传统生土材料不仅具有施工简便、成本低、绿色环保等优点, 还存在强度低、易变形、耐水性差等缺点。这些缺点严重制约了生土建材的应用。因此, 以改性生土制备绿色建材是当前的研究热点之一。

韩亚兵^[1]利用石灰、粉煤灰复掺改性渤海盐渍土, 发现改性盐渍土材料的无侧限抗压强度与粉煤灰掺量呈正相关。骆昊舒^[2]针对天津滨海新区氯盐渍土路基做了研究, 研究表明就改性盐渍土试块的无侧限抗压强度及抗冻性而言, 石灰与水泥复掺改性优于水泥单掺。贾那·托留汗^[3]发现, 利用石灰固化盐渍土时无侧限抗压强度、抗冻性随龄期的增长而提高。林清华^[4]研究了石灰、盐渍土、石子配制三合土的抗压强度, 发现其与石灰、盐渍土的体积比相关。杨久俊^[5]以氢氧化钠和水玻璃自制激发剂改性盐渍土, 使其28d抗压强度达到8.8MPa。

S.Kenai等^[6]研究了不同成型方法下水泥改性土的力学性能和耐久性能, 结果为掺加8%水泥的改性土经振动压实成型, 得到较好的改性效果。D.Ciancio等^[7]利用石灰改性夯土, 发现4%的石灰掺量为最佳掺量。I.Alam等^[8]利用水泥、石灰、石膏、秸秆纤维改性黄土土坯, 经试验发现, 4%水泥加1%秸秆纤维复合改性的土坯具有优良的耐水性, 可在潮湿多雨地区应用。C.Galán-Marín等^[9]认为用多聚糖作为改性剂能提高黄土材料的强度和耐久性, 天然聚合物藻朊酸盐对生土砖的强度也起到积极作用。

上述研究主要集中在胶凝材料用量、矿物掺和料种类与掺量、水固比、含砂量、减水剂用量等因素对改性生土材料的性能影响, 对生土种类因素的对比研究较少。基于此, 拟以盐渍土、黄土为原料, 掺加水泥作为改性剂, 通过振动成型制备改性生土试块, 然后对比2种改性生土材料的性能指标, 比较土质种类对改性效果的影响, 为改性生土材料的进一步研究提供基础试验数据及相关理论支撑。

试验用土为盐渍土和黄土。盐渍土取自天津滨海新区临海滩涂, 取土深度为1~16cm;黄土取自河南荥阳丘陵地区, 取土深度为10~20cm。对取得的生土样品进行XRF测试, 结果如表1所示。

利用激光粒度仪测试生土样品粒度分布, 测得盐渍土平均粒径为0.9μm, 且全部颗粒粒径<1.3μm, 属于黏质土;黄土平均粒径为6.5μm, <2μm的黏粒含量为10.1%, 属于粉质砂土。对盐渍土、黄土进行XRD分析, 结果如图1所示。

由图1可知, 盐渍土、黄土的主要矿物成分都是石英、方解石、钠长石、白云母等。所用水泥为P·O42.5, 石灰为纯度98%的纯氧化钙, 减水剂为聚羧酸减水剂, 试验用水为普通自来水。

固定水固比为0.24, 减水剂掺量为1%, 利用单掺水泥和石灰分别改性盐渍土和黄土, 通过振动成型制备40mm×40mm×160mm试块, 并测试试块的力学和耐久性能。

1) 抗压强度测定采用试验配合比, 经振动成型制备40mm×40mm×160mm试件, 在室温条件下自然养护。参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》测定试块的抗压强度。

2) 强度贡献率计算强度贡献率是指不同胶凝材料改性生土时, 其抗压强度相对于纯生土试块的增长率。测试相应龄期改性生土试块的抗压强度M₁与相应纯生土试块的抗压强度M₀, 强度贡献率= (M₁-M₀) /M₀×100%。

3) 软化系数测定试块自然养护28d后测试抗压强度I₀。在同等条件下养护28d后, 另一组试块完全浸于水中。1d后取出水中试件, 用干软布轻轻擦去试件表面水分, 立即测试其抗压强度I₁, 软化系数K=I₁/I₀。

4) 冻融循环强度损失率测定试件养护28d后, 将其浸于水中, 1d后取出并擦去表面水分, 再将其放置于-16℃环境中2h, 取出并将其放入25℃恒温恒湿箱中2h, 完成1个冻融循环。对试块进行10次冻融循环后, 测其抗压强度I₂。冻融循环强度损失率Δf_c= (I₀-I₂) /I₀×100%。

5) 冲蚀速率测定利用振动成型方法, 以相同配合比制备150mm×150mm×30mm试件。自然养护28d后, 利用冲蚀试验装置进行测试, 其中试件距喷头为50cm, 水压为0.05MPa, 喷头喷孔为30个, 孔径为0.1mm。冲蚀一定时间后 (T=60min) 测量冲蚀深度D (mm) , 并计算冲蚀速率v=D/T。

不同水泥掺量 (0, 15%) 下的改性生土材料抗压强度如图2所示;不同龄期下, 15%水泥对改性生土材料的强度贡献率如图3所示。

由图2可知, 随着龄期增加, 水泥改性不同生土材料的抗压强度不断增加, 其中14~28d时改性生土材料的抗压强度增长最大。其中, 改性盐渍土由5.2MPa增加至9.1MPa, 改性黄土由5.7MPa增加至12.2MPa。因为随着龄期增加, 生土材料中胶凝物质形成的网络密度逐步发育完善, 将生土颗粒间的物理键连接转换为化学键连接。

由图3可知, 龄期不同时, 水泥对盐渍土、黄土的强度贡献率也不同。与纯生土相比, 当龄期为7d时, 水泥在改性盐渍土中的强度贡献率为200%, 在改性黄土中的强度贡献率为165%;14d龄期时, 水泥在改性盐渍土中的强度贡献率为225%, 在改性黄土中的强度贡献率为200%;28d龄期时, 水泥对改性盐渍土的强度贡献率为279%, 对改性黄土的强度贡献率为481%。即7, 14d龄期时, 水泥对盐渍土改性效果较好;28d龄期时, 水泥对黄土改性效果较好。其原因是: (1) 掺入水泥后, 在7, 14d龄期时, 水化产物的离子交换作用、团粒化作用起主导作用, 减薄生土颗粒表面的吸附水层, 使生土胶团团粒化, 而与黄土相比, 盐渍土黏粒较多, 平均粒径较小, 表面能大, 易吸附水分, 形成较厚的水化膜, 故水泥对其改性影响更大, 即7, 14d龄期时, 水泥对盐渍土改性效果较好。 (2) 龄期为28d时, 水泥不断深入水化, 胶凝物质含量逐渐增多, 填充胶结生土颗粒。因盐渍土细粒多, 比表面积大, 胶凝物质含量一定时, 无法完全包裹盐渍土颗粒, 部分盐渍土颗粒仅以物理键相互连接, 形成薄弱区域。黄土细粒含量较少, 大颗粒较多, 比表面积大, 相同水泥掺量下, 水泥水化产物完全填充大颗粒之间的孔隙, 形成整体结构, 即黄土中的胶凝网络密度更大, 故在28d龄期时, 水泥对黄土的改性效果优于盐渍土。

不同石灰掺量 (0, 15%) 改性生土材料抗压强度如图4所示, 不同龄期下, 15%石灰对改性生土材料强度贡献率如图5所示。

由图4可知, 石灰改性生土抗压强度随着龄期的增加不断增加。石灰掺量15%时, 改性盐渍土14d龄期时的强度为4.1MPa, 28d龄期时为6.5MPa。改性黄土14d龄期时的强度为3.6MPa, 28d龄期时为5.2MPa。由图5可知, 在各龄期, 石灰对盐渍土的强度贡献率均大于对黄土的强度贡献率。特别是在7, 14d时, 对盐渍土的强度贡献率远大于对黄土的强度贡献率。

综上所述, 石灰改性盐渍土的效果全面优于黄土。7d龄期时, 石灰对改性盐渍土的强度贡献率为169%, 在改性黄土中为76%;14d龄期时, 石灰对改性盐渍土的强度贡献率为156%, 对改性黄土的强度贡献率为89%。这是因为: (1) 盐渍土的黏粒比黄土多, 拌合物中盐渍土颗粒的水化膜更厚, 加入石灰后, 石灰水化产生Ca²⁺与盐渍土颗粒的水化膜发生离子交换作用, 降低水化膜厚度, 有利于盐渍土微结构的团粒化; (2) 盐渍土由于粒径小, 其平均孔径较小, 在石灰填充作用下, 盐渍土更容易达到密实状态。

28d龄期时, 石灰对改性盐渍土的强度贡献率为171%, 对改性黄土的强度贡献率为148%, 两者差距有所缩小。因为14~28d强度的增长, 一部分来自于氢氧化钙的碳化作用, 一部分来自于石灰与生土中活性矿物的火山灰反应。石灰对改性盐渍土、改性黄土的强度贡献率相近, 另外, 石灰对改性盐渍土的强度贡献率稍大。这是因为与黄土相比, 盐渍土中黏粒多、平均粒径小、反应活性更大, 与石灰反应产生的胶凝物质更多。

水泥掺量15%情况下, 不同改性生土材料的耐久性能对比如图6a所示。

由图6a可知, 改性盐渍土的软化系数低于改性黄土, 冻融循环强度损失率、冲蚀速率高于改性黄土。整体来看, 水泥改性盐渍土材料的耐久性能较差是因为: (1) 改性盐渍土的强度低于改性黄土, 其胶凝网络密度较小, 一部分盐渍土仅以物理键相互连接, 更易受水侵蚀剥落; (2) 盐渍土颗粒粒径小、表面能大, 更易吸附水分, 在冻融循环过程中改性盐渍土结构更易受到破坏。总之, 与改性黄土相比, 改性盐渍土的耐久性能较差。

石灰掺量为15%时, 不同改性生土材料的耐久性能对比如图6b所示。

由图6b可知, 改性黄土的软化系数低于改性盐渍土, 冻融循环强度损失率、冲蚀速率高于改性盐渍土。整体来看, 石灰改性盐渍土材料的耐久性能优于改性黄土材料的原因是:相比于黄土颗粒, 盐渍土颗粒粒径小、比表面积大, 反应活性更强。掺入等量石灰后, 改性盐渍土材料中发生了更多的火山灰反应, 其中更多的胶凝物质以化学键相互连接。即石灰对盐渍土的改性效果优于其对黄土的改性效果。

对28d龄期的不同改性生土材料进行X射线衍射分析, 结果如图7所示。

由图7可知, 水泥掺入盐渍土后, 改性盐渍土XRD曲线出现了CSH、水化氯铝酸钙的衍射峰, 说明水泥与盐渍土混合反应后, 生成CSH凝胶和水化氯铝酸钙等产物。水泥掺入黄土后, 改性黄土XRD曲线出现了CSH、硬硅钙石、AFt的衍射峰, 说明水泥与黄土中的矿物成分发生反应, 生成了CSH、硬硅钙石、AFt等产物。另外, 在盐渍改性材料、改性黄土中, 加入水泥后, 石英的衍射峰均有所下降, 说明水泥与盐渍土、黄土中的部分Si O₂发生火山灰反应, 消耗了其中的部分石英, 使其含量下降。

水泥掺量为15%时, 利用扫描电镜观察不同改性生土材料28d龄期时的内部断面形貌, 结果如图8所示。

由图8可知, 盐渍土粒径<2μm的黏粒含量较多。掺加水泥后, 纤维状和絮状的水化产物相互交叉, 包裹盐渍土颗粒, 但也有部分盐渍土颗粒未与水化产物连接。黄土大颗粒多, 数量较少的细粒填充在大颗粒缝隙中。掺加水泥后, 针棒状与絮状的水泥水化产物覆盖在大小黄土颗粒表面, 使其相互连接。

石灰掺量为15%时, 对不同改性生土材料进行X射线衍射分析, 结果如图9所示。

由图9可知, 掺入石灰后改性盐渍土的XRD曲线中出现CSH凝胶和水化氯铝酸钙的衍射峰, 说明石灰与盐渍土中的活性硅发生反应生成CSH凝胶, 与盐渍土中活性铝及氯离子发生反应生成水化氯铝酸钙。石灰中加入黄土时, XRD曲线中出现CSH、硬硅酸钙及Ca (OH) ₂, AFt, CAH的衍射峰, 说明石灰与黄土的反应产物有CSH、硬硅酸钙、AFt及CAH。未反应的石灰水化生成Ca (OH) , 这也说明石灰在黄土中没有反应完全。

石灰掺量为15%时, 利用扫描电镜观察不同生土改性的断面形貌, 结果如图10所示。

由图10可知, 盐渍土掺入石灰后, 试样中出现许多颗粒状反应产物, 填充盐渍土颗粒之间的空隙, 同时还出现絮状物质, 包裹在盐渍土颗粒表面。黄土掺入石灰后, 由于石灰的膨胀、填充作用, 试样中孔隙变小, 还出现针棒状的AFt, 黏结在黄土颗粒表面, 形成紧密的整体结构。

水泥对不同生土材料改性时, 其作用机理有相同点, 也有不同点。

水泥改性盐渍土、黄土材料时, 相同的作用机理有: (1) 水泥水化反应生成CSH凝胶, 吸附包裹在生土颗粒表面, 形成连接各生土颗粒的胶凝网络。 (2) 水化产物Ca (OH) ₂与黏土胶体发生离子交换反应, 改善土颗粒之间的连接结构, 提高其密实度。

由于盐渍土、黄土本身的特点, 水泥在其中的作用有所区别: (1) 由于盐渍土中含有Cl^-, 当水泥中C3A发生水化反应时, Cl^-参与到反应中生成水化氯铝酸钙。黄土与水泥发生反应时, 一方面生成硬硅钙石, 另一方面由于黄土含有SO₄^2-, 还生成具有膨胀性的AFt。由于AFt在改性黄土中起到膨胀挤压作用, 其收缩率、吸水率小于盐渍土材料。 (2) 与黄土相比, 盐渍土平均粒径小、比表面积大。胶凝物质含量一定时, 盐渍土稀释其中的胶凝物质, 使其无法完全包裹盐渍土颗粒, 部分盐渍土颗粒以物理键相互连接, 形成薄弱区域。 (3) 盐渍土黏粒含量较多, 在拌合物中黏粒易吸附水泥水化产生的Ca (OH) ₂, 降低水泥颗粒所在介质环境的碱性, 影响了水泥正常水化硬化。

因此, 在等量水泥的改性作用下, 上述不同点使改性盐渍土材料的抗压强度、软化系数小于改性黄土;另外, 冻融循环强度损失率、冲蚀速率2项指标大于改性黄土材料。

石灰改性盐渍土、黄土时, 石灰具有如下作用: (1) 离子交换与黄土相比, 由于盐渍土粒径小、比表面积大、颗粒表面吸附水层更厚, 故离子交换作用在盐渍土中表现更明显。 (2) 火山灰反应石灰与盐渍土、黄土中的活性矿物发生反应, 生成不同的反应产物。与黄土中的活性氧化硅铝及SO₄^2-发生反应生成CSH, CAH、硬硅钙石及AFt等反应产物;与盐渍土发生反应生成CSH、水化氯铝酸钙。该反应产物都起到胶结生土颗粒的作用。 (3) 未参与反应的Ca (OH) ₂结晶填充作用石灰改性黄土时, 部分Ca (OH) ₂未参与火山灰反应, 以结晶的形式保留在试样中, 并在XRD曲线上有所体现。在改性盐渍土中, 反而没有Ca (OH) ₂的衍射峰, 这可能是因为盐渍土活性成分较多, 在火山灰反应中Ca (OH) ₂全部被消耗, 生成了更多高强度且耐水性好的CSH、水化氯铝酸钙。 (4) Ca (OH) ₂的碳酸化反应未参与反应的Ca (OH) ₂在养护的过程中与CO₂发生反应生成Ca CO₃, 以方解石的形式填充在试样中。由于Ca CO₃强度及耐水性都强于Ca (OH) ₂, 故对生土改性的抗压强度及耐久性也起到一定的改善作用。

综上所述, 相比于改性黄土材料, 等量石灰改性盐渍土材料抗压强度、软化系数更大, 冻融循环强度损失率与冲蚀速率更小。

利用水泥、石灰改性盐渍土、黄土, 并对比研究其力学、耐久性能。通过试验, 探讨了水泥改性的条件下, 土质种类对改性生土材料的性能影响。经试验研究得出如下结论。

1) 利用水泥改性不同生土材料时, 改性黄土的力学性能优于改性盐渍土。其中, 改性黄土的28d抗压强度为12.2MPa, 改性盐渍土的28d抗压强度为9.1MPa。15%水泥对改性黄土的28d强度贡献率达481%, 对盐渍土的28d强度贡献率为279%。同时, 其软化系数较大、冻融循环强度损失率较小、冲蚀速率较小, 即水泥改性黄土材料具备更好的耐久性能。

2) 利用石灰改性不同生土材料时, 改性盐渍土的力学性能优于改性黄土。改性盐渍土的28d抗压强度为6.5MPa, 改性黄土的28d抗压强度为5.2MPa。但15%石灰在7, 14d龄期时对改性盐渍土强度的贡献率远高于对黄土的。同时, 石灰改性盐渍土材料的耐久性能更加优异。

3) 水泥、石灰改性盐渍土时, 改性盐渍土材料中生成的反应产物有CSH凝胶和水化氯铝酸钙;改性黄土时, 反应产物有CSH, CAH、硬硅钙石及Aft, Ca (OH) ₂等。这些胶凝物质对生土颗粒起到胶结作用, 填充空隙, 提高生土材料的密实度, 进而提高生土材料的力学性能及耐久性能。

4) 水泥改性盐渍土和改性黄土材料的性能有差异: (1) 材料中反应产物不同, 其在生土材料中产生的作用各异; (2) 与改性黄土材料相比, 改性盐渍土材料中, 盐渍土粒径小、比表面积大, 稀释了水泥水化产物形成的胶凝网络。

5) 石灰改性盐渍土和改性黄土材料时, 石灰在生土材料中的活性矿物发生火山灰反应, 未反应部分起到填充作用。由于盐渍土的粒径小, 火山灰活性更大, 石灰几乎反应完全, 故石灰改性盐渍土性能更好。

6) 综上所述, 平均粒径大的黄土更适合利用水泥进行改性, 其在黄土中起到胶结改性作用。平均粒径小、比表面积大的盐渍土更适合利用石灰进行激发改性。