水泥與礦渣對生土基粘結(jié)材料抗壓強度的影響

丁蘇金,楊鼎宜,張磊蕾,王武祥

(1.揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚州 225009；2.中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024)

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水泥與礦渣對生土基粘結(jié)材料抗壓強度的影響

丁蘇金1,2,楊鼎宜1,張磊蕾2,王武祥2

(1.揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚州 225009；2.中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024)

研究了水泥、礦渣單摻和復(fù)摻時，對生土基粘結(jié)材料抗壓強度的影響，優(yōu)化了Mb5、Mb10、Mb15生土基粘結(jié)材料配合比。結(jié)果表明：礦渣對生土基粘結(jié)材料的增強作用優(yōu)于水泥，但對生土基粘結(jié)材料抗收縮能力的提升弱于水泥；復(fù)摻水泥礦渣時礦渣摻量宜大于水泥摻量且小于10%；復(fù)摻水泥礦渣時粘結(jié)材料的14 d強度可達28 d強度的90%左右，14 d以后粘結(jié)材料強度增長緩慢。

生土； 粘結(jié)材料； 水泥； 礦渣； 抗壓強度

1 引 言

生土是指未經(jīng)焙燒的土壤(如黏土、砂土等)或僅經(jīng)過簡單加工的原狀土質(zhì)材料[1]，使用生土基材料建設(shè)房屋在我國由來已久，具有可以就地取材、施工簡便、造價低廉、保溫隔熱等特點[2]，有利于環(huán)境保護和生態(tài)平衡，在我國尤其是貧困農(nóng)村地區(qū)房屋建設(shè)中，具有相適宜的應(yīng)用定位和充分發(fā)揮空間[3]。與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的墻體材料相比，生土材料及其制品(例如：土坯磚)在物理力學(xué)性能、耐久性等方面存在明顯不足，影響生土建筑安全性和耐久性，阻礙生土建筑進一步發(fā)展。近年來，國內(nèi)外學(xué)者從物理和化學(xué)兩方面進行生土及其制品(例如：生土砌塊)的改性技術(shù)研究[4]，取得顯著進展，并以生土砌塊為主要建筑材料建造了現(xiàn)代化建筑[5]，但現(xiàn)階段生土砌塊配套粘結(jié)材料的研發(fā)卻相對落后，研究表明[6]，粘結(jié)材料對砌體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性與抗震性有顯著影響。本文使用水泥、礦渣和生土進行復(fù)合，制備生土砌塊配套生土基粘結(jié)材料，分析水泥和礦渣對粘結(jié)材料力學(xué)性能的影響，并對水泥、礦渣、生土等配比參數(shù)進行了優(yōu)化。

2 試 驗

2.1 試驗材料

生土：陜西黃土，氧化鈣/二氧化硅(鈣硅比)為0.2，粘粒含量10%，顆粒粒度見表1，化學(xué)組成見表2；

水泥：唐山冀東水泥廠產(chǎn)42.5R普通硅酸鹽水泥；磨細礦渣粉：S95級普通礦渣，化學(xué)成分見表2；

硅酸鈉、氫氧化鈉：分析純試劑，含量不少于99.5%；水：北京市自來水。

表1 生土顆粒粒度表Tab.1 Fineness of raw soil

表2 生土、礦渣化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of raw soil and slag /%

2.2 試驗方法

成型方法：按設(shè)計配合比稱量干粉和水，將干粉倒進攪拌機預(yù)拌30 s使其混合均勻。緩緩將水倒入攪拌機中，根據(jù)經(jīng)驗及漿體稠度調(diào)整并記錄實際加水量，控制漿體稠度在70～80 mm之間。按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ/T 70-2009)成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試件，成型后試件在(20±5) ℃的室內(nèi)環(huán)境養(yǎng)護48 h后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下繼續(xù)養(yǎng)護至28 d。

稠度測試方法：按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》測定生土基粘結(jié)材料漿體稠度，稠度不滿足要求的漿體重新制備。

抗壓試驗方法：取出養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件，立即放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在(40±2) ℃，鼓風(fēng)條件下干燥至含水率為(27%±4%)，冷卻至室溫后測試抗壓強度。

2.3 試驗配合比

為保留生土原有特性，本試驗水泥和礦渣總摻量小于25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。單摻水泥、礦渣時，水泥、礦渣和水玻璃(Water glass，Na2SiO3+NaOH)摻量按5%遞增；復(fù)摻水泥、礦渣時，水泥和礦渣摻量按2.5%遞增，各摻量取值范圍見表3。為保證生土基粘結(jié)材料施工性能，增加試驗結(jié)果可比性，本試驗漿體稠度控制在70～80 mm之間，并以此為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整用水量。

表3 各摻量取值范圍Tab.3 Variation range of mixing amount

2.4 生土在粘結(jié)材料中的作用

生土是制備生土基粘結(jié)材料的主要原材料，其主要礦物成分是石英、方解石、鈉長石等非活性礦物，同時含有少量沸石、高嶺土等活性材料，顆粒排列緊密程度很差，顆粒與顆粒之間的接觸點數(shù)目非常少，彼此之間沒有牢固連接，因此生土的受力骨架十分松散，力學(xué)性能較差。往生土材料內(nèi)摻入水泥和礦渣后將生成C-S-H凝膠，使松散的土顆粒凝聚成團，增加粘結(jié)材料強度，堿性環(huán)境還能激發(fā)生土內(nèi)活性硅氧材料，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，使粘結(jié)材料形成致密整體。

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥對生土基粘結(jié)材料抗壓強度影響

圖1 抗壓強度-水泥摻量變化圖Fig.1 Variety of compressive strength with different cement content

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件養(yǎng)護28 d后，水泥在不同摻量下對生土基粘結(jié)材料抗壓強度的影響見圖1。由圖可見，當(dāng)水泥摻量小于20%時，每增加5%水泥，生土基粘結(jié)材料強度均增長1倍以上；當(dāng)水泥摻量大于20%后，強度增長速度變慢。當(dāng)水泥摻量為25%時，生土基粘結(jié)材料抗壓強度為20.2 MPa，強度較高，但水泥摻量過大，增加了生土基粘結(jié)材料的經(jīng)濟成本和循環(huán)再利用的難度。當(dāng)水泥摻量為15%時，粘結(jié)材料強度為7.3 MPa，達到Mb5強度等級，當(dāng)水泥摻量為20%時，粘結(jié)材料強度為14.4，達到Mb10強度等級。

3.2 礦渣對生土基粘結(jié)材料抗壓強度影響

由于礦渣需要在堿性環(huán)境下才能發(fā)揮作用，本文分別用5%、10%水玻璃與10%、15%、20%礦渣復(fù)合，研究礦渣對生土基粘結(jié)材料抗壓強度的影響，見圖2，圖中標(biāo)注數(shù)值為生土基粘結(jié)材料抗壓強度。由圖可見，當(dāng)?shù)V渣摻量為10%時，最小抗壓強度為8.6 MPa，滿足強度等級Mb5要求；當(dāng)?shù)V渣摻量為15%時，最小、最大抗壓強度為13.6 MPa和20.0 MPa，分別達到強度等級Mb10和Mb20；礦渣摻量為20%時，最大抗壓強度為24.3 MPa，但未達到強度等級Mb25。

圖2 抗壓強度隨礦渣摻量和Na2SiO3/NaOH變化圖Fig.2 Compressive Strength-slag content and Na2SiO3/NaOH

圖3 水泥(a)、礦渣(b)改性粘結(jié)材料裂縫開展情況Fig.3 Crack development of cement(a) or slag(b) modified bonding material

當(dāng)?shù)V渣摻量相同時，增加水玻璃摻量能夠增加粘結(jié)材料強度，但礦渣摻量僅為10%時，強度增長并不明顯。激發(fā)劑模數(shù)(Na2SiO3/NaOH)對粘結(jié)材料強度也有較大影響，當(dāng)水玻璃摻量為5%，礦渣摻量為10%時，Na2SiO3/NaOH=5對粘結(jié)材料強度有較好的改性效果，最大抗壓強度為15.7 MPa。當(dāng)水玻璃摻量為10%，礦渣摻量為20%時，Na2SiO3/NaOH=4對強度有較好的改性效果，最大抗壓強度為24.3 MPa。

在礦渣和水泥摻量相同的情況下，單摻礦渣比單摻水泥對生土基粘結(jié)材料的增強作用更為顯著，但與單摻水泥相比，單摻礦渣并使用水玻璃激發(fā)的生土基粘結(jié)材料更易開裂。圖3為水泥、礦渣摻量同為10%的粘結(jié)材料在同一烘箱(40 ℃)內(nèi)干燥10 h后的裂縫開展情況，水泥改性粘結(jié)材料尚未開裂，礦渣改性已產(chǎn)生多道裂縫，這主要是因為水泥水化后生成大量C-S-H凝膠和CH相，將生土材料內(nèi)未反應(yīng)的顆粒粘結(jié)在一起，形成強度并增加材料抵抗收縮的能力。礦渣中CaO、SiO2、Al2O3等氧化物含量占礦渣質(zhì)量的90%以上，在堿性激發(fā)劑激發(fā)后生成大量[SiO4]4-和[AlO4]5-鏈，聚合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成強度，對顆粒粘結(jié)程度低，干燥收縮后易于開裂。

3.3 水泥與礦渣復(fù)合對生土基粘結(jié)材料抗壓強度影響

本文將同一組實驗數(shù)據(jù)分別以礦渣摻量和水泥摻量作為橫坐標(biāo)，抗壓強度為縱坐標(biāo)做折線圖，用以探討和分析復(fù)摻水泥、礦渣時水泥與礦渣對生土基粘結(jié)材料抗壓強度的影響，見圖4a和圖4b?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻量相同，粘結(jié)材料強度隨礦渣摻量增加基本呈現(xiàn)線性增長趨勢，礦渣摻量相同時，強度增長趨勢類似。在相同比例坐標(biāo)系中，圖4a曲線斜率略大于圖4b曲線斜率，說明復(fù)摻時，礦渣對粘結(jié)材料強度的增強效果優(yōu)于水泥。

在膠凝材料總摻量相同的情況下對比單摻水泥與復(fù)摻水泥礦渣時生土基粘結(jié)材料抗壓強度，見表4。

表4 單摻水泥與復(fù)摻水泥礦渣時粘結(jié)材料抗壓強度Tab.4 Compressive strength of bonding material with cement only and compound addition

由表可見，與單摻水泥相比，使用部分礦渣代替水泥，不僅能降低生土基粘結(jié)材料經(jīng)濟成本，對抗壓強度也有一定的提升。當(dāng)?shù)V渣摻量小于等于5.0%，水泥/礦渣≥1，強度增長率較大，但抗壓強度增長小于1.5 MPa。當(dāng)?shù)V渣摻量為5.0%～10.0%，水泥/礦渣≤0.5時，粘結(jié)材料強度增長率大于等于26.0%，抗壓強度增長1.9 MPa，水泥/礦渣≥1則強度增長率明顯下降，甚至出現(xiàn)負值。因此，在復(fù)摻水泥礦渣時，礦渣摻量宜大于水泥摻量且小于10%。

3.4 養(yǎng)護齡期對抗壓強度影響

為探討水泥礦渣復(fù)合改性生土基粘結(jié)材料在不同養(yǎng)護齡期下強度的發(fā)展情況，本文設(shè)計了Mb5、Mb10、Mb15三個強度等級試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護3 d、7 d、14 d、28 d、60 d的抗壓強度變化，見圖5。

圖5 強度-養(yǎng)護齡期關(guān)系曲線(a)抗壓強度;(b)實際強度/設(shè)計強度 Fig.5 Curves of strength-curing period(a)Compressive strength;(b)actual strength/design strength

圖5a中三條曲線從下到上設(shè)計強度分別為Mb5、Mb10、Mb15，試件干密度分別為1390 kg/m3、1420 kg/m3、1460 kg/m3。可見，粘結(jié)材料在14 d時已基本達到設(shè)計強度，14 d后強度發(fā)展緩慢，當(dāng)?shù)V渣摻量大于10%時，后期強度有較好的發(fā)展。 從圖5b中可以發(fā)現(xiàn)，Mb5、Mb10、Mb15試件在14 d分別達到設(shè)計強度的101%、78%、93%，28 d達到設(shè)計強度的105%、81%、100%，60 d達到118%、97%、107%，而且試件強度仍在緩慢增長，基本達到設(shè)計強度等級，且Mb5和Mb15有強度富余。數(shù)據(jù)表明，生土基粘結(jié)材料中礦渣摻量大于水泥摻量時，仍能在早期水化過程中有較好的強度發(fā)展，在14 d時已基本達到設(shè)計強度的80%左右，14 d以后強度發(fā)展開始變慢。

4 結(jié) 論

(1)在生土中單摻水泥制備生土基粘結(jié)材料，能夠減緩收縮開裂，提高生土基粘結(jié)材料強度， 但是增強作用小于礦渣，在水泥摻量為15%和20%時，分別達到7.3 MPa和14.4 MPa，達到強度等級Mb5和Mb10;

(2)在生土中單摻礦渣能夠較好的提升生土基粘結(jié)材料強度，但抵抗收縮開裂的能力沒有明顯增長。單摻礦渣后粘結(jié)材料強度的形成需要激發(fā)劑激發(fā)，激發(fā)劑模數(shù)對激發(fā)效果有影響但影響不大。水玻璃摻量5%，礦渣摻量10%和15%，分別達到強度等級Mb5、Mb10。水玻璃摻量10%，礦渣摻量10%，達到強度等級Mb15;

(3)復(fù)摻水泥礦渣改性粘結(jié)材料能夠降低成本，改善材料力學(xué)性能，14 d即達到28 d強度的90%左右，14 d以后，強度仍持續(xù)增長，但增長速度緩慢。復(fù)摻時，礦渣摻量宜大于水泥摻量且小于10%。水泥摻量2.5%、礦渣摻量7.5%，水泥摻量7.5%、礦渣摻量10%的生土基粘結(jié)材料抗壓強度分別達到強度等級Mb5，Mb10。

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Analysis on Strength of Modified Raw Soil Bonding Materials Influenced by Cement and Slag

DINGSu-jin1,2,YANGDing-yi1,ZHANGLei-lei2,WANGWu-xiang2

(1.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China;2.China Building Materials Academy,Beijing 100024,China)

Effect of admixture including cement and slag as single and compound admixture on compressive strength of raw soil material for bonding materials was investigated. The matching parameters of bonding materials with different strength grades like Mb5, Mb10, Mb15 were optimized. It is demonstrated that slag had better enhancement function than cement for strength of bonding materials while had lower anti-shrinking capability than cement. The amount of slag content should greater than cement content and less than 10% while compounding cement and slag. It must be point out that the strength of bonding material with cement and slag can reached 90% of 28 d intensity in 14 d and it would be growing slowly ever since.

raw soil;bonding materials;cement;slag;compressive strength

國家科技支撐計劃課題(2014BAL03B03)

丁蘇金(1989-)，男，碩士研究生.主要從事生土基材料改性研究.

TQ177

A

1001-1625(2016)08-2353-05