摻加水泥熟料對生土基復合材料性能的影響

栗　潮　徐露露中國水電十一局鄭州科研設計有限公司（450000）

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摻加水泥熟料對生土基復合材料性能的影響

栗潮徐露露
中國水電十一局鄭州科研設計有限公司（450000）

摘要：通過摻加水泥熟料對生土進行改性，測定其力學性能，研究其對生土試塊強度的影響規(guī)律和改性機理。研究表明，摻加水泥熟料，會在固結生土的過程中發(fā)生一系列的物理、化學反應，生成不同的水化凝膠。這些凝膠的干燥硬化可改善土體的穩(wěn)定性，增強土體內部結構連結和抗變形摩擦力，從而提高土體的強度。

關鍵詞：生土材料；強度；水泥熟料；改性機理

1　研究背景

從人類社會形成以來，生土墻體材料一直是主要的建筑材料之一。近20年來，鑒于資源與環(huán)境的雙重壓力，生土材料以及生土改性材料已經(jīng)成為目前國內外研究的熱點之一［1］。土體的改性材料包括水泥、石灰和粉煤灰等，它們可單獨使用，也可按一定的比例復合使用，在常溫下能夠直接膠結土體中的土壤顆粒，能夠與黏土礦物反應生成膠凝物質［2］。水泥熟料作為常見的膠凝材料，基本成分是C3S、C2S、C3A、C4AF，其中C3S和C2S是水泥的主要成分，占到水泥質量的75％左右，也是水泥制品抗壓強度的主要貢獻者。

試驗采用的改性材料為水泥熟料，具有取材容易、原料簡單等特點。本文通過研究摻加水泥熟料生土試樣的性能，研究其對生土基強度的影響規(guī)律和改性機理，對生土墻體材料的應用具有廣泛的指導意義。

2　試驗過程

試驗使用的是水泥熟料，水泥熟料的化學成分及性能指標的檢測結果見表1、表2。

表1　水泥熟料的主要化學組成（％）

表2　水泥熟料品質指標

水泥熟料是從水泥窯經(jīng)過高溫燒成后，再經(jīng)過冷卻機冷卻并破碎后的塊狀或大顆粒狀物質，所以需要對其進行球磨機粉碎。表3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(yǎng)護7 d后進行抗壓強度測試。

表3　樣品的組成物及其力學性能

3　試驗結果及分析

由表3數(shù)據(jù)可得其7 d抗壓強度曲線如圖1。由圖示趨勢可以看出，摻加水泥熟料可以提高生土試塊的強度，且隨著水泥熟料摻量的升高，抗壓強度也呈上升的趨勢。這是因為在土壤中摻加水泥，可以改變軟土的固有性質。水泥發(fā)生水化反應［3］，產(chǎn)生CSH和CAH凝膠，附著在土壤顆粒表面，并形成Ca（OH）2。Ca2+、OH-滲透進入土顆粒內部，與黏土礦物發(fā)生物理、化學反應，繼續(xù)生成上述膠凝物質，其主要作用形式為：

圖1　試塊抗壓強度與水泥熟料摻量的關系

1）離子交換與團粒化作用。主要是指水泥中的Ca2+與土壤中的Na+、K+置換的過程，較小的土顆粒形成較大的土團粒，從而使土體的強度提高。

2）水泥的凝結硬化。水泥與水分發(fā)生水化反應以后，土壤顆粒被水化產(chǎn)物所包裹，從而水泥土形成一個整體，產(chǎn)生一定的強度。水泥水化反應的凝結硬化是水泥土最主要的強度來源。

3）火山灰作用。土壤中含有大量的SiO2、A12O3，水泥中含有大量的強堿性物質Ca（OH）2。這些活性物質在堿性溶液中發(fā)生火山灰反應，逐漸生成不溶于水的結晶化合物，增大固化土強度。

4）碳酸化作用。水泥水化物中，游離的Ca（OH）2能吸收水中和空氣中的CO2，發(fā)生碳酸化作用，生成不溶于水的CaCO3。這種反應也能使固化土增加強度，但增加強度較慢，幅度較小。

圖2　不同水泥熟料摻量的生土基試塊的超景深圖片

單用水泥改性生土時，主要水化物為纖維狀或絮狀的CSH附著在孔壁上（如圖2），能夠使生土材料具備一定的強度，但不能有效填充生土干燥留下的孔隙，會影響生土材料的耐久性。從經(jīng)濟性考慮，在實際操作中不建議摻加過多的水泥熟料，這樣會影響生土墻體材料的環(huán)保性和可再生性。

4　結論

單摻水泥熟料的生土基試塊抗壓強度隨著摻量的升高而升高，但是其摻量要控制在合適范圍內，過多反而會降低增強效果。其改性機理為水泥熟料在固結生土的過程中發(fā)生水化反應而生成CSH凝膠等強度相，加強了生土顆粒之間的連接，從而增強其力學性能。

參考文獻：

［1］陳晶，單德啟.土著的前衛(wèi)——大地藝術事業(yè)中的鄉(xiāng)土聚落［J］.建筑師，2005：1115.

［2］鄭寒英，楊長輝.生土墻體材料改性技術研究現(xiàn)狀［J］.混凝土與水泥制品，2011（8）：53- 56.

［3］Gregory Moor & Kevin Heathcole. Earth building in Australia durability research［J］. Modern Earth Building 2002-Berlin.