基于糊精灰漿的復合材料制備及力學性能試驗研究

王 赟

(陜西理工大學土木工程與建筑學院,漢中 723000)

0 引 言

在石灰、黃土和砂子中加入糯米汁，形成傳統糯米灰漿，它是中國古代一項非常重要的科技發明[1-4]。傳統糯米灰漿中的糯米不僅具有生物礦化中的有機模板的特性，而且具有協同作用，改變了石灰漿固化時碳酸鈣結晶體的微結構，形成了有機/無機的復合結構[5-8]，改善材料的強度、耐久性和防滲性等，這一傳統技術在現代改善黏土防滲性能[9-12]和古建筑加固與修復[13-16]等方面的研究和應用取得一定進展。

但是上述文獻中糯米糊化需持續煮沸0.5～6 h，耗時費力，其次制備的復合材料在短期內強度較低，一般28 d抗壓強度在2 MPa以下。如文獻[1]用濃度分別為1%、2%和3%糯米灰漿和二八灰土仿制保護材料，其抗壓和抗折強度最大為1.77 MPa和0.064 MPa；文獻[9]用糯米漿和1∶1的石灰：砂和石灰：黏土制備的石灰砂漿和灰黏土試塊，它們的抗壓強度分別為0.4 MPa和0.5 MPa，用該砂漿砌筑的墻體雖強度較低但墻體試件的耗能能力卻優于水泥砂漿砌筑的構件。文獻[17]用糯米漿和1∶1的石英砂：石灰制備材料，測得28 d抗壓強度在1 MPa以下，抗折強度0.5 MPa；文獻[18-19]制備了濃度為5%不同種類的糯米灰漿試塊，其28 d最大抗壓強度0.57 MPa，60 d最大抗壓強度為0.61 MPa。本文為了簡化傳統材料的制備，提高其力學強度，用直鏈淀粉的糊精乳液、偶聯劑、石灰、堿性激發劑和砂土制備石灰/有機物復合材料，并進行試驗研究。

1 實 驗

1.1 復合材料制備

試驗采用市售材料，石灰：Ca(OH)2含量不少于99%，分析純；標準砂：中國ISO標準砂；無水碳酸鈉：Na2CO3含量不少于99.8%，分析純；碳酸氫鈉：NaHCO3含量不少于99.5%，分析純；硅酸鈉：分子式Na2SiO3·9H2O，Na2O與SiO2含量之比為1.03±0.03；糊精：生化試劑。

復合材料制備時，首先將糊精和水以一定質量比倒入容器中，進行加熱、攪拌，直至溫度升至80 ℃，保持該溫度恒定，待糊精充分溶解糊化，制備成一定濃度的糊精乳液；其次，將一定比例的砂、黏土和石灰混合，并加入質量為石灰質量3%的激發劑拌合成復合料，其中激發劑選用碳酸鈉、碳酸氫鈉和硅酸鈉；最后，將0.1%的硅烷偶聯劑加入制備好的糊精漿液中，并倒入復合料中攪拌均勻，擊實固化成型即得到復合材料，制備流程圖見圖1。

圖1 制備流程圖
Fig.1 Flow chart of preparation technology

1.2 試驗設計和試樣制備

考慮三種不同的糊精濃度、兩種灰、土和砂比例和三種固化劑，設計兩個系列共26組試驗，見表1。Ⅰ系列中灰∶土∶砂為150∶300∶1350，Ⅱ系列中灰∶土∶砂為 300∶600∶900，Ⅱ系列中試樣編號后帶-1。T表無糊精無激發劑，DT為有糊精無激發劑，后邊數字表百分比的糊精濃度，C、H和S表固化劑分別為碳酸鈉、碳酸氫鈉和硅酸鈉激發的試樣，后面數字1、2和3代表糊精濃度分別為8%、12%和16%。

表1 試驗設計Table 1 Experiment Design

復合材料制備時先以質量比為1∶5.3～1∶11.5制備濃度為8%、12%和16%糊精乳液；按表1中的比例稱取石灰、黏土和砂依次倒入水泥膠砂攪拌機中，稱取質量為石灰質量3%的激發劑倒入，在制備好的糊精漿液中加入其含量0.1%的適量硅烷偶聯劑，倒入水泥膠砂攪拌機中攪勻，在振實臺上振實，其中每系列糊精用量以對比樣用水量為標準，并進行微調來保證拌合物干濕度合適，每種試樣制備40 mm×40 mm×160 mm三聯試樣兩組，分別測定28 d和90 d抗壓和抗折強度。試樣在溫度25 ℃、相對濕度90%條件下養護后脫模，用NYL-300型壓力試驗機(精度等級1級)和DKZ-5000型電動抗折試驗機，進行28 d和90 d抗壓和抗折性能試驗。

2 結果與討論

2.1 激發劑對基本力學性能影響

同一糊精濃度下不同系列在不同激發劑作用下的力學性能結果如圖2。圖中RS代表抗折強度，CS代表抗壓強度，下同。

圖2 8%～16%糊精濃度下抗壓和抗折強度
Fig.2 Compression strength(CS) and rupture strength(RS) in 8%-16% concentration of dextrin

由圖2(a)可知，糊精濃度為8%時，激發劑均可提高抗壓和抗折強度，抗壓強度的增加比抗折強度的大，90 d抗壓和抗折強度的增加比28 d的稍大；灰∶土∶砂為1∶2∶3時明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復合材料強度高，但激發劑對強度增加幅度減小；當灰∶土∶砂為1∶2∶9時，碳酸氫鈉的效果最好，即H1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度分別為2.7 MPa、4.7 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了69%、88%和100%、120%，硅酸鈉激發時糊精乳液用漿量相對有些少，導致試樣攪拌有些偏干，當灰∶土∶砂為1∶2∶3時，硅酸鈉的效果最好，即S1-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度分別為4.2 MPa、5.1 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了67%、36%和57%、83%。

由圖2(b)可知，當糊精濃度為12%時，除碳酸氫鈉激發劑使抗壓強度降低外，激發劑使復合材料抗壓和抗折強度提高，90 d抗壓和抗折強度增加幅度比28 d的較大；對相同激發劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復合材料強度高；兩系列中硅酸鈉的效果最好，其中S2-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度最高，分別達到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa，分別提高了109%、156%和74%、150%，尤其90 d強度提高較大，試驗過程中碳酸氫鈉激發時糊精乳液用漿量相對有些少，導致試樣攪拌有些偏干。

由圖2(c)可知，糊精濃度為16%時，激發劑提高了抗折強度，90 d抗壓強度提高幅度降低，對Ⅰ系列碳酸氫鈉激發劑提高了抗壓強度，其余對強度影響不大甚至有所降低，Ⅱ系列中碳酸鈉激發劑對強度降低較多；對相同激發劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比灰∶土∶砂為1∶2∶9制備的復合材料強度高，尤其對無激發劑時的強度提高最多；灰∶土∶砂比為1∶2∶9時碳酸氫鈉的效果最好，即H3試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度分別達到3.4 MPa、4.4 MPa和0.8 MPa、1.0 MPa，分別提高了36%、41%和50%、42%，灰∶土∶砂為1∶2∶3時碳酸氫鈉和硅酸鈉的效果相當，綜合抗壓和抗折強度，硅酸鈉的效果最好，即S3-1試樣28 d、90 d抗壓和抗折強度分別達到4.1 MPa、5.1 MPa和1.1 MPa、1.1 MPa，分別提高了64%、61%和120%、60%。試驗過程中碳酸氫鈉激發時糊精乳液用漿量相對較少，導致試樣攪拌有些偏干。

總之當糊精濃度為8%和12%時，三種激發劑在合適的用漿量下都可加快復合材料凝固固化，提高復合材料強度，當采用硅酸鈉激發劑，灰∶土∶砂為1∶2∶3，糊精濃度為12%時，力學強度最好，糊精乳液量建議在270～285 mL之間調整。當無激發劑時，可采用16%的糊精漿液、灰∶土∶砂為1∶2∶3獲得較高強度。

2.2 糊精濃度對基本力學性能影響

無激發劑時，不同糊精濃度的復合材料抗壓和抗折強度如圖3。由圖3可知糊精的加入大大提高了石灰基膠凝材料的強度；灰∶土∶砂為1∶2∶3明顯比比例為1∶2∶9制備的復合材料強度高；當灰∶土∶砂為1∶2∶9時，強度隨糊精濃度呈棗核型變化，其中12%的糊精濃度效果較佳，即DT12系列28 d和90 d抗壓和抗折強度分別為2.7 MPa、3.5 MPa和0.7 MPa、0.7M Pa，增幅為120%、133%和147%、133%；當灰∶土∶砂為1∶2∶3時，抗壓強度隨糊精濃度增大而增大，DT16-1系列的復合材料28 d和90 d抗壓和抗折強度分別為4.4 MPa、5.0 MPa、0.6 MPa和0.8 MPa，增幅為198%、190%和107%、128%。

圖3 無激發劑復合材料28 d和90 d抗壓和抗折強度
Fig.3 Compression strength(CS) and rupture strength(RS) of composite materials without excitation at 28 d and 90 d

由于灰∶土∶砂為1∶2∶3時制備的復合材料強度高，故只分析該類試樣有激發劑時糊精濃度對強度的影響，結果如表2。由表2可知有碳酸鈉和硅酸鈉激發劑時，隨糊精濃度的增加，強度增幅呈棗核型，其中12%濃度效果最好，即S2-1組28 d和90 d抗壓和抗折強度最高，分別達到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa；添加碳酸氫鈉固化劑時，強度增幅基本相反。綜上所述糊精增加了復合材料的強度，激發劑下不同的糊精的濃度影響了強度的變化幅度，建議糊精濃度取為12%。

3 固化機理分析

基于糊精灰漿的復合材料中石灰和糊精乳液是主要組成材料，固化機理是糊精乳液參與下的無機膠凝材料石灰的凝結硬化。傳統的糯米灰漿中，石灰漿中的氫氧化鈣從空氣中吸收二氧化碳而凝結硬化，糯米漿參與石灰的硬化實質是調控碳酸鈣晶核的生成，使結構緊密，提高了復合材料的強度等，本文用糊精乳液的作用類似糯米漿。糯米漿的主要成分是支鏈淀粉，是一個樹枝形大分子結構，在影響碳酸鈣結晶度的同時，由于吸引力大的立體網絡結構將石灰中氫氧化鈣包裹，限制了其與CO2的反應[19]，影響了早期強度。本文用糊精主要成分是直鏈淀粉，是線性短鏈分子，對碳酸鈣晶核的生成有一定影響，但糊精乳液強度較好，滲透性強，加熱后較高濃度的糊精乳液粘性提高，故分布廣泛的羥基可通過靜電作用吸引Ca2+，加快了碳酸鈣晶體成核與生長，同時加入的堿激發劑也加快了凝結固化，減小了內部凝結硬化對后期凝結的影響，偶聯劑改善了界面之間的相容性，提高了黏結力和強度等性能，故糊精乳液在調控碳酸鈣晶核的生成的同時，主要是加快了氫氧化鈣的凝結硬化，提高了基于糊精灰漿的復合材料的強度。

表2 Ⅱ系列試樣力學強度Table 2 Mechanical strength of specimens for Ⅱ series /MPa

4 結 論

通過加熱并保持溫度80 ℃制備一定濃度的糊精乳液，與一定比例的砂、黏土和石灰混合攪拌，在激發劑和偶聯劑作用下制備復合材料，并對不同組份的復合材料進行了28 d和90 d抗壓和抗折性能的研究，得到以下結論：

(1)糊精可提高傳統材料強度，調整材料中砂的含量和選擇合適的激發劑可調整材料強度，且該復合材料制備方法簡單易行，力學強度較高。

(2)當灰∶土∶砂為1∶2∶3，糊精濃度取12%，激發劑采用硅酸鈉時可獲得良好力學性能，此時復合材料28 d和90 d抗壓和抗折強度最高，分別達到5.6 MPa、9.0 MPa和1.1 MPa、1.8 MPa。

(3)試驗過程中糊精乳液用漿量不當會導致試樣不密實或試樣固化時間偏長，從而影響強度，建議最優材料配比時用漿量在270～285 mL之間調整。