硫酸鈉對生土基粘結材料力學性能影響研究

丁蘇金，楊鼎宜，王武祥,吳春麗

(1.揚州大學建筑科學與工程學院，揚州　225009；2.中國建筑材料科學研究總院，北京　100024)

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硫酸鈉對生土基粘結材料力學性能影響研究

丁蘇金1,2，楊鼎宜1，王武祥2,吳春麗2

(1.揚州大學建筑科學與工程學院，揚州225009；2.中國建筑材料科學研究總院，北京100024)

研究了水泥-礦渣-硫酸鈉復合改性生土基粘結材料時，硫酸鈉對生土基粘結材料力學性能的影響，并對配合比參數進行了優化。結果表明：硫酸鈉在水泥-礦渣-硫酸鈉復合改性生土基粘結材料中的增強作用要優于在水泥-硫酸鈉復合改性生土基粘結材料中的增強作用；考察強度增長率時，最優配合比為水泥摻量=0.050～0.075，水泥/礦渣=1.0～3.0，硫酸鈉/(水泥+礦渣)=0.12～0.25；考察抗壓強度時，最優配合比為水泥摻量=0.075，水泥/礦渣=1.0～1.5，硫酸鈉/(水泥+礦渣)=0.12～0.20。

生土； 膠凝材料； 粘結材料； 改性； 力學性能

1　引　言

生土泛指未經焙燒、僅經過簡單加工的原狀土質材料。以生土作為主要建筑材料建造房屋最早可追溯至公元前1萬年[1]，具有造價低廉、取材方便、保溫隔熱等優點，在我國尤其是貧困農村地區房屋建設中，具有相適宜的應用定位和充分的發揮空間[2-4]。近年來，國內外在生土材料改性研究方面已取得顯著進展，但與現代村鎮建筑材料和生土建筑要求尚有差距，主要體現在生土材料物理力學性能和耐久性等方面。

生土材料改性方法主要包括物理改性和化學改性兩種方式，物理改性即摻加一定比例粗細骨料、纖維狀材料等，通過改進施工工藝來改善和提高生土材料性能[5,6]，化學改性則是在生土材料中摻加膠凝材料、活性混合材、化學激發劑等一種或幾種，促使生土材料內部膠結成具有一定強度的硅酸鹽材料，從而提高生土材料物理力學性能和耐久性[7,8]。

本文在實驗室研究基礎上，優選出硫酸鈉作為生土基粘結材料外加劑，將硫酸鈉與生土-水泥-礦渣在不同摻量下復合，制備生土基粘結材料(主要用于生土砌塊砌體的砌筑)，對硫酸鈉-水泥-礦渣改性生土基粘結材料和硫酸鈉-水泥改性生土基粘結材料力學性能進行分析，對水泥、礦渣、硫酸鈉等配合比參數進行優化。

2　試　驗

2.1原材料

生土：陜西黃土，氧化鈣/二氧化硅(鈣硅比)為0.2，粘粒含量10%，顆粒粒度見表1，化學組成見表2；

水泥：唐山冀東水泥廠產42.5R普通硅酸鹽水泥；

磨細礦渣粉：S95級普通礦渣，化學成分見表2；

硫酸鈉：分析純試劑，含量不少于99.5%；

水：北京市自來水。

表1　陜西生土粒度

表2　生土、礦渣化學成分表

2.2試驗方法

成型方法：按設計配合比稱量干粉和水，將干粉倒進攪拌機預拌30s使其混合均勻。緩緩將水倒入攪拌機中，根據經驗及漿體稠度調整并記錄實際加水量，控制漿體稠度在70～80mm之間。按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ/T70-2009)成型70.7mm×70.7mm×70.7mm試件，成型后試件在(20±5) ℃的室內環境養護48h后脫模，在標準養護條件下繼續養護至28d。

稠度測試方法：按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》測定生土基粘結材料漿體稠度，稠度不滿足要求的漿體重新制備。

抗壓試驗方法：取出養護至規定齡期的試件，立即放入鼓風干燥箱內，在(40±2) ℃，鼓風條件下干燥至含水率為27%±4%，冷卻至室溫后測試抗壓強度。

2.3配合比設計

水泥和礦渣摻量均為2.5%、5.0%、7.5%，硫酸鈉摻量為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%(質量分數)。用水量以控制漿體稠度在70～80mm之間時實際用水量為準，一方面保證生土基粘結材料施工性能，另一方面增加試驗結果可比性。

3　結果與討論

3.1硫酸鈉-水泥-礦渣復合改性生土基粘結材料力學性能分析

強度增長率反映了生土基粘結材料的改性效率，但討論強度增長率時，試件強度基數較小會造成強度增長率偏高，生土建筑設計、建造、使用過程中，生土基粘結材料抗壓強度對建筑安全至關重要，因此本文使用強度增長率和抗壓強度作為生土基粘結材料力學性能分析的評價指標。

水泥摻量為2.5%、5.0%、7.5%時，硫酸鈉對生土基粘結材料抗壓強度及強度增長率的影響見圖1～3。由圖可見，隨著硫酸鈉摻量逐漸增加，粘結材料抗壓強度呈現逐漸增大的趨勢。

圖1　水泥摻量為2.5%時硫酸鈉對粘結材料抗壓強度及強度增長率的影響Fig.1　Effect of sodium sulfate on compressive strength and strength growth rate of bonding materials with cement content of 2.5%

圖2　水泥摻量為5.0%時硫酸鈉對粘結材料抗壓強度及強度增長率的影響Fig.2　Effect of sodium sulfate on compressive strength and strength growth rate of bonding materials with cement content of 5.0%

圖3　水泥摻量為7.5%時硫酸鈉對粘結材料抗壓強度及強度增長率的影響Fig.3　Effect of sodium sulfate on compressive strength and strength growth rate of bonding materials with cement content of 7.5%

圖1所示水泥摻量為2.5%。礦渣摻量5.0%時，硫酸鈉摻量變化對粘結材料強度基本沒有影響，最大強度為4.0MPa。當礦渣摻量為7.5%，硫酸鈉摻量大于1.5%(含1.5%)時，粘結材料強度隨硫酸鈉摻量增加出現明顯增長，當硫酸鈉摻量為2.5%時有最大強度6.4MPa，此時強度增長率為44%。圖2所示水泥摻量為5.0%，礦渣摻量分別為2.5%、5.0%、7.5%。當礦渣摻量從2.5%增加至5.0%，粘結材料最大強度從3.8MPa增加至5.6MPa，強度增長達47%，當礦渣摻量為7.5%時，最大強度為6.4MPa，強度增長率為14%，可見水泥和礦渣摻量均為5.0%時，硫酸鈉對粘結材料強度有較好的提升效果。水泥摻量5.0%，礦渣摻量7.5%時，粘結材料最大強度有所增長，但是強度增長率下降，且增加2.5%礦渣使粘結材料成本增大，不利于在貧困地區推廣。圖2b中，水泥摻量5.0%，礦渣摻量2.5%，硫酸鈉摻量0.5%～2.0%時，強度增長明顯，增長率為29%～41%；水泥摻量5.0%，礦渣摻量為5.0%和7.5%時，強度增長率出現明顯下降，硫酸鈉摻量從0.0%到2.5%，試件的最大強度增長率僅為18%，強度增長率變小，一方面是由于試件強度基數變大，一方面也可能是因為改性效果變差導致。當水泥摻量為7.5%時(圖3)，抗壓強度-硫酸鈉摻量曲線基本平行，說明硫酸鈉對此三組粘結材料強度影響相似。圖3b中，礦渣摻量2.5%時，強度增長率隨硫酸鈉摻量增加顯著提高，礦渣摻量5.0%和7.5%時，強度增長率變化相似，且最大強度增長率大于水泥摻量5.0%時最大強度增長率，說明水泥摻量為7.5%時，硫酸鈉能更好的改善粘結材料強度。當水泥、礦渣摻量均為7.5%，硫酸鈉摻量為2.5%時，粘結材料有最大抗壓強度11.2MPa，與未摻硫酸鈉時粘結材料抗壓強度7.9MPa相比，強度增長41%。當水泥摻量為7.5%，礦渣摻量為2.5%，硫酸鈉摻量為2.0%時，有最大強度增長率66%，硫酸鈉對粘結材料抗壓強度提升顯著。

綜上所述，為顯著提升生土基粘結材料力學性能，硫酸鈉摻量以1.0%～2.5%為宜，水泥摻量5.0%～7.5%為宜，礦渣摻量2.5%～5.0%為宜，有0.050≤C≤0.075，1.0≤C/S≤3.0，0.12≤Na/(C+S)≤0.25，C為水泥摻量，S為礦渣摻量，Na為硫酸鈉摻量。

3.2硫酸鈉-水泥復合改性生土基粘結材料力學性能分析

圖1～3中，最大抗壓強度為11.2MPa，此時水泥、礦渣摻量均為7.5%，膠凝材料總量為15%。為對比硫酸鈉對水泥-礦渣復合改性生土基粘結材料和水泥單摻改性生土基粘結材料力學性能的影響，研究了水泥摻量15%時，硫酸鈉對粘結材料抗壓強度的影響，見圖4。

圖4　硫酸鈉對粘結材料強度的影響Fig.4　Effect of Na2SO4 on compressive strength

由圖4可見，硫酸鈉摻量由1.25%增到2.0%，生土基粘結材料強度從7.8MPa增到9.7MPa，強度增長率達24%。隨著硫酸鈉摻量由2.0%增到3.0%，粘結材料強度基本不變，當硫酸鈉摻量由3.0%增到3.5%時，粘結材料抗壓強度開始下降。可見，硫酸鈉摻量取2.0%較為適宜，此時粘結材料強度為9.7MPa，繼續增大硫酸鈉摻量收效甚微，甚至可能因為硫酸鈉過飽和，影響粘結材料改性效果，硫酸鈉摻量過大還會使試件表面出現鹽析現象，影響美觀。

以抗壓強度作為評價指標，硫酸鈉-水泥復合改性生土基粘結材料的最大抗壓強度為9.7MPa，小于硫酸鈉-水泥-礦渣復合改性生土基粘結材料的11.2MPa，說明硫酸鈉對水泥-礦渣復合改性生土基粘結材料的改性效果要優于水泥單摻改性生土基粘結材料。

對于普通硅酸鹽水泥，石膏摻量是決定水泥水化產物類別、數量及C3A水化速率的主要因素。在水泥水化過程中，水化鋁酸鈣能與石膏溶解的硫酸根離子反應生成鈣礬石。當硫酸根離子含量較少時，水泥中剩余未完全水化的C3A，水化鋁酸鈣會與鈣礬石反應生成單硫型水化硫鋁酸鈣。當硫酸根離子含量極少，在所有鈣礬石都轉化成單硫型水化硫鋁酸鈣后，可能還有C3A剩余，在這種情況下，可能會生成單硫型固溶體和C4AH13[11]。，不利于粘結材料強度發展。摻加硫酸鈉后，硫酸鈉在粘結材料漿體中遇水易電離出硫酸根離子，促使粘結材料中鈣礬石生成量增加，提高粘結材料強度。

4　結　論

(1)硫酸鈉在生土基粘結材料內能起到硫酸鹽激發和堿激發的雙重作用，增加粘結材料抗壓強度。在膠凝材料總量相同的情況下，硫酸鈉-水泥-礦渣復合改性生土基粘結材料的增強作用優于硫酸鈉-水泥復合改性生土基粘結材料。對于硫酸鈉-水泥-礦渣復合改性生土基粘結材料，水泥摻量大于礦渣摻量時，硫酸鈉對粘結材料的增強作用更顯著；

(2)當0.050≤C≤0.075，1.0≤C/S≤3.0，0.12≤Na/(C+S)≤0.25時，生土基粘結材料有較大強度增長率，當C=0.075，C/S=3.00，Na/(C+S)=0.20時，有最大強度增長率66%。當C=0.075，1.0≤C/S≤1.5，0.12≤Na/(C+S)≤0.20時生土基粘結材料強度較大，當C=0.075，C/S=1.0，Na/(C+S)=0.17時有最大抗壓強度11.2MPa。

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AnalysisonStrengthofModifiedRawSoilBondingMaterialsInfluencedbySodiumSulfate

DING Su-jin1,2,YANG Ding-yi1,WANG Wu-xiang2,WU Chun-li2

(1.CollegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China;2.ChinaBuildingMaterialsAcademy,Beijing100024,China)

Basedonthemodifiedrawsoilbondingmaterialofcement-slag-Na2SO4,theeffectofsodiumsulfateonmechanicalpropertiesofbondingmaterialwasinvestigatedandthematchingparameterswereoptimized.Theresultsindicatethatsodiumsulfatehasbettereffectonmodificationofcement-slag-Na2SO4thanmodificationofcement-Na2SO4.Whileinvestigatingstrengthgrowthratio,theoptimumproportionofbondingmaterialsiscement=0.050-0.075,cement/slag=1.0-3.0,Na2SO4/(cement+slag)=0.12-0.25.Theoptimumproportioniscement=0.075,cement/slag=1.0-1.5,Na2SO4/(cement+slag)=0.12-0.20whileinspectingcompressivestrength.

rawsoil;cementingmaterial;bondingmaterial;modification;mechanicalproperty

國家科技支撐計劃課題(2014BAL03B03)

丁蘇金(1989-)，男，碩士研究生.主要從事建筑材料方面的研究.

楊鼎宜，教授，博導.

TU5

A

1001-1625(2016)01-0204-05