生土改性材料基本配比及微觀分析

高東

摘要：本文利用脫硫建筑石膏、礦粉和石灰等改性生土材料，并添加適量的外加劑，分別采用澆筑成型和壓制成型兩種成型方式，以提高強度為主要目標對改性材料的配比做正交試驗分析，得到較好配合比分別為，脫硫建筑石膏22.95%，礦粉2.78%，石灰2.23%。材料經過改性后抗壓強度可提高2～4倍，其中，壓制成型的強度明顯優于澆筑成型。

關鍵詞：改性 生土材料 生土建筑 強度 耐水性

1 基本配比的可行性試驗方案

1.1 基礎配比 查閱相關資料，對生土改性材料種類和配比進行基礎實驗，其中澆注成型：參照GB/T 17671-

1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》成型。根據文獻資料和前人所做的試驗，分析各種改性材料的特性，并確定改性材料的基本配比。保持粘土總量為100，改變A（脫硫石膏）、B（礦粉）、C（石灰）、D（水泥）、E（硫鋁酸鹽水泥）、F（外加劑）、G（秸稈）的摻量，基礎配比為：①脫硫石膏摻量為三個級別：A1：20%，A2：36.7%，A3：38.9%；②礦粉摻量為三個級別：B1：4.4%，B2：13.3%，B3：20%；③石灰摻量分為二個級別：C1：3.6%，C2：8%；④水泥摻量分為二個級別：D1：4.4%，D2：13.3%；⑤硫鋁酸鹽水泥摻量分為一個級別：E1：1.8%；⑥外加劑的種類：F1：2g硫酸鋁鉀，1g氫氧化鈉，1g硫酸鈉，1g硅酸鈉，0.5g氯化鋇；F2：1g氫氧化鈉，1g硼酸銨，1g碳酸鋰；F3：4g硫酸鋁鉀，1g氫氧化鈉，2g硫酸鈉，2g硅酸鈉，1g氯化鋇；⑦秸稈的摻量分為二個級別：G1：1.1%，G2：3.2%；⑧試驗的水固比為0.32；⑨澆筑成型。

1.2 試驗結果 膠凝材料加水拌和后制成40mm×40mm×160mm的試件，在（25±3）℃下室內自然養護一天，在（60±1）℃水泥砼養護箱中養護一天，再放入（50±1）℃電熱恒溫干燥箱中，待試件干燥測其3d、7d和28d的強度。強度測試按照GB/T9776-2008《建筑石膏》標準執行。

考核目標是試件3d、7d和28d抗折和抗壓強度以及28d的吸水飽和強度。考慮生土材料的耐水性非常重要，而且一般強度和耐水性是呈正比例關系，通過測量試件的28d的抗壓和抗折強度進行結果的討論，由于實驗的影響因素較多，所以實驗中采用單因素實驗法，所做實驗如表1所示，得出實驗結果如表2所示。

由表1和表2可知，不摻加改性材料時（1組），試樣的抗折、抗壓強度較低，試樣在水中浸泡不到30min就完全潰散，說明純土材料的耐水性差；根據文獻資料，分別做了2、3和4組實驗，實驗結果表明，三種改性材料對生土的強度有一定程度的提高，但秸稈與各種材料的結合性不好，對實驗結果影響較大，改性材料配比有待進一步改善；5、6、7和8組中，增加了改性材料的種類，同時添加了外加劑，主要分析外加劑的種類和用量對試樣性能的影響，結果表明當外加劑為F1時，試樣的各項性能較好；在以上實驗的基礎上，又分別進行了9和10組的實驗，結果表明，秸稈與改性材料的相容性很難解決，而外加劑對實驗也有一定的負面影響；結合實驗結果，可以得到較好的改性配比為A2B1C1D2E1，即36.7%的脫硫石膏、4.4%的礦粉、3.6%的石灰、13.3%的水泥、1.8%硫鋁酸鹽水泥。

壓制成型時，改性材料的配比不變，但水灰比為0.12時，實驗結果較好，總的來說壓制成型脫模時間較短、力學性能也有所提高，這是因為擠壓大大增加了土的強度和耐水性，并且擠壓可縮短顆粒間距，增加顆粒接觸面積和數量，從而增強顆粒間的結構連結。壓制成型更利于大規模生產，有利于改性生土建材的推廣。

2 微觀分析

試驗中，各種不同配比試樣的水灰比和養護條件相同，但其力學性能和耐水性卻有很大的差異；因此，對幾個典型試樣進行微觀分析，通過其中不同的水化產物和產物的含量，從而來分析試樣性能的差異。

實驗分別對1號、3號和8號試樣進行微觀分析，其微觀圖譜和成分分別如圖1、圖2和圖3所示。

由圖1可知，純生土試樣的XRD圖譜與生土原料的XRD圖譜相似，基本沒有發生水化反應。

由圖2和圖3可知，由于改性材料的加入，水化反應的產物使生土材料的力學性能和耐水性有了很大的提高，改性生土材料是由松散多孔的土體經改性材料作用轉化而來的，欲使其獲得較高的強度，改性材料應具有膠結土粒及填充孔隙兩方面的作用。

3 結論與展望

①本文進行了利用脫硫石膏、礦粉、水泥、硫鋁酸鹽水泥和石灰改性生土材料的實驗研究。②需要對純生土材料進行2～3d的凝結硬化處理；單摻脫硫石膏時，隨著脫硫石膏摻量的增加改性生土材料的凝結時間顯著縮短。③泡水不到30min純生土材料就完全潰散，由于脫硫石膏本身不具有耐水性，在這種情況下，單摻脫硫石膏浸入水中就會潰散。

下一步工作展望：

①需要更進一步改善改性材料對生土材料的性能，增強耐水性能。②雖然較大地提升了改性生土材料的力學工程性能，但是還有待進一步研究墻體材料的熱工、吸濕等功能。③由于沒有相應的設計規范與施工標準，導致新型生土材料的推廣和研究受到不同程度的限制。④需要進一步實驗，降低改性材料的種類和用量，以降低成本，有利于生土材料的應用與推廣。

參考文獻：

[1]王琴.生土材料的改性研究[D].重慶大學，2009（05）.

[2]趙永巧.淺談土壤固化劑的發展與固化機理研究[J].水利科技與經濟，2005（10）.

[3]黃新，胡同安.水泥-廢石膏加固軟土的試驗研究[J].巖土工程學報，1998（10）.