張　磊，楊　柳，麻向龍，何建濤，朱三普

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，西安　710055；2.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安　710055)

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凍融循環(huán)作用下改性生土材料強度特性研究

張磊1，楊柳1，麻向龍2，何建濤1，朱三普1

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，西安710055；2.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安710055)

針對生土材料在力學(xué)和抗凍性方面的缺陷，對水泥/礦渣復(fù)合改性生土材料的抗凍性進行分析，通過傅里葉變換紅外光譜分析和掃描電鏡分析對改性生土材料抗凍性提升機理進行研究，分析水泥、礦渣摻量對改性生土材料抗凍性能的影響。結(jié)果表明，改性生土材料在凍融前后的抗壓強度較素土均獲得了顯著提升。此外，隨著水泥、礦渣摻量的增加，改性生土材料抗壓強度逐漸提高，凍融循環(huán)后的強度損失逐漸減少。

凍融循環(huán)； 改性生土材料； 抗壓強度； 強度損失

1　引　言

生土材料具有蓄熱性好、綠色環(huán)保、可循環(huán)利用的特點，是一種理想的綠色建筑材料[1,2]。但是在力學(xué)及耐久性方面的缺陷使得生土建筑需要進行頻繁的修葺，造成了人力物力的消耗，嚴重制約了生土建筑的推廣。生土建筑所在地區(qū)的氣候條件普遍惡劣，冬季寒冷且夏季炎熱，造成生土建筑在冬夏兩季極端氣候作用下出現(xiàn)墻體開裂的現(xiàn)象，對生土建筑的結(jié)構(gòu)安全和居住舒適性造成影響。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者多借助物理和化學(xué)改性的方法提升生土材料的力學(xué)性能[3-6]。對于生土材料抗凍性的研究只單純關(guān)注凍融循環(huán)后材料的剩余強度和強度損失量[7-9]，而未對改性生土材料抗凍性提升的作用機理進行深入分析[10,11]。因此，在凍融循環(huán)條件下，對改性生土材料系統(tǒng)地進行強度特性研究和機理分析能夠有效提升生土建筑抵御極端氣候侵襲的能力，提升生土建筑的使用壽命，推動生土建筑的應(yīng)用和推廣。

此外，含水率對生土材料抗壓強度影響很大，當(dāng)對生土材料進行機械壓制成型時，成型壓力使得土顆粒間距縮小，生土材料中的水分在此形成水分子膜。水分子膜的薄厚直接決定了生土材料塑性狀態(tài)和凝聚性的形成，微觀整體性結(jié)構(gòu)對生土材料的力學(xué)性能優(yōu)劣產(chǎn)生影響。

因此，本文以新疆吐魯番地區(qū)的土為研究對象，對不同含水率下生土材料抗壓強度進行測試，以最優(yōu)抗壓強度條件下含水率為基礎(chǔ)指標(biāo)，通過摻入水泥和礦渣的方式對生土材料進行改性，研究改性生土材料抵御凍融循環(huán)過程的能力。此外利用傅里葉變換紅外光譜和掃描電鏡測試方法，對改性生土材料抗凍性提升的作用機理分析，從而為今后生土材料的研究和應(yīng)用提供理論借鑒和參考。

圖1　生土的XRD測試結(jié)果Fig.1　XRD measurement results of soil

2　試　驗

2.1試驗材料及試樣制備

試驗土樣取自新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市亞爾鄉(xiāng)英買里村；水泥(C)選用海螺水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥；礦渣(SL)選用西安德龍粉體工程材料有限公司生產(chǎn)的超細礦渣粉。試驗所用土樣的物理參數(shù)指標(biāo)見表1，試驗用硅酸鹽水泥和超細礦渣粉的化學(xué)組分及性能參數(shù)見表2和表3，生土的XRD圖如圖1所示，生土中的礦物以伊利石為主，其次為蒙脫石，而不是以石英為主。

表1　試驗用土樣的物理參數(shù)指標(biāo)

表2　試驗用普通水泥和礦渣粉化學(xué)組分

表3　試驗用普通水泥和礦渣性能參數(shù)

取適量土樣在空氣中風(fēng)干后碾碎并過篩，除去雜質(zhì)且保證土樣的均勻。依據(jù)表4中水泥、礦渣的摻量進行土樣的均勻混合，混合土中加水?dāng)嚢杈鶆颍康倪x擇依據(jù)混合土總量的10%、13%、16%、19%以及22%進行稱量，采用靜力壓實成型工藝，壓制尺寸為5 cm×5 cm×5 cm的立方體試件。將成型的試件放置室內(nèi)進行養(yǎng)護，28 d后進行凍融循環(huán)測試。

2.2試驗方法

將養(yǎng)護完成后的改性生土試件放入低溫控制箱內(nèi)進行凍結(jié)，在-20 ℃的溫度下持續(xù)凍結(jié)24 h。凍結(jié)完成后立即將改性生土試件放入恒溫箱(設(shè)定溫度為20 ℃)中融化24 h，此過程為一次凍融循環(huán)過程。每一組改性生土試件共進行20次凍融循環(huán)并用于抗壓強度的測試。

表4　改性生土材料配方設(shè)計表

3　結(jié)果與討論

3.1含水率對生土材料抗壓性能的影響

生土材料的抗壓強度在很大程度上受到含水率的影響，過高或過低的含水率都會對生土材料的抗壓強度產(chǎn)生限制。本文對不同含水率下生土材料抗壓強度進行測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率從10%增加到22%時，生土材料的抗壓強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在含水率為16%時生土材料的抗壓強度平均值達到1.28 MPa，如圖2。

圖2　不同含水率下生土材料的抗壓強度Fig.2　Compressive strength of earth material under different moisture content

黏土顆粒表面帶電荷，在靜電力的作用下吸附溶液中的水化離子并在其周圍形成反離子層。在黏粒表面吸引力和離子熱運動的作用下，一部分水化離子緊靠黏粒形成固定層，另一部分離黏粒較遠形成擴散層。反離子層的存在能夠通過黏粒表面電荷和水化離子之間的靜電力作用將黏土顆粒進行連結(jié)，在一定程度上形成結(jié)構(gòu)并獲得一定的強度。由圖2可以看出，當(dāng)含水率為10%和13%時，生土材料的抗壓強度不足，這是因為此時存在于生土材料孔隙中的水量不足，水化離子的總量不足以在黏粒表面形成水分子膜，黏粒之間由反離子層提供的結(jié)合力很低，導(dǎo)致土顆粒之間無法形成有效粘結(jié)；當(dāng)含水率為16%時，在機械壓力作用下土顆粒間距縮小，土顆粒間存在厚度適當(dāng)?shù)乃肿幽?，生土材料展現(xiàn)出塑性狀態(tài)，土顆粒通過粘結(jié)力彼此形成相對穩(wěn)定的整體性結(jié)構(gòu)，材料的抗壓強度獲得顯著提升；當(dāng)含水率達到19%和22%時，黏土顆粒之間存在的水分子膜明顯變厚，在機械壓力作用下土顆粒間因過厚的水分子膜產(chǎn)生相對滑移，土顆粒之間無法形成有效粘結(jié)和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進而影響其抗壓強度。此外當(dāng)生土試件養(yǎng)護完成后，過高的含水率導(dǎo)致水分蒸發(fā)后材料基體內(nèi)存在大量的孔隙，進一步制約了生土材料的抗壓強度。

3.2復(fù)合改性生土材料抗凍性能分析

在16%最優(yōu)含水率條件下，針對不同水泥、礦渣摻量配方的改性生土材料進行凍融循環(huán)實驗，20次凍融循環(huán)后進行試件的抗壓強度測試，計算復(fù)合改性生土材料試件的抗壓強度損失，結(jié)果表明水泥和礦渣摻量影響復(fù)合改性生土試件的抗凍性能。

3.2.1水泥/礦渣復(fù)合改性對生土材料抗凍性能的影響

對不同改性配方下的生土材料試件進行凍融循環(huán)前后的抗壓強度測試并計算凍融循環(huán)后試件的強度損失率，結(jié)果表明不同水泥、礦渣摻量下復(fù)合改性生土材料試件凍融循環(huán)前后抗壓強度均有不同程度的提升且凍融循環(huán)后試件的強度損失率獲得了不同程度的降低，如圖3。

圖3　復(fù)合改性生土材料凍融前后抗壓強度及強度損失Fig.3　Compressive strength and strength loss of stabilized earth material before and after freezing and thawing cycle

在凍融循環(huán)作用下，由于熱脹冷縮作用產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力作用對生土試件的內(nèi)部連接和結(jié)構(gòu)進行破壞，宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生細微的裂紋，造成改性生土試件抗壓強度的降低。圖3顯示未改性生土材料凍融循環(huán)作用后，試件抗壓強度損失率達到54%。采用水泥、礦渣混合材料對生土材料進行改性后，試件在凍融循環(huán)作用后抗壓強度損失率明顯低于未改性生土材料。這是因為當(dāng)凍融循環(huán)作用時，復(fù)合改性生土材料內(nèi)部由膠凝體粘聚土顆粒所形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)具備抵御熱脹冷縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的能力，降低了材料內(nèi)部出現(xiàn)的裂紋數(shù)量，使復(fù)合改性生土材料在凍融循環(huán)作用后依然具有較好的抗壓強度。

本文采用傅里葉紅外光譜分析儀對改性前后生土材料進行定性分析，針對改性前后生土材料抗壓強度的提升機理進行研究。

圖4　傅里葉紅外光譜分析結(jié)果(a)生土材料;(b)水泥/礦渣改性生土材料Fig.4　FT-IR test result

圖4(a)為未改性生土材料的紅外光譜分析，圖中3417.30 cm-1處吸收峰屬于H-O-H伸縮振動，表明材料中存在吸附水；1434.53 cm-1，1005.97 cm-1，873.24 cm-1，798.39 cm-1等處出現(xiàn)的吸收峰屬于伊利石、蒙脫石的特征峰，這一結(jié)果與前面對土料的礦物組成分析一致。

圖4(b)為復(fù)摻水泥-礦渣改性生土材料的紅外光譜分析。由圖可以看出，3400～3500 cm-1和997.00cm-1附近有吸收峰的存在，此范圍內(nèi)的吸收峰的存在說明水泥-礦渣改性生土材料存在與水化硅酸鈣凝膠相似的產(chǎn)物；1424.00 cm-1、873.34 cm-1和715.82 cm-1處依然存在屬于伊利石和蒙脫石的特征峰，說明生土材料改性后其礦物組成未發(fā)生變化。此外，復(fù)摻改性后在1434.53 cm-1的特征峰移向1424.00 cm-1, 873.24 cm-1移向873.34 cm-1，說明在改性材料水化反應(yīng)作用下生土材料中的黏粒與溶液中存在的陽離子發(fā)生了離子交換作用；吸收峰為水化硅酸鈣的特征峰，進一步證明復(fù)合改性生土材料中水泥水化生成了膠凝產(chǎn)物；666.77 cm-1處吸收峰為SiO42-基團彎曲振動特征峰，說明水泥水化過程中有一定量的石膏產(chǎn)生。

通過對改性生土材料進行紅外光譜分析，可知水泥/礦渣復(fù)合改性生土材料通過水化作用產(chǎn)生不溶于水的膠凝產(chǎn)物，其膠凝產(chǎn)物對土顆粒的包裹作用以及對結(jié)構(gòu)孔隙的填充作用使得復(fù)合改性生土材料抗壓強度得到了顯著地提升。此外，水化膠凝產(chǎn)物與土顆粒形成整體性結(jié)構(gòu)，能夠降低凍融循環(huán)作用時膨脹收縮產(chǎn)生的應(yīng)力對生土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的侵害，降低強度損失。

3.2.2水泥摻量對復(fù)合改性生土材料抗凍性能的影響

圖5為礦渣摻量為10%條件下，不同水泥摻量復(fù)合改性生土材料的抗壓強度和強度損失率。由圖可以看出，隨著水泥摻量的增加，改性生土材料凍融前抗壓強度均呈現(xiàn)出增長的趨勢，凍融循環(huán)作用后材料的強度損失率逐漸降低。這是因為隨著水泥摻量的增加，能夠產(chǎn)生更多的水化膠凝產(chǎn)物，與此同時生成的Ca(OH)2能夠為礦渣提供足夠的(OH)-，使得礦渣完成玻璃體的分解和礦渣的水化作用，產(chǎn)生水化硅酸鈣凝膠。水化生成的膠凝產(chǎn)物越多，土顆粒被包裹的越緊密，彼此之間的連接作用越明顯，原本相互獨立的土顆粒在膠凝產(chǎn)物的作用下團聚在一起，形成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)，這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形成使改性生土材料的抗壓強度得到了顯著提升。此外，密實的微觀結(jié)構(gòu)能夠抵御冷熱交替所帶來的應(yīng)力作用，降低凍融循環(huán)作用所引起的強度損失。因此，水泥摻量越多，改性生土材料中水化生成的膠凝材料越多，改性生土材料內(nèi)部越致密，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，抗壓強度越高，抗凍融性能越強。

圖5　礦渣摻量為10%時，不同水泥摻量對抗凍性能的影響Fig.5　Influence of cement dosage on freezing-thawing durability when slag dosage is 10%

圖6為不同水泥摻量下復(fù)合改性生土材料的微觀形貌，由于本文僅關(guān)注不同水泥摻量下改性生土材料存在的微觀形貌差異，因此僅對3%、5%和7%水泥摻量下改性生土材料進行了掃描電鏡拍攝。由圖6可以看出，不同水泥摻量復(fù)合改性生土材料的微觀形貌存在明顯的差異。當(dāng)水泥摻量為3%時(圖a)，由于水泥摻量較少，其水化生成的膠凝產(chǎn)物和Ca(OH)2較少，制約了礦渣玻璃體結(jié)構(gòu)分解和水化。因此，圖a顯示出土顆粒被膠凝產(chǎn)物包裹并在一定程度上呈現(xiàn)出堆積的狀態(tài)，但是此時膠凝產(chǎn)物不足，導(dǎo)致土顆粒被包裹的不夠充分，可以看到有片層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)裸露在外，證明此時水泥摻量不足；當(dāng)水泥摻量為5%時(圖b)，隨著水泥摻量的增加，水化產(chǎn)物增多，礦渣的水化更加充分，膠凝產(chǎn)物開始將更多的土顆粒包裹進膠凝體中，此時裸露在外的片層狀土顆粒明顯減少，土顆粒被膠凝體充分包裹并形成一個整體，使得此時的生土材料抗壓強度及抗凍融性能較3%水泥摻量時有了一定的提升；當(dāng)水泥摻量為7%時(圖c)，水泥水化產(chǎn)物的繼續(xù)增加，使得土顆粒全方位地被膠凝體所包裹，土顆粒表面已經(jīng)幾乎看不到裸露的片層狀結(jié)構(gòu)，而是形成一個質(zhì)地均勻、表面平整的結(jié)構(gòu)，說明土顆粒已經(jīng)成了一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，此時復(fù)合改性生土材料抗壓強度及抗凍融性能獲得了顯著的提升。

圖6　不同水泥摻量下生土材料微觀形貌(a)3%;(b)5%;(c)7%Fig.6　Microstructure of earth material under different cement contents

3.2.3礦渣摻量對復(fù)合改性生土材料抗凍性能的影響

圖7　水泥摻量為5%時，不同礦渣摻量對抗凍性能的影響Fig.7　Influence of slag dosage on freezing-thawing durability when cement dosage is 5%

圖7為水泥摻量為5%時，不同礦渣摻量下復(fù)合改性生土材料抗壓強度及凍融循環(huán)強度損失。由圖可以看出，隨著礦渣摻量的增加，復(fù)合改性生土材料抗壓強度逐漸提升且凍融循環(huán)強度損失逐漸減小。這是因為水泥水化生成一定量Ca(OH)2，形成一定的堿性環(huán)境，更多的礦渣被激發(fā)出活性后，能夠產(chǎn)生更多的水化膠凝產(chǎn)物。此時復(fù)合改性材料的抗壓強度提升效果更加顯著，抵御凍融循環(huán)作用的能力也越強，凍融循環(huán)強度損失越少。

圖8為礦渣摻量為5%、10%和15%條件下復(fù)合改性生土材料的掃描電鏡照片，以分析不同礦渣摻量下改性生土材料的微觀形貌差異。當(dāng)?shù)V渣摻量為5%時，水泥水化生成的膠凝產(chǎn)物對土顆粒進行包裹和連接。此時，少量的礦渣被堿性環(huán)境激發(fā)活性并生成膠凝產(chǎn)物，這部分膠凝體對生土材料進一步包裹和填充，但此時材料的表面仍然可以看到一些“凹陷”。當(dāng)?shù)V渣摻量為10%時，更多的礦渣被激發(fā)，從掃描電鏡照片上看，此時生土材料表面“凹陷”明顯減少，結(jié)構(gòu)更加致密，因此材料的抗壓強度較5%礦渣摻量為更高。當(dāng)?shù)V渣摻量增加至15%時，土顆粒被膠凝產(chǎn)物完全包裹，材料表面凹陷進一步減少，材料的微觀結(jié)構(gòu)光滑且飽滿，結(jié)構(gòu)密實度得到進一步提升，此時材料的抗壓強度和抗凍性得到進一步增強。

圖8　不同礦渣摻量下生土材料微觀形貌(a)5%;(b)10%;(c)15%Fig.8　Microstructure of earth material under different slag contents

4　結(jié)　論

通過復(fù)摻水泥和礦渣對生土材料進行改性，在凍融循環(huán)作用前后對復(fù)合改性生土材料進行抗壓強度測試，利用傅里葉紅外光譜分析和掃描電鏡對材料的性能差異和改性機理進行微觀分析，得到以下結(jié)論：

(1)對生土材料進行水泥/礦渣復(fù)合改性，能夠顯著提升凍融循環(huán)作用前后生土材料的抗壓強度。這是因為復(fù)合改性材料的水化膠凝產(chǎn)物對生土具有包裹作用和填充作用。此外，由于膠凝產(chǎn)物彼此相連形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠抵御凍融循環(huán)作用在材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，使得生土材料的抗凍性能得到提升；

(2)在一定礦渣摻量下，水泥摻量的增加能夠有效提升復(fù)合改性生土材料的抗壓強度，減少凍融循環(huán)作用下的強度損失率。這是因為水泥摻量的增大，能夠增加水化膠凝產(chǎn)物的產(chǎn)生，更多的Ca(OH)2激發(fā)出礦渣的活性，土體被膠凝體的包裹和填充作用更加明顯，從而形成一個質(zhì)地均勻、表面平整的結(jié)構(gòu)，復(fù)合改性生土材料抗壓強度及抗凍融性能也獲得了顯著的提升；

(3)當(dāng)水泥摻量一定時，復(fù)合改性生土材料的抗壓強度隨礦渣摻量的增加而提升，凍融循環(huán)強度損失率隨之減少。這是因為在水泥水化生成的堿性環(huán)境中，更多的礦渣被激發(fā)并生成膠凝產(chǎn)物，使得生土材料表面凹陷和孔洞明顯減少，結(jié)構(gòu)更加致密、飽滿，材料的抗壓強度和抗凍性得到提升。

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Strength Characteristic of Stabilized Earth Material under Freezing and Thawing Cycle

ZHANGLei1,YANGLiu1,MAXiang-long2,HEJian-tao1,ZHUSan-pu1

(1.College of Architecture,Xi'an University of Architecture & Technology,Xi'an 710055,China;2.College of Materials & Mineral Resources,Xi'an University of Architecture & Technology,Xi'an 710055,China)

Earth material have defects of mechanical property and freezing-thawing durability, freezing-thawing durability of stabilized earth material with both cement and slag was analyzed. The mechanism of freezing-thawing durability improvement was studied by FT-IR and SEM, the influence of dosage of cement and slag on freezing-thawing durability was analyzed. The results show that compared to soil, the compressive strength of stabilized earth materials were improved observably before and after freezing and thawing cycle. In addition, the compressive strength of stabilized earth material was improved with the increasing of dosage of cement and slag, losses of strength after freezing and thawing cycle were reduced.

freezing and thawing cycle;stabilized earth material;compressive strength;loss of strength

國家杰出青年基金項目(51325803)

張磊(1987-)，男，博士研究生.主要從事生土建筑室內(nèi)熱環(huán)境方面的研究.

楊柳，博士，教授，博士生導(dǎo)師.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2094-07