馬聰，杜驍，陳兵（.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院安全與防災(zāi)工程研究所，上?！?040；.上海交通大學(xué)招投標(biāo)管理辦公室，上?！?040）

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自密實生土基改性材料的強度發(fā)展規(guī)律研究

馬聰1，杜驍2，陳兵1
（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院安全與防災(zāi)工程研究所，上海200240；2.上海交通大學(xué)招投標(biāo)管理辦公室，上海200240）

摘要：以原狀黃土為基料，選用高效固化劑混摻粉煤灰作為膠凝材料，制備了自密實生土基改性材料，測試了改性材料在不同齡期的無側(cè)限抗壓強度，得出了基于早期強度測試結(jié)果的中后期強度預(yù)測模型。結(jié)果表明：生土基改性材料的自密實特性可通過調(diào)節(jié)水固比及減水劑用量獲得；水固比與固化材料摻量能顯著影響改性材料各齡期的抗壓強度，抗壓強度在28 d后仍能保持持續(xù)增長；對數(shù)模型可較好地描述改性材料抗壓強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律，得到的關(guān)系式具有較高的相關(guān)系數(shù)；借助基于7 d抗壓強度為參數(shù)的強度預(yù)測模型，可以預(yù)測改性材料不同齡期的抗壓強度，其相關(guān)系數(shù)大于0.95。

關(guān)鍵詞：生土基改性材料；自密實；強度發(fā)展；強度預(yù)測

0　引言

生土材料因其特有天然礦物成分及孔隙結(jié)構(gòu)，不僅取材方便、造價低廉，同時具有熱工性能優(yōu)良、隔聲效果好、可循環(huán)利用等優(yōu)點，是天然的、生態(tài)化的建筑材料，可為居住空間創(chuàng)造舒適環(huán)境[1-2]。當(dāng)前，我國中西部部分村鎮(zhèn)仍有大量建筑將生土作為墻體材料，如黃土高原的窯洞。但由于生土材料存在耐水性能差、抗雨水沖擊能力弱、強度較低等問題，生土基墻體材料的廣泛應(yīng)用受到限制[3]。因此，采用膠凝材料對生土材料進(jìn)行改性，提高其力學(xué)性能及耐水性能，延長生土基墻體的使用年限，成為眾多研究者關(guān)注的重點[4-5]。

常用膠凝材料包括生石灰、硅酸鹽水泥等。生石灰摻入土壤可與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，使土壤中少量Al2O3、SiO2的活性得以激發(fā)，發(fā)生火山灰反應(yīng)生成膠凝產(chǎn)物，此技術(shù)廣泛應(yīng)用于早期的村鎮(zhèn)土坯房建設(shè)[6]。因生石灰與水反應(yīng)劇烈，不利于拌合物成形，近些年大多已被硅酸鹽水泥替代。隨著環(huán)境污染受到廣泛關(guān)注，高耗能的硅酸鹽水泥受到一定程度的限制[7]。但低摻量水泥改性生土材料不能獲得較好的力學(xué)性能，因此，在制備生土基墻體砌塊時需進(jìn)行擊實作業(yè)，不僅增加工藝難度，還往往造成因擊實不均勻造成的砌塊損毀。本研究在使用高效固化劑混摻粉煤灰制備自密實生土基改性材料的基礎(chǔ)上，研究了抗壓強度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律，得出基于早期強度測試結(jié)果的中后期強度預(yù)測模型。

1　試驗

1.1試驗材料

試驗用生土為黃土，取自黃土高原甘肅某地，取土深度為3m，對試驗土樣的粒徑分析可知，該黃土100%過0.075mm篩。根據(jù)土的分類方法，試驗用土屬于低液限粉土（ML），其基本物理性能見表1，主要化學(xué)成分見表2。

表1　試驗用土的基本物理性能

減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率約30%，用于調(diào)整漿體的流動性。

高效黏土無機固化劑（CSCN）：主要組分為普通硅酸鹽水泥與堿性助劑或激發(fā)劑，堿性助劑為氯化鈣、氫氧化鈣或鋁酸鈉按一定比例混配而成，激發(fā)劑的主要組分為水玻璃。堿性助劑占水泥用量的10%～20%，激發(fā)劑占水泥用量的15%～25%，攪拌時添加順序依次為堿性助劑→水泥→激發(fā)劑。采用海螺P·O 42.5水泥，其主要化學(xué)成分見表2。堿性助劑與激發(fā)劑的1mol/L水溶液pH值為12～14。

粉煤灰（FA）：F類Ⅱ級灰，主要化學(xué)成分見表2。

表2　黃土、水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分　%

1.2試樣制作與養(yǎng)護(hù)

參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》制備自密實生土基拌合物。試樣制備步驟具體為：

（1）將黃土與目標(biāo)摻量的水混合攪拌1～2min，制得拌合均勻的土水混合物；

（2）摻入目標(biāo)摻量的水泥與粉煤灰，繼續(xù)攪拌2～3min；

（3）逐次添加對應(yīng)摻量的堿助劑、堿激發(fā)劑與減水劑，攪拌2～3min，得到均勻性良好的自密實生土基拌合物，試驗配方如表3所示（各材料摻量均以干土的質(zhì)量計）。

表3　自密實生土基改性材料的試驗配方

（4）將拌合物倒入模具后，為使其盡可能均勻，將成型試件放置于振動臺上振動60 s，隨后置入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱[溫度（20±2）℃，相對濕度（98±2）%]，養(yǎng)護(hù)3 d后脫模，將脫模后的試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d，取出進(jìn)行相關(guān)性能測試。

1.3性能測試方法

參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測試拌合物的流動度。將拌合物注入截錐圓模內(nèi)，穩(wěn)定后，提起截錐圓模，測試拌合物在玻璃界面上自由流淌的最大直徑。

抗壓強度試件尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，每組取3個試樣進(jìn)行平行試驗，取其算術(shù)平均值為該配方下試樣的無側(cè)限抗壓強度。在300kN的液壓伺服試驗機上進(jìn)行測試，加載速度為0.5mm/min。

2　試驗結(jié)果與討論

2.1自密實特性

自密實砂漿的流動度通常大于25 cm（截錐圓模內(nèi)徑為10 cm）[8]，因此，本研究將生土基改性材料具有自密實特性的最小流動度規(guī)定為（25±0.5）cm。以此為基準(zhǔn)，測試了2個系列配方不同水固比的拌合物具有自密實特性的減水劑最小用量，結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同水固比自密實生土基改性材料的減水劑用量

由圖1可以看出，隨改性材料水固比的增大，改性材料拌合物具有自密實特性的減水劑最小用量降低，這與水泥砂漿中水固比與減水劑用量呈現(xiàn)的規(guī)律類似；相同水固比下，系列Ⅱ的減水劑用量大于系列Ⅰ，這說明，固化材料摻量大小影響了生土改性材料的流動度；水固比為0.40時，系列Ⅰ自密實改性材料的減水劑最小用量為1.25%，對應(yīng)的系列Ⅱ自密實改性材料的減水劑用量為1.75%。這表明，當(dāng)拌合物水固比在0.30～0.60內(nèi)，通過調(diào)節(jié)減水劑用量，均可獲得具有自密實特性的生土基改性材料。

2.2抗壓強度

已有研究結(jié)果表明[7]，減水劑用量對生土基改性材料的抗壓強度有一定影響，但當(dāng)減水劑用量小于2%時，其對抗壓強度的影響較?。ㄔ凇?%以內(nèi)）。因此，對自密實生土基改性材料抗壓強度的測試與分析選擇水固比為0.40、0.45、0.50、0.55的配方。測試了不同水固比時2個系列生土基改性材料在不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強度，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2　不同水固比時系列Ⅰ改性材料在不同齡期的抗壓強度

圖3　不同水固比時系列Ⅱ改性材料在不同齡期的抗壓強度

由圖2可以看出，隨水固比的增大，改性材料在各齡期的抗壓強度都大幅降低，因此，水固比是影響生土基改性材料抗壓強度的重要因素；改性材料的抗壓強度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而提高，28 d以內(nèi)的強度變化與水泥砂漿的強度變化規(guī)律類似，不同的是，生土基改性材料的60 d強度相較28 d強度仍呈現(xiàn)出較大幅度的提高，這表明，改性材料中固化劑生成的氫氧化鈣與生土中的活性礦物發(fā)生了較強的火山灰反應(yīng)。由圖3可以看出，盡管系列Ⅰ和系列Ⅱ的固化材料摻量不同，但2個系列的水固比、養(yǎng)護(hù)時間與抗壓強度間的變化關(guān)系基本相同。

2.3抗壓強度隨齡期變化

國內(nèi)外學(xué)者針對水泥基材料混摻工業(yè)廢渣固化土抗壓強度與養(yǎng)護(hù)齡期的發(fā)展關(guān)系提出了多個模型，其中，比較有影響的是Poyá等[9]提出的對數(shù)模型，其表達(dá)式如式（1）所示:

式中：qu——固化土的無側(cè)限抗壓強度，kPa；

a、b——常數(shù)，kPa；

t——養(yǎng)護(hù)齡期，d。

常規(guī)的固化土材料是固化劑與土的拌合物，自密實生土基改性材料可看作是常規(guī)固化土材料與減水劑等的復(fù)合材料，而試驗范圍內(nèi)的減水劑用量對改性材料抗壓強度的影響較小，因此，生土基改性材料的抗壓強度發(fā)展規(guī)律研究仍可采用式（1）。圖4、圖5給出了基于對數(shù)模型的生土基改性材料抗壓強度隨養(yǎng)護(hù)齡期的擬合曲線，擬合曲線各參數(shù)的數(shù)值和相關(guān)系數(shù)如表4所示。

圖4　系列Ⅰ試樣抗壓強度隨齡期的擬合曲線

圖5　系列Ⅱ試樣抗壓強度隨齡期的擬合曲線

表4　對數(shù)模型各參數(shù)的擬合值

由圖4、圖5及表4可以看出，生土基改性材料抗壓強度與養(yǎng)護(hù)齡期的對數(shù)具有良好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均大于0.95。

2.4基于早期強度的預(yù)測模型

因水泥基材料固化土的強度在齡期較長（大于90 d）時仍有較大增長，實際工程中，通常測試固化土材料的28 d強度，以此為基準(zhǔn)值預(yù)測固化土的長期強度。本研究制備的自密實生土基改性材料擬用作墻體砌塊，而測試其28 d強度顯然不利于工程進(jìn)展，因此，基于生土基改性材料的早期強度預(yù)測其中后期發(fā)展規(guī)律是十分必要的。

以7 d抗壓強度為基準(zhǔn)值表征固化土不同齡期強度的發(fā)展，將不同齡期強度與7 d強度的比值與齡期的對數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖6所示。由圖6的擬合曲線可得各齡期抗壓強度qu與7 d抗壓強度q7的關(guān)系，如式（2）所示：

圖6　對qu/q7與養(yǎng)護(hù)齡期的擬合曲線

3　結(jié)論

（1）生土基改性材料的水固比為0.30～0.60時，可摻入0～2.5%的減水劑調(diào)節(jié)拌合物流動度以使其具有自密實特性；固化材料摻量可影響生土基改性材料拌合物的流動度，水固比均為0.40時，8%CSCN+5%粉煤灰改性生土拌合物具有自密實特性的減水劑最小摻量為1.25%，而16%CSCN+10%粉煤灰改性的拌合物則需摻入至少1.75%的減水劑。

（2）水固比是影響生土基改性材料各齡期強度的重要因素；養(yǎng)護(hù)齡期超過28 d時，改性材料的抗壓強度仍有較大幅度的提高，主要得益于固化劑水化產(chǎn)物與生土中活性礦物的火山灰反應(yīng)。

（3）對數(shù)模型適用于擬合生土基改性材料抗壓強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律，得到擬合公式的相關(guān)系數(shù)均大于0.95；以7 d抗壓強度為基準(zhǔn)，借助對數(shù)模型分析各齡期強度與7 d強度比值的關(guān)系，可用于工程中預(yù)測改性材料不同齡期的抗壓強度。

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Experimental study on strength development rules of self-compacting soil-based walls

MA Cong1，DU Xiao2，CHEN Bing1
（1.Institute of Engineering Safety and Disaster Prevention，School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Bidding Management Office，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：Undisturbed loess was used as filler to prepare self-compacting soil-based material in this study，and a type of high-efficiency clay stabilizer was used as cementing material.The unconfined compressive strengths of self-compacting soil-based material at different ages were tested.Furthermore，the predicted models for middle and long term compressive strength were obtained on the basis of early-term strength.The experimental results indicate that the property of self-compacting can be achieved by regulating the water-solid ratio and superplasticizer content.The compressive strength of soil-based material can be influenced by the water-solid ratio and stabilizer content significantly，and it also increases beyond 28 days of curing.The logarithm model can be used for analyzing the development of compressive strength with curing time，and it has good coefficients of association.The compressive strength at different curing time can be predicted by the predicted models from 7-day strength，the correlation coefficient is larger than 0.95.

Key words：mmature soil modified，self-compacting，strength development，strength prediction

作者簡介：馬聰，男，1989年生，山東菏澤人，博士研究生，主要研究方向為特殊建筑材料開發(fā)、巖土工程、軟土加固。地址：上海市閔行區(qū)東川路800號，E-mail：macsjce@sjtu.edu.cn。

收稿日期：2015-07-21；

修訂日期：2015-08-27

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51378309）

中圖分類號：TU521.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）01-0010-04