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)�泥沙中的水分生成水化產(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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