膠凝材料對鹽漬土改性材料力學、耐久性能的影響

劉志華 李鵬 曲烈 李園楓 王超 張文研 康茹茹

1天津城建大學材料科學與工程學院（300384） 2河南省散裝水泥辦公室（450000）

膠凝材料對鹽漬土改性材料力學、耐久性能的影響

劉志華1李鵬2曲烈1李園楓1王超1張文研1康茹茹1

1天津城建大學材料科學與工程學院（300384） 2河南省散裝水泥辦公室（450000）

擬在前人研究的基礎上，研究了膠凝材料對鹽漬土改性材料性能的影響，并通過微觀分析手段，研究其作用機理，以達到提升生土材料性能的目的，為我國新農村建設的發展作出貢獻。

鹽漬土改性；力學性能；耐久性能；改性機理

0 引言

在農村傳統建筑中,生土材料具有悠久的歷史，我國至今尚有1億人口居住在生土建筑中。生土材料具有就地取材、易于施工、造價低廉、冬暖夏涼、節省能源、有利于環境保護和生態平衡等優點。我國鹽漬土分布范圍較廣的生土，總面積約為99萬平方公里，而生土墻體受到風雨侵蝕后很容易造成墻體開裂，墻根堿蝕，因此，加強對鹽漬土改性的研究對我國新農村建設具有深遠意義。

陳淵召[2]研究發現，利用石灰、水泥改性鹽漬土，可提高鹽漬土黏聚力；復摻水泥后，鹽漬土材料的凍融循環強度損失率下降了12%，改善了其抗凍性。賈那·托留汗[3]研究發現，加固鹽漬土時石灰對鹽漬土的改性效果優于等量的水泥，且石灰改性鹽漬土時無側限抗壓強度、抗凍性隨時間增長而增強。駱昊舒[4研究發現，石灰與水泥復摻固化鹽漬土時，無側限抗壓強度、抗凍性優于水泥單摻固化鹽漬土。

韓亞兵[5]研究發現，使用石灰、粉煤灰復摻改性渤海鹽漬土，粉煤灰摻量增加時鹽漬土材料的無側限抗壓強度增加。劉成斌[6]將礦渣、菱苦土、建筑石膏、生石灰進行復配，制備了一種礦渣復合固化劑，并對鹽漬土進行了改性研究。劉成斌研究發現，與水泥土相比，礦渣復合固化劑能夠良好地吸收Cl-和SO4-，進而提高其水穩性和抗海水侵蝕能力。林清華[7]在工程試驗中利用熟石灰、鹽漬土、石子配置三合土作為建筑地基，并研究了其抗壓強度。林清華研究發現，石灰與鹽漬土的體積比為2∶7時，抗壓強度最高。潘陽[8]等人利用自制的不含鈣元素固化劑固化鹽漬土，試驗發現自制固化劑反應時可吸收鹽漬土中的氯離子，從而提高固化土的水穩定性。

楊久俊[9]等利用氫氧化鈉-水玻璃復合堿溶液激活鹽漬土制備土質膠凝材料，28 d抗壓強度可達8.8 MPa。何成壽[10]利用堿激活劑和粉煤灰改性鹽漬土時，粉煤灰摻量對其抗壓強度、抗水性影響較大。當粉煤灰摻量由20%增加至40%時，試樣的抗壓強度增加近1倍，軟化系數增加至0.79。楊磊磊[11]等利用水玻璃、氫氟酸、磷酸等激發劑激活濱海鹽漬土，配合水泥、石灰制備土質混凝土，摻加4%磷酸的鹽漬土生成了大量的膠凝物質，提高了其抗壓強度和軟化系數。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原料

所用鹽漬土取自天津濱海新區臨海路旁的表層土壤。取土深度1～16 cm。用X射線熒光光譜儀對鹽漬土進行化學成分分析測試，其結果如表1所示。

利用激光粒度儀對其粒度分布進行測試，測得鹽漬土平均粒徑為0.9 μm，且全部小于1.3 μm。按照粒徑分類，鹽漬土屬于黏質土。利用X射線衍射儀對其礦物成分進行分析,其結果如圖1所示，鹽漬土礦物成分是石英、鈉長石、白云母、方解石等。

圖1 鹽漬土的XRD曲線

其他原料：所用水泥為天津振興水泥廠生產的標號為42.5強度等級的普通硅酸鹽水泥；石灰為天津江天統一科技公司生產,化學純氧化鈣，CaO含量達98%；減水劑為天津市雍陽減水劑廠生產，高效聚羧酸減水劑；試驗用水為自來水。

表1 鹽漬土化學組成（%）

1.2 試驗方法

拌合物工作性的測定：試驗中測定了生土改性材料拌合物的稠度，試驗方法參照《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ-T70-2109）。

收縮率的測定：先將試件置于空氣中養護28 d,測定試塊的初始長度為L0，常溫養護24 h后再將試塊置于80℃環境下干熱養護24 h，測其長度L1。收縮率S=(L0-L1)×100%/L0

吸水率的測定：在吸水率試驗中，先測定自然養護至28 d試件的干質量M0，再將其放入水中浸泡，水面高于試塊表面20 mm，1 d后后測量試件的質量M1，并通過計算得出吸水率。吸水率R=（M1－M0）×100%/M0

軟化系數的測定：軟化系數K是以試件養護28 d，然后在水中浸泡1 d的抗壓強度與養護28 d的抗壓強度之比計算的。第一組放置于空氣中養護28 d后直接測量其抗壓強度I0；第二組放置于空氣中養護28 d后,浸泡于水中,水面比試件高出20 mm。浸泡1 d后取出水中的試件，用干軟布輕輕擦去試件表面的水分，立即測定其抗壓強度I1。其軟化系數K=I1/I0

凍融循環強度損失率的測試：試件養護28 d后,將其放置于水中浸泡,水面比試件高出20 mm，浸泡1 d后取出試塊，用干軟布輕輕擦去試件表面的水分,再將其放入-16℃的冰箱內凍2 h，取出后放在25℃的恒溫恒濕箱中2 h,此為一個循環。經過10次凍融循環后測其抗壓強度,并計算強度損失率。

2 結果與討論

2.1 水泥摻量對改性材料力學性能的影響

圖2為石灰摻量為8%、水固比為0.28的情況下，不同水泥摻量（8%、10%、15%）下鹽漬土改性材料的抗壓強度變化情況。當水泥摻量由8%增加至10%時，改性材料抗壓強度由6.7 MPa提高到8.2 MPa，提高了22.4%；當水泥摻量由10%增加至15%時，改性材料的抗壓強度由8.2 MPa提高到9.9 MPa，提高了20.7%。這可能是因為水泥漿體發生水化反應，水化產物CSH和CAH凝膠相互交織成網，使得材料抗壓強度增加。水泥摻量由8%增加至10%時，改性材料抗壓強度增長速率較大，這可能是因為水化產物不斷增加，當水泥摻量為10%時水化產物形成連續網絡，使得整個結構一體化。當摻量由10%增加至15%時，水化產物僅僅增加了網絡密度，其抗壓強度增長速率較小。

圖2 水泥摻量對改性材料力學性能的影響

2.2 石灰摻量對改性材料力學性能的影響

圖3為水泥摻量為10%、水固比為0.28情況下,不同石灰摻量（5%、8%、10%）下鹽漬土改性材料的抗壓強度變化情況。由圖3可知，當石灰摻量由5%提高至8%時，改性材料的抗壓強度由7.3 MPa提升至8.2 MPa，提高了11.0%。當摻量由8%提高至10%時，其抗壓強度提高至8.5 MPa。這可能是因為一方面石灰的摻加提高了改性材料的堿度，提高了材料中膠凝物質的含量；另一方面石灰與土中的活性物質發生反應，反應產物起到膠結作用，從而改變了土體的整體結構，抗壓強度增強。

圖3 石灰摻量對改性材料力學性能的影響

2.3 復摻膠凝材料對改性材料力學性能的影響

圖4為水泥和石灰總摻量為18%、水固比為0.28情況下，不同膠凝材料（水泥與石灰之比=10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）對改性材料的抗壓強度變化情況。膠凝材料中水泥與石灰之比（10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）增加時，改性材料抗壓強度不斷提高。當水泥∶石灰為16∶2時，其抗壓強度最高可達9.8 MPa。這是因為一方面，水泥水化后，產生的Ca2+和OH-在鹽漬土中可以起到與石灰相同的離子交換作用、團粒化作用；另一方面，水泥生成的膠凝物質較多，在改性材料中可以起到填充孔隙、膠結鹽漬土顆粒的作用，故水泥可形成水泥石骨架，對改性材料起到支撐作用。當水泥比例提高時，改性材料中的膠凝網絡密度增加，其抗壓強度相應增加。

圖4 復摻膠凝材料對改性材料力學性能的影響

2.4 水泥摻量對改性材料耐久性能的影響

圖5 水泥摻量對改性材料耐久性能的影響

圖5為石灰摻量為8%、水固比為0.28的情況下，不同水泥摻量（8%、10%、15%）下鹽漬土改性材料的軟化系數、凍融循環強度損失率的變化情況。從圖5可以看出，摻入水泥（8%、10%、15%）對改性材料的軟化系數、凍融循環強度損失率有很大影響。水泥摻量為8%時，試塊軟化系數為0.46，凍融循環強度損失率為47.5%。當水泥摻量增加至15%時，改性材料的軟化系數提升至0.73，凍融循環強度損失率下降至35.3%。這可能是因為隨著水泥摻量的增多，水硬性的水化硅酸鈣等產物增多，包裹改性材料中的可溶性物質，填充孔隙，軟化系數上升，凍融循環強度損失率下降。

2.5 石灰摻量對改性材料耐久性能的影響

圖6為水泥摻量為10%、水固比為0.28情況下,不同石灰摻量（5%、8%、10%）下鹽漬土改性材料的軟化系數、凍融循環強度損失率的變化情況。由圖6可知，石灰摻量（5%、8%、10%）對改性材料的抗壓軟化系數、凍融循環強度損失率有明顯的影響。當石灰摻量由5%提高至10%時，改性材料的軟化系數由0.32提升至0.58，凍融循環強度損失率由47.3%下降至41.6%。這是因為石灰有膨脹擠密作用，且其與土中的活性物質發生反應，提高了試塊的密實度。石灰還促進了鹽漬土材料中水泥顆粒的水化硬化，使得更多的不溶于水的膠凝物質生成,故改性材料的軟化系數得到提高，凍融循環強度損失率下降。

圖6 石灰摻量對改性材料耐久性能的影響

2.6 復摻膠凝材料對改性材料耐久性能的影響

圖7為水泥和石灰總摻量18%、水固比為0.28情況下，不同的膠凝材料（水泥∶石灰=10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）對鹽漬土改性材料的軟化系數、凍融循環強度損失率變化情況。由圖7可知，膠凝材料中水泥與石灰之比（10∶8、12∶6、14∶4、16∶2）增加時，改性材料軟化系數不斷提高，凍融循環強度損失率不斷下降。這可能是因為水泥水化作用生成膠凝物質多為水化硅酸鈣等水硬性產物，石灰水化產物為易溶的氫氧化鈣。故當水泥比例提高時，軟化系數由0.52增加至0.61，凍融循環強度損失率由42.9%減小至38.3%。

圖7 復摻膠凝材料對改性材料耐久性能的影響

2.7 一般性討論

陳雪峰[12]研究了在不同摻量、不同齡期下水泥改性鹽漬土的內部結構，發現隨著水泥摻量增加、養護齡期的增加，鹽漬土改性材料內部的膠凝物質含量增加，材料整體性增強。肖利明[13]研究了利用石灰、粉煤灰、水泥改性鹽漬土時，改性材料中有鈣長石、方解石、坡縷鎬石等礦物生成，同時增強了其黏聚力和內摩擦角。

本試驗通過XRD分析發現，隨著水泥摻量的增加，CSH、水化氯鋁酸鈣的衍射峰逐漸升高，這說明水泥摻量越多,改性材料中CSH凝膠和水化氯鋁酸鈣的含量越多。另外，石英的衍射峰略有下降，說明水化產物與土中SiO2反應的程度增加。隨著石灰的摻量增加，CSH、水化氯鋁酸鈣的衍射峰不斷升高，石英的衍射峰略有下降。這是因為在石灰的作用下，改性材料中的水泥顆粒加速水化，生成了更多的CSH，其次水泥水化產物與鹽漬土中Cl-反應，生成了水化氯鋁酸鈣。石灰與鹽漬土中的活性SiO2發生火山灰反應，同樣生成了CSH凝膠，同時造成了石英含量的下降。

3 結論

改性材料的最佳配方為水固比0.28、鹽漬土摻量100%、水泥摻量15%、石灰摻量8%，其抗壓強度可達9.9 MPa，軟化系數為0.73，凍融循環強度損失率為35.3%。

改性材料中，保持石灰摻量8%不變，水泥摻量由8%增加至15%時,其抗壓強度由6.7 MPa增加至9.9 MPa，軟化系數由0.46增加至0.73，凍融循環強度損失率由47.5%減少至35.3%。保持水泥摻量10%不變，石灰摻量在5%～10%范圍內變化時，改性材料的抗壓強度由7.3 MPa增加至8.5 MPa，軟化系數由0.32上升至0.58，凍融循環強度損失率由47.3%下降至41.6%。保持水泥石灰的總摻量不變，提高水泥的比例，改性材料強度在水泥：石灰為16∶2時達到最大值9.8 MPa；軟化系數由0.52增加至0.61，凍融循環強度損失率由42.9%減小至38.3%。

采用水泥、石灰復摻改性材料時，生成了水硬性的CSH凝膠和水化氯鋁酸鈣。且由于水泥、石灰水化產生的Ca(OH)2具有離子交換作用、火山灰反應作用，改善了鹽漬土改性材料的內部結構，其收縮率、吸水率都得到改善。

[1]李吉林,李志亮.采用注漿加固法處理鹽漬土地區建筑物回填土沉降[J].探礦工程,2015(3)：65-68.

[2]陳淵召,李振霞.鹽漬土工程性質試驗[J].公路交通科技, 2012(12)：1-6+13.

[3]賈那·托留汗.新疆伊犁鹽漬土加固技術研究[D].長安大學,2015.

[4]駱昊舒.天津市濱海新區固化氯鹽漬土綜合性能研究[D].長安大學,2009.

[5]韓亞兵.渤海新區鹽漬土地基處理措施研究[D].河北工業大學,2015.

[6]劉誠斌.基于礦渣復合固化劑固化濱海鹽漬土的機理及固化體性能研究[D].北京科技大學,2015.

[7]林清華,等.鹽漬土改性后在工程中的應用[J].北京科技大學學報,2007(5)：456-460..

[8]Yang,P.,et al.,Study on new cementitiousmaterialsused for pile and stabilized soil in super saline soil[J].Japanese Geotechnical Society Special Publication,2016.2(62)：2111-2114.

[9]楊久俊,等.鹽漬土活性的堿化學激發效果研究[J].硅酸鹽通報,2010(6)：1284-1289.

[10]何成壽.堿-鹽漬土-粉煤灰復合膠凝材料物理力學性能及其機理初步研究[D].天津城市建設學院,2010.

[11]楊磊磊,等.鹽漬土土質混凝土的力學性能研究[J].天津城市建設學院學報,2009(4)：289-292.

[12]陳雪峰.濱海地區水泥改良鹽漬土強度特性及其機理研究[J].交通標準化,2012(6)：51-54.

[13]肖利明.高速公路路基改良鹽漬土研究[D].長安大學, 2007.

科研項目:國家科技支撐計劃項目（20141BAL03B03）。