大，但隨著水泥摻量的增加，土顆粒包裹性有所增強。當EFS 摻量高，而水泥摻量較低時，如D 組。在EFS 催化下，水泥并未均勻與土體混合，而是形成單獨的水泥顆粒，類似于摻入石子，導致水泥與土體膠結差，使其抗壓強度反而較低。

2.3 水穩(wěn)定性

為測試改性后土的耐水性能，進行水穩(wěn)定性試驗。耐水性采用水穩(wěn)定性系數(shù)進行評定。[4]試件在經過標準養(yǎng)護6d 后稱重，然后泡水1d，泡水結束后擦干試件表面水分，并再次稱重，通過測試其泡水后質量吸水率來判斷其耐水性。觀察發(fā)現(xiàn)，經1d 泡水后，試件除了表面泛白，并無其他明顯現(xiàn)象，泛白是因為改性生土在養(yǎng)護過程中會不斷析出水分（這點在正常養(yǎng)護后，薄膜上有一層水分可以體現(xiàn)），改性生土中的可溶性堿隨著水分遷移到生土表面，從試驗結果來看，該現(xiàn)象不會影響土體的的結構與性能。試件水穩(wěn)定性指標根據(jù)《新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范》，要求平均質量吸水率低于2.5%。水穩(wěn)定性試驗結果如圖5 所示。由圖5 可知，B1、D4 試件水穩(wěn)定性較差，其余試件水穩(wěn)定性系數(shù)在1 附近, 高出規(guī)范限值。這是因為加入EFS 土壤固化劑后，其與土顆粒發(fā)生化學反應，將土顆粒由親水性變?yōu)樵魉?，阻止水分進入的同時排出水分，且可以對水泥進行催化，使固化土耐水性得到提高。

圖5 不同EFS 與水泥摻量對改性生土水穩(wěn)定性的影響

3 結論

3.1 C3 組試件(5%水泥+0.015%EFS 土壤固化劑)抗壓性能最好，滿足新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范7d，28d 無側限抗壓強度要求，95%保證率的強度代表值較規(guī)范限值1.38MPa 高。

3.2 B2、B3、B4、C3、C4、D4 滿 足新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范7d無側限抗壓強度要求，當EFS 摻量較高而水泥摻量較低時，由于其催化效果顯著，水泥與土體結合不均勻，使得土顆粒未被完全包裹，且水泥在土顆粒表面結合厚度不均勻，使得試件離散性大，強度反而較低。

3.3 將試件泡入水中，其表層會發(fā)生泛堿，但其內部仍然保持穩(wěn)定，其強度不僅沒有低于未泡水試件，反而有所提高。除B1、D4 試件水穩(wěn)定性較差，其余試件水穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，所有試件的重量增量（即平均質量吸水率）均滿足規(guī)范要求，具有良好的水穩(wěn)定性。

3.4 EFS 土壤固化劑可促進水泥與土顆粒膠結成整體，提高生土的耐水性、強度，從而提高房建方面的應用性能。