改性生土泥漿最優(yōu)配合比的試驗及分析

楊森，李志強(qiáng)，王國慶，鞠冠男

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子，832003）

我國生土建筑已經(jīng)有7000多年的歷史，生土建筑具有就地取材、技術(shù)簡單、建造方便、物理性能良好、隔聲性能好、對室內(nèi)的溫度以及濕度有很好的調(diào)節(jié)能力等優(yōu)點，在我國西部的陜西、山西、甘肅、寧夏、新疆農(nóng)村地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。目前，對生土材料的研究偏向于生土試塊力學(xué)性能和墻體抗震方面研究[1-8]，丁蘇金等[1]研究了生土砌塊用粘結(jié)材料物理力學(xué)性能的影響和粘結(jié)材料的改性方法，王毅紅、周鐵鋼等[2-5]對西北的粘土進(jìn)行了試塊、改性砂漿、墻體抗震等較全面的研究，劉成奎、馮堅等[6]針對青海地區(qū)改性生土墻體材料進(jìn)行了試驗研究，茹克亞·阿不地?zé)嵋滥镜萚7]對新疆的南疆生土建筑黏性土體材料基本土力學(xué)性能進(jìn)行研究，卜永紅等[8]研究了承重夯土墻體在地震荷載作用下的破壞過程、破壞形態(tài)的研究。

由上述研究可知，生土材料的研究仍是廣大學(xué)者關(guān)注的焦點之一，但大多數(shù)的研究都是在缺乏配套粘結(jié)材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。而由《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50003-2011）可知，砌體結(jié)構(gòu)的受拉、受彎、受剪性能主要是由粘結(jié)材料決定的，粘結(jié)材料對墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性、抗震性能具有顯著影響。加之我國地處地震活動多發(fā)區(qū)，生土建筑的抗震性能受到極大挑戰(zhàn)。因此，本文在生土泥漿中復(fù)摻草筋、水泥、生石灰、糯米以改善其受力性能和耐久性，并通過正交試驗探討改性生土泥漿的受力特性和其最優(yōu)配合比，為改性生土材料的相關(guān)研究提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

粘土采用新疆石河子150團(tuán)的粘土；水泥采用新疆石河子開發(fā)區(qū)青松天業(yè)水泥有限公司生產(chǎn)的32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥；生石灰采用石河子一五一團(tuán)振興石灰廠；草筋采用長度≤50 mm的麥秸稈；糯米采用超市食用糯米；試驗拌和水及養(yǎng)護(hù)水均采用自來水。

1.2 正交試驗設(shè)計

試驗主要研究草筋摻量（A）、水泥摻量（B）、生石灰摻量（C）和糯米（D）摻量4種因素對生土砌體的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。為了減少試驗的次數(shù)，所以設(shè)計四因素三水平L9（34）正交試驗。根據(jù)本課題組的前期試驗研究[9]，制定了正交因素試驗水平表及試驗方案，如表1、2所示。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level of test

表2 正交試驗方案表L9（34）Tab.2 The scheme of orthogonal test

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

依據(jù)GB/T 4111-2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進(jìn)行試驗，可得改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度（表3）。

按照正交試驗的分析方法，對表2和表3的試驗結(jié)果進(jìn)行處理，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，28 d抗壓強(qiáng)度的各因素影響順序為：草筋A(yù)＞糯米D＞水泥B＞生石灰C；28 d劈裂強(qiáng)度的各因素影響順序為：糯米D＞草筋A(yù)＞水泥B＞生石灰C。

表3 正交試驗結(jié)果Tab.3 The results of orthogonal test

表4 正交試驗極差分析Tab.4 The range analysis of orthogonal test

2.2 抗壓強(qiáng)度因素指標(biāo)分析

根據(jù)正交試驗法，所考察的28 d抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)由直觀分析表可求出各因素在不同水平下的強(qiáng)度值，見圖1。由圖1可知：

（1）改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度隨著草筋A(yù)摻量的增加而逐漸增加，當(dāng)草筋A(yù)摻量由0%增加到0.25%時，28 d抗壓強(qiáng)度增加至初始強(qiáng)度2倍（圖1a）。

究其原因主要是：加入草筋起到了生土骨架作用，所以在改性泥漿中加入草筋可提高砌塊抗壓強(qiáng)度。

（2）當(dāng)水泥摻量B由 15%增至 17.5%時，改性泥漿砌塊28 d抗壓強(qiáng)度逐漸減小，減少10.9%，說明在前期水泥摻量對生土固相物質(zhì)的重組影響不大，對改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度增加不明顯；而當(dāng)B的摻量由17.5%增加到20%時，28 d抗壓強(qiáng)度增加48.6%，但是整體呈上升趨勢（圖1b），此時水泥的摻量對改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度影響最顯著。

究其原因主要是：生土中加入水泥能增加生土固相物質(zhì)的重組，所以改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量B的增加而增加。

（3）改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度隨著生石灰摻量C的增加而降低。由于生石灰摻量較少時，參與土粒反應(yīng)的石灰量少，生成的膠結(jié)物少從而影響土體的整體性、穩(wěn)定性和強(qiáng)度提高。石灰摻量從2.5%增加到5%時，改性泥漿砌塊28 d抗壓強(qiáng)度逐漸增大，增幅為9%；但是整體上呈下降趨勢（圖1c）。

究其原因是：由于生石灰整體摻量少，在做實驗時可能出現(xiàn)拌和不均勻現(xiàn)象，使土的空隙變大對改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度提高不顯著。

（4）隨著糯米摻量C的增加，改性泥漿砌塊28 d抗壓強(qiáng)度逐漸增加，其強(qiáng)度增加到初始強(qiáng)度的22%；糯米摻量從5%增加到10%時，其28 d的強(qiáng)度逐漸減小，減幅為28%；整體上呈下降趨勢（圖1d）。

究其原因主要是：添加糯米汁后，土粒間的粘性更多，土粒呈粘團(tuán)狀，很難被擊實，從而使砌塊內(nèi)部產(chǎn)生空隙造成砌塊受力不均使抗壓強(qiáng)度降低。

圖1 各因素對改性泥漿砌塊28 d抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of four factors on 28 d compressive strength of the modified mud block

2.3 劈裂強(qiáng)度因素指標(biāo)分析

根據(jù)正交試驗法，所考察的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度的指標(biāo)由直觀分析表可求出各因素在不同水平下的強(qiáng)度值，結(jié)果見圖2。由圖2可知：

（1）隨著草筋摻量A的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度而增加。草筋摻量從0增加到2.5%時，28 d抗拉強(qiáng)度增加至原始強(qiáng)度的1.43倍（圖2a），草筋大大增加了生土骨架作用。這表明：在改性泥漿砌塊中加入草筋可使變形能力大大提高，改性泥漿砌塊抗拉強(qiáng)度隨著草筋摻量增加而增加。

（2）隨著水泥摻量B的增加，改性泥漿砌塊的抗拉強(qiáng)度逐漸增加（圖2b），水泥可有效使生土內(nèi)固相物質(zhì)重組，但是變形能力較低。

（3）改性泥漿砌塊近似隨著生石灰摻量C的增加而逐漸增加，當(dāng)C的摻量由0增加到2.5%時，抗拉強(qiáng)度相比于初始強(qiáng)度減小7.5%（圖2c），生石灰對劈裂抗拉強(qiáng)度和變形能力較低。

（4）當(dāng)糯米摻量D由0增加到5%時，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度急劇增大，抗拉強(qiáng)度增加至初始1.53倍，此時改性泥漿砌塊的抗拉強(qiáng)度和變形能力最大；當(dāng)糯米摻量由5%增加到10%，抗拉強(qiáng)度逐漸減小，減幅為24.1%（圖2d）；隨著糯米摻量的進(jìn)一步增多，土粒的粘性變得更大，不易攪拌均勻，使土粒間的空隙變大，從而影響改性泥漿砌塊抗拉強(qiáng)度提高。

圖2 各因素對改性泥漿砌塊28 d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of foiirs factors on 28 d spitting tensile strength of the modified mud block

2.4 方差分析

改性泥漿砌塊立方體抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果的方差分析見表5。

表5 正交試驗方差分析Tab.5 The variance analysis of orthogonal test

由表5可知：

（1）對28 d時的抗壓強(qiáng)度，草筋摻量A對改性泥漿砌塊的影響最為顯著，其次是糯米摻量D，最后是生石灰摻量C、水泥摻量D（二者對抗壓強(qiáng)度的影響比較接近）。

（2）對28 d時的抗拉強(qiáng)度，糯米對改性泥漿砌塊的影響最為顯著，其次是草筋摻量，最后是水泥摻量，生石灰摻量對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響不具有顯著性。

2.5 最優(yōu)配合比

由因素指標(biāo)分析可知，改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)配比為A3B3C1D2，即草筋為0.25%，水泥為20%，生石灰為0%，糯米為5%。改性泥漿砌塊劈裂抗拉強(qiáng)度的最優(yōu)配比為A3B3C2D2，即草筋為0.25%，水泥為20%，生石灰為2.5%，糯米為5%。

綜合考慮改性泥漿砌塊抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的最優(yōu)配合比，其中草筋摻量A、水泥摻量B和糯米摻量D可作為定量，并由方差分析知生石灰C對改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度影響不顯著，再考慮到生石灰能提高改性泥漿砌塊的耐水性，最終確定最優(yōu)配合比為為A3B3C2D2，即草筋為0.25%，水泥為20%，生石灰為2.5%，糯米為5%。

3 討論

經(jīng)文獻(xiàn)檢索，目前有關(guān)改性泥漿的研究很少，本文的試驗結(jié)果與改性泥漿的相關(guān)研究[1]對比分析，有以下主要特點：

（1）文獻(xiàn)[1]選取水泥、水泥礦渣、粉煤灰以及氯化鈣、硫酸鈉為摻合料；本文選取草筋、水泥、生石灰、糯米為摻合料，是根據(jù)我國古代“糯米灰漿”和現(xiàn)代泥漿的工藝進(jìn)行了改進(jìn)，更符合生土建筑工藝的要求。

（2）文獻(xiàn)[1]主要采取單因素的試驗方法，各摻量對泥漿抗壓強(qiáng)度的影響比較直觀，但是試驗量比較大。本文采用正交試驗方法，各摻量對泥漿抗壓強(qiáng)度的影響需要通過理論分析才能得到，但試驗量較小，且能體現(xiàn)出各摻量之間的相互作用對泥漿抗壓強(qiáng)度的影響，能更真實反映各材料對生土材料整體性能的影響。

（3）文獻(xiàn)[1]主要以泥漿的抗壓強(qiáng)度、保水率為設(shè)計目標(biāo)；本文主要以泥漿的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度為設(shè)計目標(biāo)，并綜合考慮了材料的耐久性，更適用于對耐久性有較高要求的生土建筑。

4 結(jié)論

由9組改性泥漿砌塊的正交試驗的結(jié)果及分析，本研究得到以下結(jié)論：

（1）影響改性泥漿砌塊抗壓強(qiáng)度的各因素影響順序為：草筋A(yù)＞糯米D＞水泥B＞生石灰C；影響改性泥漿砌塊劈裂抗拉強(qiáng)度的各因素影響順序為：糯米D＞草筋A(yù)＞水泥B＞生石灰C。

（2）當(dāng)A3B3C2D2時為最優(yōu)配合比，即草筋為0.25%，水泥為20%，生石灰為2.5%，糯米為5%，此時改性泥漿砌塊的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較高。

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