生土材料具有导热系数低、热惰性大、蓄热系数大等优异的热工性能,还具有很好的调湿性能,可在不增加建筑能耗的情况下为人们提供适宜的室内居住环境。同时,生土材料资源丰富、制备简单、经济实惠且能循环使用^[1],是一种生态环境材料。但是,传统的生土材料强度低、耐水性和抗冻性差,影响生土建筑的耐水和抗震等性能。因此,使用生土原料制备出强度高、耐水性和抗冻性能好的生土材料是人们的努力方向。迄今为止,人们已对土壤固化进行了较多的研究。现有的研究主要是用石膏、石灰、水泥、水玻璃及粉煤灰等土壤固化剂提高生土材料的强度和耐水等性能^[1-17],并且在其改性机理方面取得了重要研究进展^[18,19]。有部分研究者研究植物纤维、淀粉等有机改性剂对生土材料的改性作用^{[16,17,20,21]}。本研究以普通粘土为原材料,利用钢铁厂废渣和少量无机添加剂作为无机土壤固化剂,通过简单的成型工艺和自然养护,制备生土材料,并对其强度、耐水性、抗冻性及无机土壤固化剂的改性机理进行研究。

1 实验方法

1.1 原材料

粘土的主要成分为蒙脱石和石英,原土的颗粒分布列于表1。

无机土壤固化剂是由钢铁厂废渣和少量无机助剂配制而成,呈白色粉末状,其细度为通过筛孔为0.08 mm标准筛筛余3.5%。无机土壤固化剂的主要成分为γ-C₂S、少量α-C₂S和氧化镁。

1.2 材料的制备

将粘土与无机土壤固化剂按表2中的配比混合均匀,然后装入内部直径为30.8 mm长度为60 mm的圆柱体试模,压实成型。试件成型后1 d拆模,在常温、相对湿度为40%~75%的条件下养护。

1.3 性能表征

当试件养护到14 d、28 d、60 d时,测定试件的抗压强度。当试件养护到14 d、28 d、60 d时,测定干燥试件的抗压强度和吸水饱和抗压强度。其软化系数为

K=R1/R0(1)

式中R₀为试件在干燥状态下的抗压强度,R₁为试件在吸水饱状态下的抗压强度。

养护60 d时将试件浸在水中24 h,然后放入-18℃的低温箱中冻16 h,再将试件放入20℃的水槽中解冻8 h,冻结-解冻的过程为一次冻融循环。当冻融循环n次试件质量损失率(W_n)超过5%时停止冻融,则n-1为冻抗冻次数,测定试件抗压强度。分别按式(2)和式(3)计算其质量损失率(W_n)和抗冻性指标BDR(n次冻融循环后试件的抗压强度损失)。

其质量损失率为

Wn=m0-mnm0×100%(2)

式中m₀是冻融循环前试件的质量(kg),m_n是冻融循环后试件的质量(kg)。

抗冻性指标(n次冻融循环后试件的抗压强度损失)为

BDR=RC-RDCRC×100%(3)

式中R_DC为冻融循环后试件的抗压强度(MPa),R_C为对比试件的抗压强度(MPa)。

用X射线衍射方法分析掺15%和25%无机土壤固化剂的生土材料,用环境扫描电镜对生土原料和掺25%无机土壤固化剂的生土材料进行微观分析,以研究强度、耐水性和抗冻性的形成机理。

2 结果和讨论

2.1 强度和耐水性

分别测养护14 d、28 d、60 d的试件的抗压强度,干燥试件抗压强度和吸水饱和抗压强度,并计算出软化系数K。根据所测数据,绘制出试件的抗压强度、吸水饱和抗压强度和软化系数与养护龄期的关系曲线,如图1~3所示。

由图1~3可见,未经改性的生土材料在14 d、28 d和60 d龄期的抗压强度分别为1.9 MPa、2.9 MPa和3.3 MPa,吸水饱和抗压强度和软化系数都为0。未经改性的生土材料虽然在干燥条件下具有一定强度,但其值不高且不具有耐水性,不能直接用于生土建筑。经无机土壤固化剂改性后材料的强度和耐水性大大提高,无机土壤固化剂掺量多,强度和耐水性好。掺25%无机土壤固化剂的试件14 d、28 d和60 d龄期抗压强度分别3.1 MPa、6.2 MPa和8.8 MPa,比同龄期未改性的生土材料的抗压强度分别增长68.1%、113.1%和164.5%。同时,掺25%无机土壤固化剂的试件14 d、28 d和60 d龄期软化系数分别为0.57、0.76、0.85。总体上,随着养护龄期的增长生土材料的强度和耐水性增加,28 d前抗压强度和软化系数的增长速率大于28~60 d的强度和软化系数增长速率,且从曲线趋势看60 d后强度和软化系数还可能进一步增大。

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图1   养护龄期与抗压强度关系曲线

Fig.1   Relation between age and compressive strength

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图2   养护龄期与吸水饱和抗压强度关系曲线

Fig.2   Relation between age and water saturated compressive strength

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图3   养护龄期与软化系数关系曲线

Fig.3   Relation between age and softening coefficient

2.2 抗冻性

在试验中当平均质量损失率超过5%时停止冻融循环试验,记录此时的抗冻次数和质量损失率,并测定不冻融循环试件和冻融循环后试件的抗压强度,再根据公式(3)计算出抗冻性指标(BDR)。根据所测数据绘制试件抗冻次数、抗压强度和损失率分别与无机土壤固化剂掺量的关系曲线,如图4~6所示。

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图4   无机土壤固化剂掺量与抗冻次数关系曲线

Fig.4   Relations between inorganic soil stabilizer content and freeze-thaw cycles

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图5   无机土壤固化剂掺量与抗压强度关系曲线

Fig.5   Relations between inorganic soil stabilizer content and compressive strength

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图6   无机土壤固化剂掺量与损失率关系曲线

Fig.6   Relations between inorganic soil stabilizer content and loss rate

由图4可见,随着无机土壤固化剂掺量的增加生土材料抗冻次数增加,不掺无机土壤固化剂和掺10%、15%、20%和25%无机土壤固化剂的生土材料的抗冻次数分别为0、3、5、8和13次。图4中抗冻次数曲线斜率的变化,说明适量增加无机土壤固化剂掺量可以大大提高生土材料抗冻性。图5和图6表明,生土材料的冻融循环抗压强度和强度损失率(BDR)与无机土壤固化剂近乎呈线性关系,不掺无机土壤固化剂和掺10%、15%、20%和25%无机土壤固化剂生土材料的冻融循环后抗压强度分别为0 MPa、1.87 MPa、2.89 MPa、3.99 MPa、5.41 MPa,强度损失率(BDR)分别为100%、68.52%、58.77%、48.91%、38.38%,即增加无机土壤固化剂量,不仅使抗冻次数增加且冻融循环后抗压强度提高、强度损失率(BDR)减少。这表明,无机土壤固化剂的使用使生土材料的抗冻性提高。同时,生土材料的质量损失率分别为100%、6.82%、6.8%、6.24%和5.13%,无机土壤固化剂掺量增加生土材料的破损程度减小。实际上掺10%和15%无机土壤固化剂生土冻融循环后表面和边角出现脱落,而且表面与整体之间有半贯穿型裂纹并且有稍微的膨胀;掺20%和25%无机土壤固化剂的生土材料冻融循环后整体比较完整,表面和边角脱落少。总之,无机土壤固化剂掺量为20%~25%时,生土材料具有优异的抗冻性能。本试验的冷冻温度为-18℃,而我国南方大部分地区不会出现如此低温,因此该生土材料用于该地区具有很好的耐久性。

2.3 X射线衍射和SEM分析

为了研究生土材料强度、耐水性和抗冻性的形成机理,对养护60 d的无机土壤固化剂掺量分别为0、15%和25%的生土材料进行了XRD衍射分析,结果如图7所示。由图7可见,掺15%无机土壤固化剂的生土材料含有蒙脱石、SiO₂、C₂S、Ca•1.7MgO•3SiO₄、MgO,而掺25%无机土壤固化剂的生土材料含有蒙脱石、SiO₂、C₂S、Ca•1.7MgO•3SiO₄、MgO外、还有2CaO•Al₂O₃•SiO₂、Na₂CaSiO₄。

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图7   不同掺量无机土壤固化剂的生土材料衍射图

Fig.7   X-ray diffraction diagram of raw soil material with different inorganic soil stabilizer content

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图8   生土原料(a)和掺25%无机土壤固化剂的生土材料(b)的SEM照片

Fig.8   Scanning electron micrographs of raw soil material (a) and raw soil material with 25% inorganic soil stabilizer content (b)

材料的强度、耐水及抗冻等性能取决于其组成和结构。粘土的主要成分为蒙脱石和石英,蒙脱石和石英遇水既不会产生胶结力,也不会与水反应生成新的物质。试件由潮湿变干燥时,由于生土颗粒表面的吸附力使颗粒相互靠拢,材料体积收缩,密实度增大,从而产生一定的抵抗外力的能力。但是此时并没有产生新的化学结合力,故强度低,且不具有耐水和抗冻能力。添加无机土壤固化剂后,无机土壤固化剂中的α-C₂S能迅速与水反应生成Ca(OH)₂和C-S-H凝胶;而γ-C₂S与水反应极慢,,但是已有研究表明^[22~24],在有NaOH和Na₂CO₃的碱性环境下,可有效激发γ-C₂S的反应活性^[24]。α-C₂S水化反应生成的Ca(OH)₂,无机土壤固化剂中还有一定量的方镁石(MgO),在潮湿环境下生成Mg(OH)₂,也呈碱性,这些碱性物质可提高γ-C₂S的水化活性。γ-C₂S的水化又生成一定量的Ca(OH)₂和C-S-H凝胶。在存在Ca(OH)₂和MgO的环境下Ca(OH)₂和MgO与生土中的SiO₂和Al₂O₃产生水合反应,生成较稳定的化合物。由X射线衍射分析可知,掺加15%无机土壤固化剂、并经较长时间养护后,与生土和无机土壤固化剂原料相比,产物中增加了Ca•1.7MgO•3SiO₄。这说明,生土中的SiO₂与无机土壤固化剂中的MgO和C₂S的水化产物Ca(OH)₂产生了化学反应,形成新的化学结合力;当无机土壤固化剂增加到25%时,体系中α-C₂S、γ-C₂S和MgO含量的增多使反应速度和反应量增大。因此,反应产物除了有Ca•1.7MgO•3SiO₄(含镁白硅钙石)外,还能显现2CaO•Al₂O₃•SiO₂(钙铝黄长石)、Na₂CaSiO₄的存在。因此,无机土壤固化剂掺量增大,无机土壤固化剂与生土中的SiO₂和Al₂O₃反应生成更多的Ca•1.7MgO•3SiO₄以及2CaO•Al₂O₃•SiO₂和Na₂CaSiO₄等产物,再加上α-C₂S和γ-C₂S水化反应生成的C-S-H凝胶,它们在生土内部形成了较强的结合力和胶结力。这些结构稳定的产物的生成,使生土材料具有高的强度、耐水性和抗冻融能力。图8给出了生土原料和25%无机土壤固化剂改性下养护60 d的生土材料的SEM照片。可以看出,生土原料为粘土颗粒的物理聚集体,而经改性后的生土材料颗粒间增生大量凝胶,部分晶相穿插在其中形成了较强的结合力。

由于无机土壤固化剂中γ-C₂S的反应速度很慢,故生土材料的强度、耐水性和抗冻性发展较慢,到养护14 d时,这些值都较低。随着γ-C₂S被激活,养护14 d后反应速度提高,材料的强度、耐水性和抗冻性大幅度增加。由图1~图4可知,养护60 d后材料的性能还有提高的趋势。

3 结论

(1) 加入无机土壤固化剂使生土材料具有优异的强度、耐水性和抗冻性。无机土壤固化剂掺量为25%,生土材料60 d的抗压强度和软化系数分别可达到8.78 MPa和0.85,在13次-18℃~20℃冻融24 h条件下强度损失率(BDR)为38.38%。养护60 d后,材料的强度、耐水性和抗冻性还有继续提高的趋势。

(2) 无机土壤固化剂与生土中的SiO₂和Al₂O₃反应生成的Ca•1.7MgO•3SiO₄、2CaO•Al₂O₃•SiO₂和Na₂CaSiO₄等产物,再加上α-C₂S和γ-C₂S水化反应生成的C-S-H凝胶,是使生土材料产生强度、耐水性和抗冻性的主要原因。

The authors have declared that no competing interests exist.