基于堿激發S95礦粉改性生土的試驗研究

孟宏睿， 陳麗紅， 付江濤

(陜西理工大學 土木工程與建筑學院， 陜西 漢中 723000)

隨著社會經濟的發展，世界環境保護問題日漸突出，保護生態環境、實現可持續發展已成當今國際社會普遍關注的問題。中國于2018年頒布《國家鄉村振興戰略規劃(2018—2022年)》，提出了鄉村振興戰略，其中，生態宜居是關鍵。生土建筑作為我國民居傳統建筑形式(圖1)，現在仍大量存在，在陜南地區，特別是欠發達縣域的農村更是廣泛存在[1]。生土作為一種建筑材料，具有就地取材、技術簡單、造價低廉、倒塌后可回收、有較好的熱工、調節濕度等優點[2]，因此，在日益提倡環境保護的背景下，國內外諸多學者對生土的力學特性展開了多方面的研究，但同時值得一提的是生土也具有強度低、耐久性差、遇水易崩解性、水敏性等弱點[3]，這些弱點在一定程度上限制了生土材料的應用和技術推廣。由此，對生土進行改良，提高生土強度、耐久性和降低其水敏性是擴大其推廣范圍的關鍵。目前，生土改良主要的技術包括物理改良和化學改良。其中，物理改良是指采用物理方法如強夯、煅燒、加入筋材等方式改良土體物理性狀，從而改善其強度和穩定性[4-8]。化學改良是指采用在土體中加入各種化學改良劑，使其與土體發生化學反應，產生膠凝材料，從而提高其強度[9-16]。但這兩種方法各有優缺點，相比較而言，將化學改良和物理改良方法結合起來則有著更為廣闊的發展前景。

本文通過在保證較好制備性能的情況下，利用自然風干的生土，在其中摻入S95礦粉、復合激發劑(水玻璃質量∶乙二醇質量∶氫氧化鈉質量=5∶1∶1，化學改良)和聚丙烯纖維(物理改良)，通過試驗研究生土粒徑、生土與礦粉的質量比、有機纖維的摻入、復合堿性激發劑的摻量對生土材料抗折強度、抗壓強度的影響，并通過掃描電子顯微鏡對改性生土的微觀機理進行探究。研究結果可為陜南地區傳統生土(土坯)建筑的發展以及環境生態保護等提供參考。

(a)福建土樓 (b)陜南生土建筑圖1 生土建筑

1 試驗概況

1.1 試驗材料

生土：原土取自陜南寧強縣粘土，天然密度2.15 g/cm3，天然含水率21.0%，液限27%，塑限17%。將自然風干的生土(含水率1.2%)磨細，制備過篩粒徑為0.1、0.3、0.5 mm的土樣。

S95礦粉：漢中漢鋼新型建材有限公司，密度2.88 g/cm3，比表面積440 m2/kg，性能指標見表1。

表1 S95礦粉性能指標

堿性激發劑：NaOH，分析純，NaOH含量≥98%，碳酸鹽(以Na2CO3計)≤1.5%；Na2SiO3·9H2O，分析純，Na2O含量在19.3～22.8之間，Na2O與SiO2含量比1.03±0.03；乙二醇(HOCH2CH2OH)，分析純，分子量62.07，比重范圍1.112 8～1.113 8，沸程196～199 ℃。

聚丙烯纖維：聚丙烯纖維的密度為0.90～0.92 g/cm3，纖維長度為1.5～200.0 mm。

水：自來水。

1.2 試驗設計

將自然風干的生土磨細分別用粒徑0.1、0.3、0.5 mm的篩子過篩，礦粉采用S95，按生土與礦粉質量比(CL∶SP)為6∶4(A組)和7∶3(B組)進行摻配。為保證有較好成型條件，采用水料比0.3加入用水量，即水質量/(生土質量+礦粉質量)=W/(CL+SP)=0.3。復合激發劑由水玻璃∶乙二醇∶氫氧化鈉=5∶1∶1(質量比)構成，按礦粉質量(SP)的4%、6%、8%摻入；對A試驗配比組，分別按生土和礦粉總質量1%的量摻入聚丙烯纖維(編號AX組)進行對比試驗。

1.3 試樣制備

將生土土樣、S95礦粉按比例加入水泥膠砂攪拌機中低速攪拌1 min，再加入溶有復合激發劑(或溶有復合激發劑及聚丙烯纖維)的水，高速攪拌2 min形成低流態混合物，將低流態混合物分兩次裝入40 mm×40 mm×160 mm水泥膠砂試模，用水泥膠砂振實臺振實60 s，將試模表面刮平，帶模在水泥標準養護箱中養護7 d后拆模，室溫下養護28 d，進行力學性能測試。

1.4 試驗結果與現象

試件在YAW-300C全自動壓力試驗機(圖2)上進行抗折強度和抗壓強度測試。每個試件均以峰值荷載計算其抗壓強度，測試結果見表2。試件折斷后的斷面照片如圖3所示。改性生土的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖4所示。

圖2 YAW-300C全自動壓力試驗機

表2 原土及改性生土試件力學性能測試結果

(a)無摻料生土 (b)CL∶SP=7∶3 (c)CL∶SP=6∶4 圖3 試件折斷后的斷面

(a)CL∶SP=7∶3 (b)CL∶SP=6∶4圖4 改性生土的SEM照片

2 試驗結果分析

2.1 礦粉、復合激發劑對生土內部結構的影響

從圖3可以看出，生土材料加入礦粉后，干燥后的試塊顏色由紅褐色變為黃褐色，并隨著摻入比例的變化在其內部出現有青色，與原土體顏色有明顯差別，說明加入礦粉改變了原生土材料的外觀性能。從改性生土材料的SEM照片(圖4)中可以看出，由于S95礦粉及激發劑的加入，試件材料發生了相應的水化反應，生成兩種主要的凝膠產物——水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。其膠凝性能使生土顆粒間相互交叉連接、包裹并覆蓋在生土顆粒表面，使比表面積增大，擁有穩定的整體性結構。該結構將增強生土顆粒之間的粘合力，并改善生土的性能。

2.2 復合激發劑對改性生土強度的影響

由表2、圖5—圖7可以看出，無論A組、B組或AX組的試驗中，生土與S95礦粉混合，摻入復合激發劑可以明顯提高改性生土的力學性能。不同過篩孔徑的土樣，雖然提高的程度稍有不同，但提高的幅度均較大，其中在無纖維摻入時28 d抗折強度、抗壓強度與基準試件的最高變化率為400%(B33對比B03)和1 012.57%(A21對比A01)。當復合激發劑的摻量增加到6%之前，增加復合激發劑的摻量強度變化較大；而摻量由6%變到8%時，強度的變化幅度不大，對于A組和AX組試件來說，其強度有所降低；對B組來說，強度雖沒有降低，但增幅明顯減小。這說明摻入復合激發劑可以有效激發S95礦粉的活性，使其活性物質在弱堿性環境中進行水化反應，隨著水化反應的不斷進行，生成的水化硅酸鈣凝膠等物質填充生土縫隙，細化生土材料的孔結構，并提供骨架支撐作用，從而有效地改善了生土材料的力學性能。從試驗的結果來看，復合激發劑的摻量有一個較為合理的取值時，可以使其強度有較大幅度的增長。

(a)抗折強度 (b)抗壓強度 圖5 復合激發劑摻量對過篩0.1 mm篩孔生土力學性能的影響

2.3 生土顆粒粒徑對改性生土強度的影響

對照表2及表3的計算可以看出，隨著生土顆粒變細，改性生土的28 d抗折強度、28 d抗壓強度大都有所提高，且對28 d抗折強度的提高影響相對明顯。從生土與礦粉的比例為6∶4(A組和AX組)的試驗結果可以看出，生土顆粒越細強度提高幅度較大，而生土與礦粉比例為7∶3(B組)的試驗結果可以看出，生土顆粒越細而強度提高的幅度較小。隨著生土粒徑的減小，改性生土的28 d抗壓強度最高變化率為36.10%(B1組)，28 d抗折強度最高變化率為204.69%(A3組)。這說明，在復合激發劑的作用下，增加礦粉含量，生土顆粒越細，則發生物理改性和化學改性就更充分，從而促成強度更為有效的提高，這從圖3試件斷面的照片中也得到了印證。原土的斷面照片紅褐色，CL∶SP=7∶3的斷面顏色逐漸泛黃褐色，CL∶SP=6∶4的斷面中可以清楚看到泛青色。這也進一步說明在復合激發劑的激發作用下，S95礦粉發生了類似普通硅酸鹽水泥加固土體的化學反應，與原土體顏色有明顯差別，改變了原生土材料的性能。

(a)抗折強度 (b)抗壓強度圖6 復合激發劑摻量對過篩0.3 mm篩孔生土力學性能的影響

(a)抗折強度 (b)抗壓強度圖7 復合激發劑摻量對過篩0.5 mm篩孔生土力學性能的影響

表3 生土過篩粒徑對改性生土力學性能的影響

2.4 摻入有機纖維對改性生土強度的影響

由表4—表6的數據可以看出，有機纖維的摻入對改性生土28 d抗壓強度的影響不一致，有提高的也有降低的，但抗壓強度的變化率不大；對改性生土28 d抗折強度影響較為明顯，特別是土粒過篩粒徑0.5 mm、復合激發劑摻量8%的試件(A33組)，其28 d抗折強度的變化率達到220.31%。

表4 有機纖維對過篩0.1 mm篩孔生土力學性能的影響

表5 有機纖維對過篩0.3 mm篩孔生土力學性能的影響

表6 有機纖維對過篩0.5 mm篩孔生土力學性能的影響

3 結語

(1)復合生土(生土+S95礦粉)摻入復合激發劑改性后(改性生土)，可以有效提高生土的強度。加入的復合激發劑有效激發了復合生土中礦粉的活性成分，能生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，從而改善生土的力學性能。

(2)隨著復合激發劑摻量的增加，改性生土的28 d抗折強度和抗壓強度均有提高，而且28 d的抗壓強度提高幅度較為明顯；當復合激發劑摻量在達到6%之前，隨著摻量的增加抗壓強度提高幅度較大；在復合激發劑摻量達到6%之后，隨著摻量的增加，相較于摻量6%的復合生土，28 d抗折強度和抗壓強度有較小提高或略有降低。復合激發劑摻量在6%時較為理想。

(3)改性生土中礦粉越多，土顆粒越細，則強度提高越明顯。當S95礦粉增加時，生土的顆粒越細則生土和礦粉更能有效填充，在激發劑的作用下，更有利于發生物理改性和化學改性，從而有效地提高生土的強度。

(4)有機纖維能有效提高改性生土的28 d抗折強度，但對28 d抗壓強度影響不大。