劉志華　馬軍濤天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（300384）華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院（450045）

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水玻璃改性生土試塊性能及機(jī)理研究

劉志華1馬軍濤2
1天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（300384）2華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院（450045）

摘要：本試驗(yàn)使用水玻璃與水泥熟料復(fù)摻對(duì)生土材料進(jìn)行改性試驗(yàn)，研究其對(duì)生土試塊強(qiáng)度的影響規(guī)律和改性機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，生土試塊中的水玻璃和水泥在水化過程中生成的凝膠，可改善土體的穩(wěn)定性，增強(qiáng)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)黏結(jié)和抗變形能力，從而提高土體的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：生土材料；強(qiáng)度；水玻璃；改性機(jī)理

1　研究背景

生土墻體材料是一種傳統(tǒng)的建筑材料，但由于強(qiáng)度原因在近年來越來越多被取代。但鑒于資源與環(huán)境的雙重壓力，生土材料以及生土改性材料仍為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一［1］，將生土材料通過改性作為生態(tài)建材，需通過物理和化學(xué)改性技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。水玻璃是堿激發(fā)工業(yè)廢渣膠凝材料中的一種重要原料，而堿激發(fā)工業(yè)廢渣膠凝材料被認(rèn)為是一種具有極大開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景的環(huán)境友好型膠凝材料［2］。以水玻璃為主劑的硅化法在我國西北地區(qū)處理黃土濕陷施工中被廣泛應(yīng)用。硅化法就是利用注漿設(shè)備或無壓自滲方式將水玻璃為主劑的溶液灌注、滲透到巖土體中，進(jìn)行地基加固的化學(xué)注漿技術(shù)［3］。

本試驗(yàn)使用水玻璃對(duì)生土材料進(jìn)行改性，同時(shí)研究了水玻璃與水泥復(fù)摻時(shí)生土材料的性能，并通過微觀手段對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。

2　試驗(yàn)過程

試驗(yàn)用水玻璃原液模數(shù)為3，呈淡黃色液體狀。表1列出了試驗(yàn)樣品的混合物組成，表2列出了試驗(yàn)樣品的混合物組成，將混合物攪拌與生土按照0.24的水膠比攪拌均勻，將拌合料裝入40 mm×40 mm×40 mm的模具內(nèi)振搗成型。試塊成型后，用保鮮膜包好，24 h后拆模，然后將試樣放在自然條件下（溫度20±3℃，濕度約為50％）養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

表1　水玻璃摻量及生土試塊的力學(xué)性能

水玻璃出廠貯存后逐漸出現(xiàn)老化現(xiàn)象，一般大致?lián)p失30％～35％的黏結(jié)強(qiáng)度，限制了水玻璃的應(yīng)用，縮短了水玻璃使用時(shí)間。單用水泥改性生土也有缺點(diǎn)，所以試驗(yàn)考慮使用水泥熟料和水玻璃復(fù)摻對(duì)生土材料進(jìn)行改性。表2列出了試驗(yàn)樣品的混合物組成，按照上述同樣方法成型、養(yǎng)護(hù)并測(cè)試。

表2　水玻璃、水泥復(fù)摻配合比及生土試塊的力學(xué)性能

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

單摻水玻璃生土試塊7 d抗壓強(qiáng)度曲線如圖1。由圖1所示可以看出，摻入水玻璃可以提高生土試塊的抗壓強(qiáng)度，但是隨著水玻璃摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。這是因?yàn)樗Ａ饺胪亮现袝?huì)發(fā)生如下反應(yīng)過程：水玻璃中的堿性離子和水溶液中的氫離子之間進(jìn)行離子交換，由于過剩羥基離子的產(chǎn)生而使溶液呈堿性；水玻璃在空氣中反應(yīng)形成無定型硅酸，逐漸干燥硬化，固化膜表面覆蓋有硅氧醇基保護(hù)層。此外，水玻璃溶液會(huì)與土中的堿土金屬易溶鹽如CaCl2、MgCl2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水合硅酸鈣（鎂）凝膠。生成的凝膠有堵塞毛細(xì)孔隙而防止水滲透的作用，凝膠薄膜包覆在土顆粒表面，將土顆粒黏結(jié)在一起，增強(qiáng)了土顆粒間的連接力，改善制品強(qiáng)度。但是當(dāng)水玻璃摻量過多時(shí)，硅酸凝膠對(duì)制品內(nèi)部孔隙形成的應(yīng)力，反而會(huì)引起制品強(qiáng)度的降低，所以水玻璃摻量為20％的制品7 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)降低。

圖1　試塊抗壓強(qiáng)度與水玻璃摻量的關(guān)系

水玻璃與水泥復(fù)摻生土試塊7 d抗壓強(qiáng)度曲線如圖2。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，復(fù)摻水泥和水玻璃后生土試件抗壓強(qiáng)度均有一定的提高。對(duì)比C1和C2、C2和C3均可以發(fā)現(xiàn)在摻量適當(dāng)?shù)那闆r下提高某一成分的摻量均會(huì)增加其強(qiáng)度。對(duì)比B3和C3或者B2和C2均可發(fā)現(xiàn)，復(fù)摻情況下的增強(qiáng)效果要大于單摻的效果。

圖2　試塊抗壓強(qiáng)度與水泥熟料水玻璃摻量的關(guān)系

這是因?yàn)槔猛鈸椒▽烧咄瑫r(shí)加入生土材料中，水泥熟料、水玻璃間與土體間產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)：

1）水泥熟料和水玻璃的化學(xué)反應(yīng)

水泥的水解產(chǎn)物為氫氧化鈣，水玻璃與氫氧化鈣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成一定強(qiáng)度的凝膠體—水化硅酸鈣（Ca（OH）2+ NaO·nSiO2+ mH2O = Ca·nSiO2· mH2O + NaOH）。

圖3　C2試塊的超景深圖片

2）水泥熟料的水化反應(yīng)

該反應(yīng)形成一定強(qiáng)度的凝膠體—水化硅酸鈣。所形成的凝膠體把黏土顆粒、水泥、水玻璃等牢牢地凝固在一起，土體被加固并板結(jié)變硬，提高了生土的強(qiáng)度（如圖3）。由上述反應(yīng)看出，水泥水化及其與水玻璃反應(yīng)后所得產(chǎn)物大致相同，但水玻璃與水泥的反應(yīng)速度比水泥水化反應(yīng)要快，因此水泥熟料—水玻璃復(fù)摻凝膠時(shí)間較短，相對(duì)增強(qiáng)效果要比單摻效果好。

4　結(jié)論

通過單摻水玻璃與復(fù)摻水泥、水玻璃分別對(duì)生土材料進(jìn)行改性，分析其強(qiáng)度增減規(guī)律，得到結(jié)論如下：

摻水玻璃的生土基試塊抗壓強(qiáng)度隨著摻量的升高而升高，但是其摻量應(yīng)控制在合適范圍內(nèi)，過多反而會(huì)降低生土基試塊抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。

水泥熟料和水玻璃等無機(jī)膠凝材料抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)理都是在固結(jié)生土的過程中發(fā)生水化反應(yīng)，生成不同的水化凝膠，凝膠的干燥硬化可以增強(qiáng)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)黏結(jié)和抗變形能力，從而提高土體的強(qiáng)度。

水泥與水玻璃復(fù)合摻加時(shí)效果優(yōu)于單摻水玻璃對(duì)生土材料的改性效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］金蕾.云南傳統(tǒng)民居墻體營(yíng)造意匠［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2004.

［2］Roy Della M. Alkali- activated cements：Opportunitiesand challenges［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（2）：249- 254.

［3］吳昊.水泥-水玻璃雙液注漿在砂質(zhì)粉土地基處理上的應(yīng)用［J］.中國水利，2013（22）.