水玻璃改性生土試塊性能及機理研究

劉志華　馬軍濤天津城建大學材料科學與工程學院（300384）華北水利水電大學土木與交通學院（450045）

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水玻璃改性生土試塊性能及機理研究

劉志華1馬軍濤2
1天津城建大學材料科學與工程學院（300384）2華北水利水電大學土木與交通學院（450045）

摘要：本試驗使用水玻璃與水泥熟料復摻對生土材料進行改性試驗，研究其對生土試塊強度的影響規律和改性機理。試驗結果表明，生土試塊中的水玻璃和水泥在水化過程中生成的凝膠，可改善土體的穩定性，增強土體內部結構黏結和抗變形能力，從而提高土體的強度。

關鍵詞：生土材料；強度；水玻璃；改性機理

1　研究背景

生土墻體材料是一種傳統的建筑材料，但由于強度原因在近年來越來越多被取代。但鑒于資源與環境的雙重壓力，生土材料以及生土改性材料仍為目前國內外研究的熱點之一［1］，將生土材料通過改性作為生態建材，需通過物理和化學改性技術加以實現。水玻璃是堿激發工業廢渣膠凝材料中的一種重要原料，而堿激發工業廢渣膠凝材料被認為是一種具有極大開發價值和應用前景的環境友好型膠凝材料［2］。以水玻璃為主劑的硅化法在我國西北地區處理黃土濕陷施工中被廣泛應用。硅化法就是利用注漿設備或無壓自滲方式將水玻璃為主劑的溶液灌注、滲透到巖土體中，進行地基加固的化學注漿技術［3］。

本試驗使用水玻璃對生土材料進行改性，同時研究了水玻璃與水泥復摻時生土材料的性能，并通過微觀手段對其機理進行分析。

2　試驗過程

試驗用水玻璃原液模數為3，呈淡黃色液體狀。表1列出了試驗樣品的混合物組成，表2列出了試驗樣品的混合物組成，將混合物攪拌與生土按照0.24的水膠比攪拌均勻，將拌合料裝入40 mm×40 mm×40 mm的模具內振搗成型。試塊成型后，用保鮮膜包好，24 h后拆模，然后將試樣放在自然條件下（溫度20±3℃，濕度約為50％）養護7 d后進行抗壓強度測試。

表1　水玻璃摻量及生土試塊的力學性能

水玻璃出廠貯存后逐漸出現老化現象，一般大致損失30％～35％的黏結強度，限制了水玻璃的應用，縮短了水玻璃使用時間。單用水泥改性生土也有缺點，所以試驗考慮使用水泥熟料和水玻璃復摻對生土材料進行改性。表2列出了試驗樣品的混合物組成，按照上述同樣方法成型、養護并測試。

表2　水玻璃、水泥復摻配合比及生土試塊的力學性能

3　試驗結果及分析

單摻水玻璃生土試塊7 d抗壓強度曲線如圖1。由圖1所示可以看出，摻入水玻璃可以提高生土試塊的抗壓強度，但是隨著水玻璃摻量的增加，其抗壓強度會降低。這是因為水玻璃摻入土料中會發生如下反應過程：水玻璃中的堿性離子和水溶液中的氫離子之間進行離子交換，由于過剩羥基離子的產生而使溶液呈堿性；水玻璃在空氣中反應形成無定型硅酸，逐漸干燥硬化，固化膜表面覆蓋有硅氧醇基保護層。此外，水玻璃溶液會與土中的堿土金屬易溶鹽如CaCl2、MgCl2發生化學反應，生成水合硅酸鈣（鎂）凝膠。生成的凝膠有堵塞毛細孔隙而防止水滲透的作用，凝膠薄膜包覆在土顆粒表面，將土顆粒黏結在一起，增強了土顆粒間的連接力，改善制品強度。但是當水玻璃摻量過多時，硅酸凝膠對制品內部孔隙形成的應力，反而會引起制品強度的降低，所以水玻璃摻量為20％的制品7 d抗壓強度相對降低。

圖1　試塊抗壓強度與水玻璃摻量的關系

水玻璃與水泥復摻生土試塊7 d抗壓強度曲線如圖2。根據測試結果可以看出，復摻水泥和水玻璃后生土試件抗壓強度均有一定的提高。對比C1和C2、C2和C3均可以發現在摻量適當的情況下提高某一成分的摻量均會增加其強度。對比B3和C3或者B2和C2均可發現，復摻情況下的增強效果要大于單摻的效果。

圖2　試塊抗壓強度與水泥熟料水玻璃摻量的關系

這是因為利用外摻法將兩者同時加入生土材料中，水泥熟料、水玻璃間與土體間產生一系列的物理、化學反應：

1）水泥熟料和水玻璃的化學反應

水泥的水解產物為氫氧化鈣，水玻璃與氫氧化鈣產生化學反應形成一定強度的凝膠體—水化硅酸鈣（Ca（OH）2+ NaO·nSiO2+ mH2O = Ca·nSiO2· mH2O + NaOH）。

圖3　C2試塊的超景深圖片

2）水泥熟料的水化反應

該反應形成一定強度的凝膠體—水化硅酸鈣。所形成的凝膠體把黏土顆粒、水泥、水玻璃等牢牢地凝固在一起，土體被加固并板結變硬，提高了生土的強度（如圖3）。由上述反應看出，水泥水化及其與水玻璃反應后所得產物大致相同，但水玻璃與水泥的反應速度比水泥水化反應要快，因此水泥熟料—水玻璃復摻凝膠時間較短，相對增強效果要比單摻效果好。

4　結論

通過單摻水玻璃與復摻水泥、水玻璃分別對生土材料進行改性，分析其強度增減規律，得到結論如下：

摻水玻璃的生土基試塊抗壓強度隨著摻量的升高而升高，但是其摻量應控制在合適范圍內，過多反而會降低生土基試塊抗壓強度的增強效果。

水泥熟料和水玻璃等無機膠凝材料抗壓強度的增強機理都是在固結生土的過程中發生水化反應，生成不同的水化凝膠，凝膠的干燥硬化可以增強土體內部結構黏結和抗變形能力，從而提高土體的強度。

水泥與水玻璃復合摻加時效果優于單摻水玻璃對生土材料的改性效果。

參考文獻：

［1］金蕾.云南傳統民居墻體營造意匠［D］.昆明：昆明理工大學，2004.

［2］Roy Della M. Alkali- activated cements：Opportunitiesand challenges［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（2）：249- 254.

［3］吳昊.水泥-水玻璃雙液注漿在砂質粉土地基處理上的應用［J］.中國水利，2013（22）.