夯土墻體材料改性研究

王光月　曲烈　劉志華　王麗娜　王超　張文妍

摘 要：文章以陜西黃土為主要原料，分別選擇水泥、石灰為無機改性劑，糊化淀粉和稻草纖維作為有機改性劑，測試了改性前后夯土墻體材料的抗壓強度變化，分析了不同改性劑對夯土墻體材料強度的影響規律。實驗表明，單摻水泥、復摻水泥-石灰和單摻糊化淀粉、復摻糊化淀粉-稻草纖維都能夠對夯土墻體材料的強度有增強作用。

關鍵詞：夯土；水泥；石灰；糊化淀粉；稻草纖維

生土材料具有取材方便，造價低廉，熱工性能好，可循環利用等優點，是生態型建筑材料，為居住空間創造了舒適環境。夯土是一種具有悠久歷史且應用廣泛的生土建造方式，隨著生土材料的生態優越性在當今建筑領域的日益顯現，關于夯土建筑的研究，包括建造技術的工程應用研究，及其生土材料的性能研究已上升到科學層面。但是生土材料自身強度較低、耐水性差、體積穩定性差等缺點，限制了生土材料在生活中的應用。

抗壓強度是夯土材料應用中最重要的力學性能之一，提高夯土材料的抗壓強度，不僅可用于低層建筑民居，而且可以滿足兩層及多層建筑居住的需要，因此，在土木工程領域，世界各國都在致力于提高夯土抗壓強度的研究與實踐。

文章選擇常見的無機改性劑水泥、石灰和有機改性劑糊化淀粉、稻草纖維對生土材料進行了改性試驗研究，對比無機和有機改性劑對夯土墻體材料強度的影響，并對其影響機理進行簡要分析，為生土材料的改性研究提供科學參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原料

試驗生土選擇陜西黃土，水泥為天津振興水泥廠生產提供的42.5強度等級普通硅酸鹽水泥，石灰由天津市三江科技有限公司購買，糊化淀粉為市場購買紅薯糊化淀粉，稻草纖維取自天津當地農村，試驗用水為普通自來水。

1.2 實驗方法

在生土中添加改性劑，實驗設計了單摻和復摻兩種方式，并設計素土組作為對照組。將按配比計算稱量的生土加入部分水攪拌均勻，陳化24小時后使用，改性劑在夯擊前按設計配方現用現加。夯擊成型的試塊脫模后需養護一定時間。有機組在自然條件下養護至干燥狀態，即三次稱量顯示為恒重即可；無機組在標養（20℃±2℃、相對濕度95%以上）條件下養護至規定齡期，測量其7天、14天的強度。

為了確定無機和有機改性劑在不同水固比條件下對夯土材料性能的影響，實驗中設計不同水固比進行對比實驗，分別為0.08、0.1、0.12、0.14。

2 結果與討論

2.1 不同改性劑對夯土強度的影響

摻加不同含量的有機和無機改性劑對夯土強度影響如圖2-1、2-2所示。從圖中可以看出，在生土中摻加無機改性劑和有機改性劑都能夠在一定程度上提高夯土的強度，無機改性劑的增強效果更好。在單摻情況下，無機組水泥摻量為10%時夯土強度達到8.1MPa，而素土強度為2.2MPa，強度提高近4倍；有機組糊化淀粉摻量為2%時，強度達到5.9MPa，素土強度為2.4MPa，強度也提高了2倍多。在復摻情況下，無機組水泥與石灰復摻強度表現并沒有單摻水泥效果好，在10%水泥+6%石灰情況下，強度最高為6.4MPa，與對照組相比提高近3倍，當石灰摻量增加到8%時，強度反而大幅下降，只有3.5MPa，說明石灰與水泥復摻時，石灰摻量并不是越多越好，需要限制在一定的范圍之內；有機組2%糊化淀粉+2%纖維時強度為6.0MPa，稍高于單摻糊化淀粉組，單摻纖維對夯土強度的提高貢獻并不大，最高只能達到2.8MPa，但是通過與糊化淀粉復摻后，整體強度有了明顯提高，而纖維本身具有韌性，與生土材料之間的拉結作用能夠有效地抵消部分剪切應力，同時可以增強夯土組合材料中的骨架結構，在提高夯土墻體的整體性和減小土體干縮方面有很重要的意義。

2.2 不同水固比對改性夯土強度的影響

不同水固比對夯土強度的影響如圖2-3、2-4所示。從圖中可以看出，隨水固比的增大，無機改性劑在水固比為0.12時強度最高，可達到6.4MPa，隨水固比的進一步增大，強度有所降低；有機改性劑在水固比為0.1時強度較高，為5.9MPa，而水固比繼續增大，強度下降明顯。在實驗過程中，當水固比為0.14時，原材料在攪拌時狀態較濕，夯筑成功后不易脫模，粘壁情況嚴重，制好的試塊在養護階段易產生較多的裂縫，測得強度值也不夠理想。由于水泥在水化過程中需要更多的水分參與反應，所以在實驗結果中顯示需要的水固比要高于有機組。

2.3 養護時間對改性夯土強度的影響

養護時間對不同水泥摻量夯土強度的影響如圖2-5所示。可以看出，不同水泥摻量的夯土材料隨著養護時間的增加，強度也在增加，水泥摻量為15%時，7天強度為6.7MPa，14天強度達到8.0MPa，而水泥摻量為10%時，7天強度為6.4MPa，14天強度為8.1MPa。早期強度增長較快，14天強度增長速度有所減慢，但仍繼續呈現增長趨勢。

2.4 改性機理分析

不同改性夯土試塊的SEM照片如圖所示。從圖2-6（a）可以看出，素土表面由多個大小形狀不一的土顆粒無序排列而成，土粒間空隙較大，呈疏松而分散狀；經糊化淀粉改性后的表面，如圖2-6（b），由于糊化淀粉的粘結性，夯擊后土顆粒間緊密的粘接在一起，有堵塞孔隙的作用，硬化后有較好的黏結力，使土粒之間連接成整體，改善夯土試塊的強度；在生土材料中添加水泥膠凝材料后，如圖2-6（c），可以看到制品表面生成較多針棒狀的鈣礬石水化產物，大量的填充在土顆粒的空隙之間，水化硬化后形成水泥石骨架，使改性夯土試塊的強度大大提高；在生土材料中復摻入水泥和石灰，與水混合后，由于石灰具有較好的吸水性，使得水泥水化過程受到限制，如圖2-6（d）所示，水化生成的鈣礬石與圖2-6（c）相比較少而且更細小，土顆粒間的空隙只能達到部分填充，與實驗組強度降低結果相吻合，建議當摻入石灰時可以適當提高水固比效果會有所改善。

3 結語

在生土中摻加不同的改性劑，都可以提高夯土材料的強度，無機改性劑對夯土強度的增強程度大于有機改性劑。當水泥摻量為10%時，強度最高可達到8.1MPa，而糊化淀粉摻量為2%時，夯土強度為5.9MPa。

相同含量的改性劑，在不同水固比條件下，對夯土材料的強度也有一定的影響，無機改性劑需水量略大于有機改性劑。

隨養護時間的增加，夯土材料的強度也呈增長趨勢。早期強度增長較快，14天強度增長速度有所減慢，但是強度仍然繼續增大。

參考文獻

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