吹填土生態膠凝材料制備及力學性能的研究

□文/曲 烈 李 劍 張 娜 孫樹棟 楊久俊 曹夢婷

吹填土生態膠凝材料制備及力學性能的研究

□文/曲 烈 李 劍 張 娜 孫樹棟 楊久俊 曹夢婷

研究了無機固化劑摻量對吹填土生態膠凝材料力學性能的影響及固化機理。通過對天津濱海新區吹填土中摻入50%自配不同無機固化劑，測定試件抗壓強度并采用超景深電鏡、X RD對吹填土生態膠凝材料微觀結構進行分析。結果表明，摻水泥和膨脹劑復合固化劑的吹填土生態膠凝材料力學性能明顯優于未摻試件，微觀結構分析說明其中產生大量的C-S-H凝膠和A Ft并且隨著固化劑摻量增加，該水泥力學性能明顯提高。當水泥和膨脹劑摻量為50%時，試件抗壓強度達到了35.8 M Pa，說明該膠凝材料是一種新型生態水泥。

吹填土；生態膠凝材料；制備；固化作用；強度；力學性能

為保持生態環境，人類很早就學會了將生土材料應用于建筑。以生土為原料，經過處理制成建筑材料，使用后的材料經過粉碎后可撒入土中，進入當地的循環系統，減少資源及環境負荷，這種材料是其他材料無法取代的。另一方面隨著天津濱海新區建設發展，土地資源日趨緊張，而新區建設又需要大量的建筑材料，濱海新區沉積淤泥即吹填土和難種植植被的鹽漬土則可能成為被利用的建筑材料，因而吹填土改性研究是天津濱海新區建設中必須解決的實際技術課題[1～3]。

吹填土類似鹽漬土，在其被吹填過程中，泥砂的組織結構受到破壞并以細小顆粒的形式緩慢沉積而成，具有塑性指數大、孔隙比大、高壓縮性、滲透性小的特點；這些材料本身缺陷將影響吹填土作為生土建筑材料的利用，因而對吹填土建筑材料的激發改性是必不可少的。吹填土激發改性是指通過一定的工藝，向生土中加入激發材料，利用生土材料內部發生的一系列物理化學反應讓土粒膠結，從而改變生土材料的原有結構和性質，達到增強其物理力學性能的目的。國內外學者正在研究對其進行無機改性、有機改性，但是這些研究目的大多都是將改性后的生土材料用于道路或路基等[4～6]，故得到的試驗結果強度均較低，其改性材料不適合作為生態膠凝材料來使用。本文旨在研究以生土為主的復合膠凝材料結構與性能。通過對天津濱海吹填土中加入不同摻量固化劑，測試其改性土體前后材料抗壓強度和微觀結構，研究固化劑摻量對復合膠凝材料性能改善程度，使之能夠達到或接近普通水泥的力學性能，為其在城市和鄉村建設中的應用提供理論基礎和實踐依據。

1 材料及試驗方法

1.1 原料與儀器

所用吹填土取自天津濱海新區臨港經濟開發區臨海公路旁。吹填土經球磨機粉磨30 min后，平均粒徑為9.26 μm。利用熒光分析吹填土的化學組成，得知吹填土中氧化物成分主要是種氧化物總含量達到70%以上，SiO2含量為48.67%。通過超景深電鏡照片發現，吹填土大部分由大小不一的結晶顆粒組成，其中主要是無色結晶微粒；經XRD圖譜分析，主要含有石英、鈉鉀長石等。所用的42.5號普通硅酸鹽水泥為天津振興水泥廠生產的，所用的萘系減水劑系天津飛龍混凝土減水劑廠生產的，所用的UEA低堿砼膨脹劑是天津豹鳴建筑材料廠生產的。

試驗儀器和設備：水泥凈漿攪拌機、試驗用球磨機、燒杯（500 mL）、電子稱(精確至 0.1 g)、量筒（250 mL和10 mL）、玻璃棒、水泥凈漿成型養護模具、振實臺、JYE-300A型全自動恒壓力機、DKZ-5000型水泥抗折試驗機、水泥快速養護箱、40 mm×40 mm×160 mm鋼模、水泥標準養護箱。強度測試參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行。

1.2 材料配方設計和制備

1）材料配方設計。單摻水泥生態膠凝材料組水泥摻量分別為 30%、35%、40%、45%、50%，水灰比為 0.25；復摻水泥和膨脹劑生態膠凝材料組水泥摻量為38%、40%、42%，膨脹劑為 12%、10%、8%，水灰比為 0.2 和 0.25，1%減水劑。材料制備按GB/T 17671—1999進行，養護制度為靜停-干熱養護，室溫靜停1 d脫模后，80℃養護1 d至試驗日期。

2 試驗結果分析

2.1 水泥和膨脹劑對吹填土生態膠凝材料抗壓強度的影響

水泥摻量由0增加到30%時，試樣強度稍有提高，但是幅度并不是很大；但摻量為30%～35%試樣強度明顯提高增加了近1倍；之后當水泥摻量在40%～45%間試樣強度達到20 MPa；當水泥摻量為50%時，試樣強度達到25.2 MPa，見圖1。隨著水泥摻量的增加，試樣強度大幅度增加，其原因主要是土體通過化學改性，內部的水泥發生水化反應，即水泥顆粒、吹填土和水相遇后，水泥礦物與水發生水化反應，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣及鈣礬石將土體粘結在一起而使得強度提高。

另外，當水灰比為0.25時，膨脹劑摻量為8%試塊抗壓強度達到32 MPa；當摻量＞10%時，試塊抗壓強度呈下降趨勢；當膨脹劑摻量超過10%時，抗壓強度又有所上升；而當水灰比為0.20時，膨脹劑摻量從8%到10%，試塊抗壓強度呈上升趨勢，在10%達到最大值35.8 MPa，但當摻量繼續增加試塊抗壓強度又開始大幅下降；當膨脹劑摻量為10%時，水灰比為0.20的試塊強度比水灰比為0.25的高很多，見圖2。

綜合考慮選取膨脹劑適宜摻量為8%～10%。摻膨脹劑提高強度的原因是增加了膨脹組分，即鈣礬石溶解度小且易結晶析出，結晶后體積增加顯著，能充填于土壤顆粒中的毛細孔、顆粒間隙孔中，使土的孔隙體積減??；當水灰比為0.20時，水泥-土體內部的密實性較高故而強度進一步增加。

2.2 水灰比和減水劑對吹填土生態膠凝材料抗壓強度的影響

水灰比在0.21時，抗壓強度達到35.2 MPa，但是水灰比為0.22時，強度卻下降很大，之后水灰比從0.22增加到0.24時試塊的抗壓強度又有大幅上升的趨勢，再到水灰比為0.25時，強度又開始略微下降，見圖3。

水灰比越大，成型時流動性越好，但試樣抗壓強度減少。水灰比為0.22時，試塊強度下降的原因可能是由于振動成型中出現的誤差。綜合考慮選擇水灰比為0.25。

摻加減水劑，可提高吹填土生態膠凝材料的分散、流動性能，使得水泥和土壤粒子保持分散狀態。當減水劑摻量從1.0%增加到1.6%，試塊抗壓強度隨之增加，見圖4。

圖4 減水劑對吹填土生態膠凝材料抗壓強度的影響

綜合考慮減水劑的最佳摻量選為1.0%～1.5%。

2.3 砂灰比對吹填土改性砂漿抗壓強度的影響

當砂灰比為0.5時，試塊抗壓強度為23.1 MPa，但隨著砂灰比增加到0.8時強度略微下降，當砂灰比繼續增加到1.0時強度下降更大，而當砂灰比增加到1.5時試塊強度又開始大幅上升，見圖5。

綜合考慮最佳砂灰比選擇為1.5。砂子在土體中不僅起到填充的作用，而且起到限制體積變形的作用。具體地說，土壤的彈性模量小于砂子的彈性模量，受壓時砂子起到限制橫向變形和剛性骨架的作用，而水泥-土則起到膠結作用，將剛性骨架砂子連接在一起共同承力。因此設計土基改性材料配比時，應充分考慮砂灰比對生土材料強度和彈性模量的影響。

2.4 微觀結構和固化機理分析

本研究采用的土壤固化機理主要為綜合固化作用，既有物理化學作用又有化學作用。物理化學作用主要表現為摻加減水劑的分散作用；化學作用主要表現為水泥和膨脹劑固化組分的水化反應以及與土壤顆粒之間的反應機理[7～9]。通過超景深電鏡對摻入固化劑的土樣顯微結構進行了測試，見圖6和圖7。

可以看到，摻水泥的土體內部還有大量的孔隙且土體顆粒間連接松散；摻入膨脹劑后，有針狀或管狀的鈣礬石填充在土的顆粒之間或附在顆粒表面，將土的顆粒結成整體使試件強度有了很大提高。

XRD分析結果表明，摻膨脹劑試樣中生土改性材料將形成更多CSH凝膠及AFt水化產物，說明試樣強度不僅決定于水化產物的多少，還決定其水化產物的種類；摻膨脹劑增加AFt，將有利于強度的提高。當膨脹劑摻量為 8%、10%、12%時(1%減水劑，0.25 水灰比)，吹填土生態膠凝材料中水化后主要產物是C-S-H凝膠、鈣礬石和Ca(OH)2結晶，還有一定的碳酸鈣；隨著膨脹劑摻量增多，石英的衍射峰略微下降，鈣礬石衍射峰逐漸上升。在30°左右處存在非晶物質為C-S-H凝膠，見圖7。

3 結論

1）吹填土生態膠凝材料的最佳配方為水灰比0.25，減水劑摻量 1.0%，膨脹劑摻量 10%，水泥摻量40%；試樣放置在80℃下干熱養護1 d，其最高抗壓強度可達35.8 MPa。

2）摻膨脹劑和水泥的吹填土生態膠凝材料試樣將生成C-S-H凝膠和AFt晶體，土體內部顆粒間空隙減少，使得試塊密實；摻減水劑后，可減少水灰比并使得土體內部顆粒分布更密實。

3）當水灰比為0.25，灰砂比為0.5時，吹填土改性砂漿強度抗壓強度達到26.6 MPa。

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□李 劍、張 娜、孫樹棟、楊久俊、曹夢婷/天津城市建設學院材料科學與工程學院。

TU521.3

C

108-3197（2012）06-22-03

國家自然科學基金(50772071、50972099)、天津市高等教育科技發展基金計劃項目(20110910)和天津城市建設學院2011年學生科研立項項目部分資助。

2012－09－23

曲 烈/男，1958年出生，副教授，天津城市建設學院材料科學與工程學院，主要從事生態建筑材料研究。