成型工藝對(duì)生土制品力學(xué)性能的影響

□文/曲 烈 楊久俊

生土材料是名副其實(shí)的節(jié)能、環(huán)保、綠色建筑材料。我國(guó)的生土建筑有超過7000a的歷史，山西、陜西、福建、云南、黑龍江、內(nèi)蒙古、河南等地至今仍保留有生土建筑，其建筑形式有窯洞、土坯建筑、夯土建筑等[1]。但傳統(tǒng)生土基材料強(qiáng)度低、脆性大、抗水性差，由其建造的建筑在抗震性、耐久性等方面存在問題[2～3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)30年代就開始研究生土材料的改性方法，使其盡可能保證本身的良好特性，又能將作為墻體材料的力學(xué)、熱學(xué)、耐久性能達(dá)到最優(yōu)。在國(guó)外，研究者利用水泥、石灰等材料對(duì)生土進(jìn)行改性，以提高其強(qiáng)度和耐久性，開發(fā)出了石灰改性土、水泥改性土、復(fù)合改性土[4～5]等材料。近年來，由于地震災(zāi)害頻發(fā)，從生土建筑結(jié)構(gòu)體系、抗震構(gòu)造措施等方面逐漸展開研究，但對(duì)生土制品成型工藝與優(yōu)化的研究較為薄弱[6～7]。

本研究用無機(jī)改性劑對(duì)陜西黃土進(jìn)行改性，研究了不同工藝的生土強(qiáng)度，為壓制或振動(dòng)成型生土磚或砌塊在新農(nóng)村中的應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥和石灰

42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥為天津振興水泥廠生產(chǎn)。石灰為天津江天統(tǒng)一科技公司購(gòu)買，CaO含量達(dá)98%。

1.1.2 生土

生土為陜西黃土，把土在球磨機(jī)中粉磨10min，沒有大的結(jié)塊即可。土的物理性能見表1，粒度見表2。

表1 黃土物理性能 %

表2 黃土粒度 μm

1.1.3 河砂

普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.1，其含泥量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

分壓制、振動(dòng)和振動(dòng)加壓成型3種工藝進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表3-表5。

表3 生土壓制成型試驗(yàn)方案

表4 生土振動(dòng)成型試驗(yàn)方案

表5 生土砌塊振動(dòng)加壓成型試驗(yàn)方案

將陜西黃土陳化24h后，加定量的水?dāng)嚢杈鶆?。生土壓制成型試樣的水固比一般較低，當(dāng)生土料含水量過大時(shí)，容易發(fā)生溢漿現(xiàn)象。試塊制備過程要注意，準(zhǔn)確稱量材料后，混合要均勻，先干混后濕混；摻水泥的土料在0.5h內(nèi)壓制完成；稱取550g混合物裝入尺寸為40mm×40mm×160mm的鋼模中，以8MPa成型壓力（保壓4s）壓制生土試塊，加壓速率為0.5kN/s，壓出試塊高度在40mm左右。試塊脫模后在室內(nèi)環(huán)境干燥2d，放入50℃恒溫干燥箱至絕干（一般為5d），至齡期后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果均取3塊求平均值。

生土振動(dòng)成型利用ZDP-1500×1500振實(shí)臺(tái)進(jìn)行，試塊脫模后在室內(nèi)環(huán)境干燥2d后，放入干燥箱至絕干，至齡期后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果均取3塊求平均值。

生土空心砌塊振動(dòng)壓制成型采用日本虎牌M4成型機(jī)，通過壓力、持壓時(shí)間和振動(dòng)時(shí)間進(jìn)行控制。砌塊尺寸為390mm×290mm×190mm，空心率為30%，壓力控制在10MPa。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，溫度控制在（20±1）℃，濕度在90%以上，養(yǎng)護(hù)至檢測(cè)齡期。性能測(cè)試主要為砌塊力學(xué)性能，參照GB/T4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》。

2 結(jié)果與討論

2.1 采用壓制成型工藝的生土力學(xué)性能

摻水泥能成倍提高生土試塊力學(xué)性能，見圖1a。對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，生土試塊的抗壓強(qiáng)度是空白試樣的1.76倍；當(dāng)水泥摻量為10%時(shí)，為2.06倍；當(dāng)水泥摻量為15%時(shí)，達(dá)到2.7倍，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高16.97MPa。對(duì)于生土試塊的抗折強(qiáng)度，摻水泥也能有效提高，但幅度不是很明顯，當(dāng)水泥摻量達(dá)到15%時(shí)，抗折強(qiáng)度僅僅為1.44倍，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值為3.77MPa。

復(fù)摻改性的生土試塊力學(xué)性能較為優(yōu)良，相對(duì)于單摻改性生土試塊的抗壓強(qiáng)度要分別高出41.5%和85%。相對(duì)于未改性的生土試塊，抗壓強(qiáng)度提高了近3倍，見圖1b。隨纖維摻量的增多，抗折強(qiáng)度一直增高，抗壓強(qiáng)度在纖維含量為1%時(shí)最大，達(dá)到21.15MPa；當(dāng)纖維摻量為1.5%時(shí)又降低到18.07MPa。說明在復(fù)摻改性生土試塊中，纖維摻量1%是最佳的配比。

圖1 壓制成型生土的強(qiáng)度

2.2 采用振動(dòng)成型工藝的生土力學(xué)性能

隨水泥摻量增加，生土的抗折和抗壓強(qiáng)度升高，見圖2a。這是由于隨著水泥摻量的增加，材料增強(qiáng)作用逐漸增大。當(dāng)水泥摻量達(dá)到17.5%時(shí)，生土強(qiáng)度可達(dá)9.5MPa；當(dāng)水泥摻量達(dá)到20%時(shí)，強(qiáng)度可達(dá)9.5MPa?？梢?，單摻水泥需要較多的膠凝材料才能提高生土強(qiáng)度。

復(fù)摻膠凝材料對(duì)提高生土強(qiáng)度有明顯影響，見圖2b。砂含量為0，當(dāng)5%石灰加15%水泥摻量時(shí)，生土材料的抗壓強(qiáng)度最高為12.5MPa，遠(yuǎn)高于單摻20%水泥組的強(qiáng)度。這可能是因?yàn)轶w系中有更多的氧化鈣提高材料體系中的堿度，有利于激發(fā)生土中的活性氧化硅，生成更多的水化產(chǎn)物。而當(dāng)砂含量為20%時(shí)，水泥摻量為15%生土材料的抗壓強(qiáng)度最高為18.7MPa。這是因?yàn)閾郊由白右环矫婵梢栽诔尚蜁r(shí)排氣，另一方面可以增加生土材料的剛度，減少變形和增大生土的內(nèi)摩擦及體積穩(wěn)定性，由此而提高生土強(qiáng)度。

圖2 振動(dòng)成型生土的強(qiáng)度

2.3 采用振動(dòng)加壓成型工藝的生土空心砌塊力學(xué)性能

生土強(qiáng)度主要依賴于壓實(shí)能量。圖3為振動(dòng)加壓成型改性生土空心砌塊的強(qiáng)度。隨著水泥摻量由5%增加到15%，生土砌塊28d抗壓強(qiáng)度由4.0MPa增加到6.7MPa，說明在振動(dòng)加壓作用下，增加水泥的摻量使得生土強(qiáng)度可以進(jìn)一步由化學(xué)力提供，即它可以產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物。由XRD分析，砌塊樣品中存在明顯的C-S-H、鈣釩石、氫氧化鈣等衍射峰，主要來源于砌塊中所摻水泥水化及石灰熟化產(chǎn)物，其產(chǎn)物能夠起到固結(jié)生土砌塊各組成作用，提高有效結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3 振動(dòng)加壓成型生土空心砌塊的強(qiáng)度

3 結(jié)論

1）對(duì)于壓制成型工藝，復(fù)摻比單摻膠凝材料對(duì)提高生土強(qiáng)度作用更明顯。當(dāng)摻水泥為20%時(shí)，生土強(qiáng)度為17.0MPa；而5%石灰加15%水泥的生土強(qiáng)度可達(dá)19.6MPa。

2）對(duì)于振動(dòng)成型工藝，復(fù)摻膠凝材料、摻加砂子對(duì)提高生土強(qiáng)度有明顯影響。當(dāng)砂含量為20%時(shí)，摻5%石灰加15%水泥的生土強(qiáng)度可達(dá)18.7MPa。與壓制成型工藝相比，振動(dòng)成型工藝更有利。

3）對(duì)于振動(dòng)加壓成型工藝，當(dāng)石灰摻量為5%時(shí)，隨著水泥摻量由5%增加到15%，生土空心砌塊28d抗壓強(qiáng)度由4.0MPa增加到6.7MPa，說明除物理力振動(dòng)加壓作用外，增加化學(xué)力，將有利于生土強(qiáng)度的進(jìn)一步提高?！酢?/p>

[1]鄭寒英,劉家擁,朱 柯,等.不同改性材料對(duì)生土墻體材料性能的影響[J].混凝土與水泥制品,2014,（5）:62-66.

[2]劉 軍,盛國(guó)東,劉 宇.固化劑摻量對(duì)生土墻體材料性能的影響[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2010,26（3）:517-521.

[3]丁蘇金,王武祥,楊鼎宜，等.生土建筑材料的改性研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2014,（5）:45-48.

[4]王立久,譚曉倩,汪振雙.生土活化膠凝材料的制備及性能研究[J].新型建筑材料,2010,37（10）:83-86.

[5]張 磊,楊久俊,王雪平,等.成型工藝對(duì)生土材料結(jié)構(gòu)與性能的影響[J].磚瓦世界,2015,（12）:29-31.

[6]王麗娜,曲 烈,楊久俊,等.壓制改性生土砌塊物理力學(xué)性能的研究[J].磚瓦,2016,（8）:19-22.

[7]張 磊,羅忠濤,楊久俊,等.生土砌塊振動(dòng)壓制成型工藝和性能研究[J].磚瓦世界,2016,（7）:54-56.