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不同成型工藝對生土材料力學(xué)性能和微觀(guān)結構的作用
隨著(zhù)可持續發(fā)展和低碳經(jīng)濟的深入人心,發(fā)展低能耗、低排放、低污染的建筑材料成為建材業(yè)發(fā)展的必然選擇,下面是小編搜集整理的一篇相關(guān)論文范文,歡迎閱讀查看。
前言
人們開(kāi)始重新審視“生土”這一古老的建筑材料,認識它是一種節能、環(huán)保、綠色的建筑材料。生土材料除具有保溫、調濕、通風(fēng)、防火等功能,更重要的是成本低、能耗低并且能夠在其服役結束后重新回歸自然。但傳統生土材料強度低、易變形和耐水性差的先天性不足導致其在體積穩定性、抗震性和耐久性方面不盡如人意。
生土材料改性就成為該領(lǐng)域科研工作者的研究熱點(diǎn),通常利用水泥、石灰、工業(yè)固體廢棄物、有機物、纖維等材料改性生土材料的力學(xué)性能和耐久性。Matthew Hal的研究表明固結夯土材料的滲水性對水泥的摻入量比較敏感,由于水泥增加了拌合物中細顆粒的數量,降低了其內部氣孔的孔徑范圍,進(jìn)而影響了固結土的滲水性[1].錢(qián)覺(jué)時(shí)利用電廠(chǎng)廢料脫硫石膏、粉煤灰材料等改性生土材料,改性后生土材料抗壓強度提高2~4倍,抗折強度超過(guò)1.0MPa,相比傳統生土材料提高1倍,干燥收縮顯著(zhù)降低,耐水性和耐候性能有很大提升[2].劉軍在土樣中加入不同摻量的粉狀固化劑,組分為水泥、粉煤灰、葡萄糖等,隨著(zhù)固化劑摻量的增加,生土墻體材料力學(xué)性能、水穩定性能、抗凍性能均明顯提高[3].粉煤灰和礦渣類(lèi)礦物摻合料加入生土材料后,其活性組分在堿性條件下發(fā)生火山灰反應,生成類(lèi)似于水泥水化產(chǎn)物的凝膠,提高生土的抗水性和抗化學(xué)侵蝕性[4].劉俊霞研究了磷酸對黃河泥沙石灰土的激活效果和作用機理,實(shí)驗表明,4wt%H3PO4活化的黃河泥沙,通過(guò)30MPa壓力壓制成型的石灰土,抗壓強度和軟化系數得到大幅改善[5].
上述研究主要集中于討論改性材料種類(lèi)和摻量對生土材料物理力學(xué)性能的影響,并未對生土材料成型工藝的影響進(jìn)行系統探討。事實(shí)上,成型工藝直接影響土體顆粒的堆積性狀、粘結方式和孔隙結構乃至生土材料的力學(xué)性能、耐水性能和耐久性等。為了系統研究不同成型方式和工藝參數對生土材料力學(xué)性能和微觀(guān)結構的影響和作用機理,為生土材料的研究、應用和推廣利用提供理論基礎和數據支持,我們進(jìn)行了以下實(shí)驗研究。
1 實(shí)驗原料與方法
1.1 實(shí)驗原料
黃河泥沙:取自黃河下游的花園口,天然含水率44.8%,主要化學(xué)成分為SiO270.9%,Al2O39.1%,CaO 6.1%,Fe2O33.0%,燒失量5.4%;活化泥沙是NaHSO4活化處理之后的黃河泥沙;水泥:開(kāi)封孟電水泥有限公司生產(chǎn),標號為P.O 42.5,其28d抗折和抗壓強度分別為8.8MPa和53.4MPa;生石灰:市售,有效CaO含量大于70%;粉煤灰:活性指數為0.78;試驗用砂為ISO標準砂。
1.2 實(shí)驗方法
振動(dòng)成型工藝:以活化黃河泥沙為主要原料,摻加適量無(wú)機膠凝材料制備生土砌塊。先將粉煤灰、石灰和標準砂放入攪拌機攪拌3min,然后加入適量水再攪拌2min,最后加入水泥和活化泥沙充分攪拌。件尺寸為240mm×115mm×53mm,脫模后置于標準養護箱內養護至檢測齡期,依據GB/T5101-2003測試強度。
壓制成型工藝:根據JTJ 057-94《公路工程無(wú)機結合料穩定料試驗規程》,按照不同配比于水泥膠砂攪拌機中攪拌2min,加水至成型最佳含水狀態(tài)(8%~10%),再拌合5min備用;按預定的壓密實(shí)度稱(chēng)量的混合料裝入Ф36mm×36 mm的試模中,置于液壓式萬(wàn)能試驗機上,以20、30、40和50MPa的成型壓力成型試件;將試件置于標準養護箱內養護,溫度控制在(20±1)℃,濕度在90%以上,養護至檢測齡期。
1.3 生土材料微觀(guān)結構和組成分析
采用日本理學(xué)JSM-6700F型掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM和EDS分析
2 實(shí)驗結果與分析
2.1 成型壓力對壓制成型生土材料性能的影響
按照表1的配比,采用表2中的成型壓力成型試塊,試件含水率9%~11%,以適宜成型為宜,分別測試試件的3d、7d和28d抗壓強度和28d的軟化系數。
表2結果表明,隨著(zhù)成型壓力的上升,抗壓強度和軟化系數基本呈上升趨勢,但軟化系數仍不能滿(mǎn)足生土材料作為建筑材料的要求(不小于0.70)。試件中整體含水量只有9%,水分進(jìn)入體系后,除砂外其余各組分均有吸水性能,很顯然,體系中水分不足以滿(mǎn)足各組分水化、熟化和活化的需求。隨著(zhù)拌合料在壓力作用下密實(shí)成型,生土材料孔隙率急劇下降,不利于環(huán)境中水蒸氣的滲入,水泥水化、石灰熟化和粉煤灰活化過(guò)程受阻,顆粒之間沒(méi)能建立完整的化學(xué)膠結作用,力學(xué)性能過(guò)分依賴(lài)外界的壓實(shí)能量。試件浸泡過(guò)程中受到一定的液態(tài)水壓力,水在孔隙毛細壓力的作用下滲入生土材料。首先發(fā)生殘留生石灰的熟化反應,產(chǎn)生的體積膨脹引起結構孔隙率的提高,然后會(huì )有更多的水滲入體系內部,最終導致黃河泥沙吸附過(guò)多的水分,而未形成良好的膠結狀態(tài),導致生土材料在軸向壓力的作用下,泥沙顆粒發(fā)生滑移引起結構破壞,從而降低了軟化系數。
2.2 水固比對振動(dòng)成型生土材料性能的影響
由表3結果可以看出,抗壓強度隨著(zhù)水固比的降低而升高,這與普通混凝土抗壓強度與水灰比的研究結果相一致。生土材料的軟化系數也隨著(zhù)水固比的降低而增加,說(shuō)明影響軟化系數的主導因素是試件的孔結構:孔隙率和孔徑分布。隨著(zhù)摻入水量的增加,活化黃河泥沙在拌合階段吸附大量的水分,無(wú)機膠凝材料在水化硬化階段,能夠搶奪周?chē)嗌持械乃稚伤a(chǎn)物包裹于泥沙顆粒表面,起到固結強化的作用。隨著(zhù)生土材料的硬化和干燥,在原來(lái)失水位置上也會(huì )形成孔隙,黃河泥沙吸附水分愈多,所形成孔隙也愈多,形成有害孔的幾率也就增大。
在生土材料浸水過(guò)程中,水分在靜水壓力的作用下進(jìn)入材料內部?紫堵瘦^低或有害孔較少的試件在受壓時(shí),泥沙與包裹于其表面的水化產(chǎn)物共同滑移時(shí)阻力較大,強度較高;相反,泥沙顆粒過(guò)多吸水后發(fā)生滑移的阻力小,強度和軟化系數相應降低。但水固比過(guò)低會(huì )引起成型困難或使用過(guò)多的減水劑,抗壓強度和軟化系數的增幅也不明顯。
2.3 成型工藝對生土材料微觀(guān)結構的影響
由圖1(a)壓制試件的微觀(guān)形貌能夠看出,體系中各級配顆粒結合緊密,細顆粒表面有大量板狀Ca(OH)2晶體,圖中指定區域的EDS分析結果顯示,主要成分是CaCO3,是Ca(OH)2或CaO在空氣中碳化的產(chǎn)物。與圖1(a)相比,振動(dòng)成型試件的微觀(guān)結構(圖1,b)中有大量的絮狀C-S-H并包裹于泥沙顆粒的周?chē),板狀Ca(OH)2相對較少,并可見(jiàn)針狀鈣礬石的存在,說(shuō)明無(wú)機膠凝材料得到充分的水化,粉煤灰中活性組分也與Ca(OH)2反應生成C-S-H或AFt,起到固結黃河泥沙的作用。振動(dòng)成型試件的孔隙明顯比壓制試件的孔隙多,其顆粒之間的粘結方式以水化物膠結為主,而壓制試件中顆粒的粘結方式則以機械壓實(shí)為主,所以壓制試件的軟化系數較低,水穩性較差。
3 結論
(1)壓制成型試件的抗壓強度和軟化系數與成型壓力基本成線(xiàn)性關(guān)系,軟化系數最高為0.68;振動(dòng)成型試件相應性能隨著(zhù)水固比的減小而增大,軟化系數可達到0.75;(2)微觀(guān)分析顯示,壓制成型試件結構緊密,顆粒間有大量板狀Ca(OH)2晶體,說(shuō)明顆粒之間主要依賴(lài)物理作用粘結;振動(dòng)成型試件的微觀(guān)結構中有大量的絮狀無(wú)機水化產(chǎn)物包裹于泥沙顆粒的周?chē),并可?jiàn)針狀鈣礬石,說(shuō)明粉煤灰中活性組分也與Ca(OH)2反應生成C-S-H或AFt,起到固結黃河泥沙的作用,因此生土材料的水穩性得到改善。
參考文獻
[1] Hall M,Allinson D.Assessing the effects of soil grading on themoisture content- dependent thermal conductivity of stabilisedrammed earth materials[J].Appl Therm Eng,2009,29:740~747
[2] 錢(qián)覺(jué)時(shí),王 琴,賈興文等。燃煤電廠(chǎng)脫硫廢棄物用于改性生土材料的研究[J].新型建筑材料,2009,2:28~31
[3] 劉 軍,盛國東,劉 宇。固化劑摻量對生土墻體材料性能的影響[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,26(3):517~521
[4] 劉俊霞,張 磊,楊久俊等。 磷酸對黃河泥沙石灰土的激活效果與作用機理[J]. 建筑材料學(xué)報,2013,16(5):898-902
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