改性材料對生土砌塊濕熱性能的影響

楊 永, 張 楠, 張 磊,3, 榮 輝, 魏成娟

(1.天津城建大學 材料科學與工程學院, 天津 300384; 2.承德石油高等專科學校, 河北 承德 067000; 3.天津城建大學 天津市建筑綠色功能材料重點實驗室, 天津 300384; 4.天津市建筑科學研究院有限公司, 天津 300193)

生土材料是一種具有悠久歷史的古老建材,因其具有明顯的生態優勢,吸放濕性能,以及可調節室內溫度[1]等優點而被廣泛應用,生土建筑在世界文明發展的歷程中做出了重要的貢獻[2].尤其在人們普遍關注能源危機、零排放的今天,有良好保溫隔熱性能的生土材料具有廣闊的發展前景[3].然而,傳統生土材料強度低、變形大、耐水性差,致使生土建筑在耐水性、體積穩定性等方面不盡如人意[4].因此生土材料的改性已成為研究熱點.

劉軍等[5-6]研究了礦渣、粉煤灰、水泥等摻和料單摻與復摻對生土墻體材料力學性能的影響,結果表明單摻水泥對生土墻體材料力學性能改性效果較好,復摻摻和料的生土墻體材料與單摻時相比,其抗壓強度、抗折強度、抗剪強度和收縮變形值均增加.張波[7]研究發現淀粉也可用于生土改性,生土強度有一定的提高.Achenza等[8]采用植物纖維與天然高分子化合物復摻改性生土材料,結果表明天然高分子化合物可改變生土的孔隙率與密度,復摻植物纖維和天然高分子化合物能有效改善生土材料的力學性能并使生土材料的耐水性有較大的提高.Ciancio等[9-10]分別研究了石灰和水泥改性對生土材料微觀結構、力學性能和耐水性的影響.劉俊霞等[11]研究了不同改性材料對生土材料水分傳輸特性的影響,結果表明水泥的摻入改變了黃土顆粒表面狀態和生土材料的孔結構,水泥改性生土材料的毛細吸收系數和初始吸水速率較未改性生土材料分別降低了19.8%和25.3%.

上述研究表明,通過物理或化學方法改性可以改善生土材料的力學性能和耐水性,改變其水分傳輸特性,而在改性材料對生土導濕和導熱性能影響方面的研究尚不夠全面充分.本文使用水泥、石灰、改性纖維對生土材料進行改性處理,研究生土砌塊在不同濕度條件下的濕熱性能,討論了不同的改性材料對其濕熱性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

生土采用陜西省北部榆林市綏德縣黃土,其化學組成(1)文中涉及的組成、水固比等均為質量分數或質量比.見表1,XRD圖譜見圖1;水泥選用天津冀東水泥有限公司生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其技術性能指標見表2;石灰采用工業級生石灰,有效CaO含量為56%;植物纖維采用稻草秸稈纖維,先用鍘草機鍘成2～3cm,再用球磨機粉磨15min,長徑比為6∶1;砂為市售河砂,細度模量為2.6.

表1 生土的化學組成

圖1 生土的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of raw soil

表2 水泥技術性能指標

1.2 生土砌塊的制備

生土砌塊采用壓制成型工藝,尺寸為200mm×200mm×5mm,配合比見表3,水固比為0.12.首先加入適當水將原狀黃土陳化處理,實現膠結黏粒與礫石或砂礫均勻混合,降低生土的粒度.取陳化好的黃土,按照表3所示配合比(加水量應除去陳化用水)加入其他材料,攪拌均勻后置于成型模具中,使用壓力機勻速加壓至8MPa,保壓4s后卸載脫模.單摻水泥的生土砌塊Y-1～Y-5(對照試件Y-0)采用密封膜密封后進行標準養護;單摻石灰的生土砌塊Y-7～Y-9(對照試件Y-6)采用密封膜密封養護;復摻水泥、石灰、纖維的生土砌塊Y-11～Y-13(對照試件Y-10)采用噴水結合密封膜密封養護.所有試件均養護至測試齡期.

表3 生土砌塊的配合比

1.3 生土砌塊性能測試方法

濕熱性能：采用動態試驗法測定試件吸濕率,利用恒溫恒濕試驗箱制造穩定的恒溫恒濕條件,箱體內的相對濕度通過通風換氣進行控制.溫度恒定為(25±1)℃,相對濕度RH設為40%、60%、80%、98%.

利用熱流法導熱儀,采用穩態平板法測定試件的導熱系數(λ).

利用氮吸附測試不同試件的毛細孔容積.

按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》測定試件的干密度.

使用JSM-7800F型場發射掃描電子顯微鏡對

試件進行微觀分析.

2 結果與分析

2.1 生土砌塊吸濕性能分析

2.1.1不同相對濕度下生土砌塊吸濕率與平衡含濕量

圖2為生土砌塊在不同相對濕度下的吸濕率.由于試驗中Y-0、Y-1、Y-2、Y-6在相對濕度為98%的條件下進行性能測試時試塊潰散,無法得到相應結果,其在相對濕度為40%、60%、80%狀態下則未進行測試.當時間t=0時，測量不同相對濕度下的生土砌塊吸濕率為初始吸濕率，當生土砌塊內部的濕度與環境濕度達到平衡時，測得其平衡含濕量.由圖2可以看出：生土砌塊的初始吸濕率和平衡含濕量隨著相對濕度的增加而增加;在相對濕度為40%和60%時，復合改性生土砌塊的平衡含濕量均大于石灰改性和水泥改性生土砌塊.由于水泥的摻入,黃土顆粒周圍包裹大量的水泥水化產物,使黃土顆粒的吸濕性顯著降低,故水泥改性生土砌塊的平衡含濕量隨著水泥摻量的增加而降低.同時,由于生土砌塊在壓制成型過程中加水量較低,當生土砌塊處于較高的環境濕度條件下時,水泥會吸收水分繼續水化,因此隨著水泥摻量的增加,生土砌塊的平衡含濕量有小幅增加.復合改性生土砌塊的吸濕率隨著稻草纖維摻量的提高而增加,這是由于稻草纖維自身的吸濕性和導管傳輸作用及其與生土砌塊基體的截面影響所致.

圖2 生土砌塊在不同相對濕度下的吸濕率Fig.2 Moisture absorption ratio of raw soil blocks at different relative humidities

由圖2還可知：當相對濕度為40%時,生土砌塊前60h內吸濕率較低,各試件60h吸濕率的平均值約為55%,60h以后吸濕率平穩上升,125h后生土砌塊的吸濕率基本不變,即125h時達到吸濕平衡;當相對濕度為60%時,各生土砌塊在300h時達到吸濕平衡,各試件60h吸濕率的平均值約為86%;當相對濕度為80%時,各生土砌塊在120h時達到吸濕平衡,各試件60h吸濕率的平均值約為91%;當相對濕度為98%時,吸濕速率快的試件在60h以前就達到吸濕平衡,各試件60h吸濕率的平均值約為95%.

不同相對濕度下,對比同系列試件平衡含濕量可以發現,試件的平衡含濕量隨著相對濕度的增加而增大.以復摻1.5%纖維的改性試件Y-13為例：在相對濕度為40%時,試件Y-13的平衡含濕量為1.02%,在相對濕度為80%時,試件Y-13的平衡含濕量增大至13.42%,且當試件Y-13相對濕度為98%時,達到平衡含濕量的時間較相對濕度為60%時縮短了160h.

2.1.2毛細孔含量對試樣吸濕速率的影響

圖3為生土砌塊中小于70nm的毛細孔容積.從圖3看出：復合改性生土砌塊的累積孔容積最高,其次為水泥改性生土砌塊,最低為石灰改性生土砌塊及其對照試件.分析復合改性生土砌塊的毛細孔容積最高的原因：一是稻草秸稈纖維自身的孔隙性;二是水泥、石灰發生水化反應,生成水化硅酸鈣凝膠,細化了生土砌塊的孔結構;三是水泥水化反應生成的凝膠具有凝膠孔,體積一般為水化硅酸鈣凝膠體積的28%左右,其尺寸大小為0.5～10.0nm,因此生土砌塊的毛細孔容積隨著水泥摻量的增加而增加.

圖3 生土砌塊中小于70nm的毛細孔容積Fig.3 Cumulative pore volume below 70nm of raw soil blocks

2.2 生土砌塊導熱性能分析

表4為生土砌塊導熱系數(λ)和干密度的測試結果.由于試驗中Y-0、Y-1、Y-2、Y-6在相對濕度為98%的條件下進行性能測試時試塊潰散,無法得到相應結果,其在相對濕度為40%、60%、80%狀態下則未進行測試.圖4為改性生土砌塊的SEM圖.由表4可見,水泥改性生土砌塊的導熱系數隨水泥摻量增加而提高,當水泥摻量為15%時,試件Y-5在干燥狀態下的導熱系數為0.478W/(m·K),較試件Y-0提高了10.9%.這主要是因為在干燥狀態下水泥水化生成的水化產物填充在黃土顆粒之間,如圖4(a)所示,生土砌塊的累計孔容積降低,從而導致其導熱系數增大.

表4 生土砌塊導熱系數和干密度

摻入石灰后,因生成晶粒粗大的氫氧化鈣(CH)而使生土砌塊的密實度降低,如圖4(b)所示,因此生土砌塊導熱系數下降,且石灰改性生土砌塊的導熱系數隨石灰摻量增加而降低,當石灰摻量為15%時,試件Y-9在干燥狀態下的導熱系數為0.428W/(m·K),較同條件不摻石灰試件Y-6降低了4.5%.

圖4 改性生土砌塊的SEM圖Fig.4 SEM micrographs of modified raw soil blocks

復合改性生土砌塊的導熱系數隨纖維摻量增加而降低,當纖維摻量為1.5%時,試件Y-13在干燥狀態下的導熱系數為0.399W/(m·K),較同條件不摻纖維試件Y-10降低了13.1%.這是因為纖維自身的多孔結構可提高生土砌塊的累計孔容積,如圖4(c)所示,從而降低了生土砌塊的導熱系數.

復合改性生土砌塊的導熱系數隨著相對濕度的增大而增大,這主要是由于水的導熱系數明顯高于空氣所致.當相對濕度由40%增加到60%時,達到吸濕平衡時生土砌塊的導熱系數增加速率最大;這是由于在完全干燥狀態下,生土砌塊內部熱量傳遞主要是靠顆粒之間的熱傳導;當黃土顆粒吸收了水分后,水分子呈膜狀附著在細小顆粒上,相應地增大了黃土顆粒之間的接觸面積,熱傳導隨之加快;平衡含濕量小于1%時,導熱系數隨平衡含濕量增加的變化不是很顯著,當黃土顆粒表面吸附足夠的水分時生土砌塊的導熱系數迅速增加.隨著相對濕度的增加,生土砌塊的平衡含濕量提高,材料內部的熱傳遞主要通過水分的熱對流進行,因此,隨著相對濕度的增加,導熱系數增幅降低并逐步趨于穩定.

3 結論

(1)生土砌塊的初始吸濕率、平衡含濕量和60h吸濕率隨著相對濕度的增加而增加;當相對濕度為40%和60%時，復合改性生土砌塊平衡含濕量大于石灰改性和水泥改性生土砌塊;隨著相對濕度的增加,同系列生土砌塊的平衡含濕量增大.

(2)復合改性生土砌塊的70nm以下毛細孔容積最高,其次為水泥改性生土砌塊,最低為石灰改性生土砌塊.

(3)水泥改性生土砌塊的導熱系數隨水泥摻量增加而增大,石灰改性和復合改性生土砌塊的導熱系數分別隨著石灰和稻草秸稈纖維摻量的增加而降低,生土砌塊的干密度和導熱系數變化趨勢基本相同;生土砌塊的導熱系數隨著相對濕度的增加而增加,當相對濕度由40%增加到60%,達到吸濕平衡時生土砌塊的導熱系數增加速率最大.