彭 斌 孟宏睿 李 濤 馮映雪 楊 成 陳麗紅

(陜西理工大學土木工程與建筑學院，陜西 漢中 723001)

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·建筑材料及應(yīng)用·

超細礦粉改性生土的正交試驗研究★

彭 斌 孟宏睿*李 濤 馮映雪 楊 成 陳麗紅

(陜西理工大學土木工程與建筑學院，陜西 漢中 723001)

采用正交設(shè)計方法，以堿激發(fā)超細礦粉改性生土材料的抗壓強度為指標，分析了生土顆粒粒徑、生土與超細礦粉比例、復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量等因素對堿激發(fā)超細礦粉改性生土材料抗壓強度的影響，結(jié)果表明：各因素影響改性生土抗壓強度的順序為復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量、生土顆粒粒徑、生土與超細礦粉比例；復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量的影響最大，最佳的復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量為6%。

生土，超細礦粉，抗壓強度，正交試驗

1 概述

生土建筑是指利用未經(jīng)焙燒的土壤或簡單加工的原狀土作為主體材料，輔以木、石等天然材料營造主體結(jié)構(gòu)的建筑。生土是人類最早使用的建筑材料之一，具有便于自建、取材方便、造價低廉、保溫隔熱、污染少、可循環(huán)利用等有利于生態(tài)平衡的優(yōu)點，是生態(tài)型建筑材料，為居住空間創(chuàng)造了舒適的環(huán)境，目前在我國部分農(nóng)村地區(qū)房屋建設(shè)中，生土建筑仍占有一席之位。但由于生土材料耐水性能差、強度較低、耐久性差、體積穩(wěn)定性差等缺點，使得生土建筑在抗震地區(qū)安全性很差，嚴重地限制了生土材料的應(yīng)用。在資源日益枯竭、環(huán)境污染日益嚴重的今天，需要重新審視生土這一古老但卻具有發(fā)展前景的綠色建筑材料，用新的科技方法來重新利用它。

如何對生土材料進行改性，增強其耐水性能和力學性能，提高生土建筑的使用年限，成為生土材料應(yīng)用發(fā)展必須解決的問題。目前，生土材料改性方法主要采用兩種，即物理改性和化學改性，物理改性是在夯實生土時，摻入麻刀、稻草、竹筋、麥稈等植物纖維的改性方法，通過植物纖維與生土材料之間的粘結(jié)作用，有效的抵消部分剪切應(yīng)力，提高生土夯筑墻體的整體性能，減小土體干縮；化學改性是加入無機類改性劑，如粉煤灰、熟石灰、石膏、水泥等材料，與土粒子發(fā)生化學反應(yīng)，提高生土材料的強度和耐久性。

本實驗研究：采用綜合改性的方法，用正交設(shè)計在生土中摻入超細礦粉作為膠凝材料，采用復(fù)合堿性激發(fā)劑對其進行活性激發(fā)，并摻入1%的有機纖維混合均勻，以澆筑成型方式制備生土改性材料，測試改性生土材料強度指標，為生土改性材料提供新的技術(shù)思路。

2 試驗研究

2.1 試驗用原材料

試驗土樣取自陜南寧強粘土，測定其天然密度為2 150 kg/m3，天然含水率為21.0%，液限為27%，塑限為17%。

超細礦粉選用陜鋼集團高爐排出的粒化礦渣磨成的超細礦粉，比表面積為425 m2/kg，其化學成分見表1。

表1 超細礦粉化學成分

復(fù)合堿性激發(fā)劑由水玻璃、乙二醇、氫氧化鈉通過試驗按一定比例進行摻配確定。試驗用水采用普通自來水，前期試驗研究了水膠比，確定出當用水量為生土和超細礦粉總重量的30%時，便于試驗振動成型。

2.2 試驗設(shè)計和試件制作

1)影響因素和考核指標的選擇。采用正交設(shè)計方法，以超細礦粉為原材料在摻入1%的有機纖維作用下形成膠凝材料，同時摻入復(fù)合堿性激發(fā)劑用于生土的改性，分別考察了生土與超細礦粉的摻合比例、復(fù)合堿性激發(fā)劑的摻量以及生土顆粒粒徑的大小對改性生土抗壓性能的影響。

生土與超細礦粉摻比的確定：由于在制備改性生土材料時是在常溫常壓條件下進行的，環(huán)境條件對于其性能影響較小，主要的影響因素為膠凝材料，即生土與超細礦粉，二者的比例將影響反應(yīng)產(chǎn)物的多少以及性能指標的高低，初步采用7∶3，6∶4，5∶5三個水平。

復(fù)合堿性激發(fā)劑的摻量：通過前期研究分析，復(fù)合堿性激發(fā)劑由水玻璃、乙二醇、氫氧化鈉通過試驗按一定比例進行摻配確定，由于復(fù)合堿性激發(fā)劑的摻量對生土材料和超細礦粉都存在顯著的激發(fā)作用，故試驗復(fù)合堿性激發(fā)劑的摻量選用4%,6%,8%三個水平。

生土的粒徑：將生土風干后，進行碾碎處理，考慮生土的粒徑可能對試驗的強度也有影響，試驗選用將原土過篩0.1 mm，0.3 mm，0.5 mm三個水平進行摻配。

以表示改性生土試塊28 d抗壓強度為考核指標。正交試驗方案和試驗結(jié)果見表2。

表2 L9(33)試驗方案和試驗結(jié)果

2)試件制作。根據(jù)正交表，計算出每一組試驗材料用量，考慮到生土與其他材料的密度不同，為了使混合料均勻一致，先將所有干料加入水泥膠砂攪拌機慢速攪拌1 min，再將溶有激發(fā)劑的水加入繼續(xù)攪拌1 min，選用水泥膠砂標準試模(40 mm×40 mm×160 mm)固定在膠砂振實臺上，攪拌完成后分兩次振動成型，用刮刀將其表面抹平；為防止水分流失太快而導(dǎo)致的開裂收縮，將試件在水泥膠砂養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d，再取出放在室內(nèi)用塑料膜覆蓋自然養(yǎng)護21 d測試其抗壓強度。

2.3 試驗結(jié)果分析

將試驗結(jié)果進行極差分析和方差分析，列于表3和表4。

表3 考核指標的極差分析

表4 28 d抗壓強度為考核指標的方差分析

從表2的試驗結(jié)果及表3的極差分析結(jié)果可以看出，對于改性生土材料的28 d抗壓強度，因素影響順序為：復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量、生土粒徑、生土與超細礦粉比例，并且復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量的影響較大，生土與超細礦粉比例和生土粒徑影響不大，說明該兩個因素所取水平在最佳范圍內(nèi)。從表2中可以看出：對于復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量為6%的改性效果最好，說明復(fù)合激發(fā)劑存在最佳摻量；超細礦粉中化學成分SiO2，CaO占70%左右，具有潛在的化學活性，在復(fù)合堿性激發(fā)條件下發(fā)生水化反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物增加了生土顆粒內(nèi)膠凝材料的數(shù)量，當生土和超細礦粉的比例與復(fù)合堿性激發(fā)劑相匹配時，超細礦粉在堿性條件下與生土發(fā)生化學反應(yīng)，改性生土的強度大大提高，硬度也增大，其顏色由黃褐色變?yōu)榫G黑色。綜上所述，對于抗壓強度性能指標的最優(yōu)配合比為：A1B2C2，即生土粒徑為0.01 mm、生土與超細礦粉比例為6∶4、復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量在6%時，28 d抗壓強度為40.63 MPa。

為了進一步分析各因素對改性生土強度的影響，進行了以28 d抗壓強度為考核指標的方差分析，結(jié)果見表4。方差分析表明：復(fù)合堿性激發(fā)劑的摻量對改性生土抗壓強度的影響很顯著。復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量為6%為最佳，得出的結(jié)論與前面的直觀分析是一致的。

3 結(jié)語

1)試驗結(jié)果表明：各因素影響改性生土抗壓強度的順序為：復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量、生土粒徑、生土與超細礦粉比例，并且復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量的影響最大。

2)方差分析表明：復(fù)合堿性激發(fā)劑的摻量對改性生土抗壓強度的影響很顯著。復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量為6%為最佳，和易性最好。

3)對于抗壓強度性能指標的最優(yōu)配合比為：A1B2C2，即生土粒徑為0.01 mm、生土與超細礦粉比例為6∶4、復(fù)合堿性激發(fā)劑摻量在6%時，28 d抗壓強度為40.63 MPa。

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The research of orthogonal test for improvement raw-soil material with superfine slag★

Peng Bin Meng Hongrui*Li Tao Feng Yingxue Yang Cheng Chen Lihong

(Dept of C.E. of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, China)

By means of orthogonal design method, with the compressive strength of improvement for raw-soil material base on alkali-activated superfine slag as the index, the paper analyzes the effect of compressive strength for raw-soil material base on alkali-activated superfine slag, along with the particle size of raw-soil, superfine slag and raw-soil ratio and the content of alkali-activated. The test results show: the importance order of the three influencing factors on the compressive strength for raw-soil material base on alkali-activated superfine slag is the content of alkali-activated, the particle size of raw-soil and superfine slag and raw-soil ratio, and the optimal content of alkali-activated is 6%.

raw-soil, superfine slag, compressive strength, orthogonal test

1009-6825(2017)12-0092-03

2017-02-18

★:陜西省教育廳專項基金項目(2013JK0987);2015年地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510720573)

孟宏睿(1968- ),男，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授

TU522.3

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