張 磊， 趙倬躍， 張 楠， 榮 輝，2， 岳昌盛

（1.天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2.天津城建大學(xué) 天津市建筑綠色功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.承德石油高等?？茖W(xué)校 建筑工程系，河北 承德 067000；4.中冶建筑研究總院有限公司，北京100088）

生土是一種歷史悠久的建筑材料，生土建筑具有能耗低、造價(jià)低、可調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度等優(yōu)點(diǎn)［1］. 同時(shí)，生土也存在強(qiáng)度低、脆性大、耐水性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致生土建筑的抗震性差，易受侵蝕破壞［2］.長期以來，國內(nèi)外學(xué)者或采用了水泥、石灰等改性材料來改善夯土、生土砌塊、生土磚等生土材料的物理、力學(xué)和耐久性能［3-8］，或采用各種天然可再生資源，如動(dòng)植物纖維等來改善未燒制生土材料的機(jī)械、濕熱和耐久性能［9-10］.然而，生土材料用作承重墻體材料時(shí)，在改性材料摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的摻量、泌水率、減水率等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）較低的情況下，其強(qiáng)度和耐久性能提升有限.陳兵等［11］研究發(fā)現(xiàn)，利用生土、水泥和微硅粉等制備的生土泡沫混凝土具有較好的物理力學(xué)性能和保溫特性.這樣不僅充分利用了農(nóng)村生土材料的資源優(yōu)勢(shì)，而且泡沫混凝土作為填充用保溫隔熱材料，也避免了雨水和環(huán)境的侵蝕破壞，具有良好的應(yīng)用前景.

本文采用自制微生物發(fā)泡劑、生土材料和適量改性材料，制備了不同密度等級(jí)的生土泡沫混凝土，研究了生土泡沫混凝土的孔隙分布、干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率，以期獲得一種可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度的生土泡沫混凝土.

1 原料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

生土：取自陜西省北部，主要化學(xué)組成包括SiO2（52.5%）、Al2O3（14.6%）、Fe2O3（5.4%）和CaO（4.8%）等，礦物組成有石英、鈉長石和方解石等.水泥：天津冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 水泥.發(fā)泡劑：實(shí)驗(yàn)室自制的微生物發(fā)泡劑［12-13］，發(fā)泡倍數(shù)為15 倍，1 h 泌 水 率 為48%，1 h 沉 降 距 為2 mm. 減 水劑：蘇博特PCA-1 型聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生土泡沫混凝土的配合比設(shè)計(jì)

生土泡沫混凝土的配比見表1，其中水固比為0.35，減水劑摻量為0.5%（以水泥質(zhì)量計(jì)），泡沫摻量以固體材料總質(zhì)量計(jì).確定生土泡沫混凝土中泡沫用量時(shí)，需要考慮攪拌過程中泡沫出現(xiàn)破裂的情況，通過調(diào)整系數(shù)K計(jì)算泡沫的實(shí)際使用量.

表1 A03～A12 等級(jí)生土泡沫混凝土的配比Table 1 Mix proportions of A03-A12 raw soil foam concretes

1.2.2 生土泡沫混凝土的制備

首先，將生土、水泥、聚羧酸減水劑和水按設(shè)計(jì)配合比加入攪拌器并攪拌均勻；其次，將微生物發(fā)泡劑高速攪拌制成泡沫，添加到水泥漿體中攪拌約2～3 min，泡沫均勻混入后停止攪拌；然后，將水泥漿體澆筑到邊長為100 mm 的立方體模具中，成型后在室溫下養(yǎng)護(hù)1 d 后脫模，試塊放在（20±2）℃、相對(duì)濕度95% 以上的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期.

1.2.3 生土泡沫混凝土性能的測(cè)試方法

（1）孔隙率測(cè)試：采用VHX-600E 超景深顯微鏡拍攝生土泡沫混凝土試件的斷面（見圖1），再將拍攝的照片導(dǎo)入Image J 軟件中，通過二值化處理和Image J 軟件中內(nèi)置的多種測(cè)試參數(shù)，可以得到孔隙率、孔徑分布、平均孔徑及孔形狀因子. 生土泡沫混凝土斷面經(jīng)二值化處理后如圖2 所示.

圖1 生土泡沫混凝土的斷面Fig.1 Cross section of raw soil foam concrete

圖2 二值化處理Fig.2 Binary processing

（2）干密度測(cè)試：按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行.

（3）抗壓強(qiáng)度測(cè)試：按照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》進(jìn)行，并采用UltimaIv 型X 射線衍射儀（XRD）對(duì)試樣進(jìn)行物相分析，采用JSM-7800F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）進(jìn)行微觀分析.

（4）導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試：采用HFM 436 Lambda 型熱流法導(dǎo)熱儀進(jìn)行測(cè)試.

（5）吸水率測(cè)試：按照J(rèn)G/T 266—2011 進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土孔隙率的影響如圖3 所示.由圖3 可見：隨著泡沫摻量的增加，生土泡沫混凝土的孔隙率逐漸增大；當(dāng)泡沫摻量由6.1%增加至26.4%時(shí)，生土泡沫混凝土的孔隙率從45.8%提升至74.6%.

圖3 泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土孔隙率的影響Fig.3 Effect of foam content on porosity of raw soil foam concretes

泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土平均孔徑的影響如圖4 所示.由圖4 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的平均孔徑呈逐漸增大的趨勢(shì)；當(dāng)泡沫摻量由6.1%增加至26.4%時(shí)，生土泡沫混凝土的平均孔徑由127 μm 增加到420 μm.這是因?yàn)殡S著泡沫摻量的增加，泡沫出現(xiàn)了聚集合并，從而導(dǎo)致氣孔孔徑增大.泡沫摻量直接影響生土泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，泡沫摻量降低，孔隙率減小，孔壁的厚度隨之增大，可以為生土泡沫混凝土提供更好的力學(xué)性能［14］.

圖4 泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土平均孔徑的影響Fig.4 Effect of foam content on mean pore size of raw soil foam concretes

泡沫摻量分別為19.1%、13.5%、11.0%、8.1%時(shí)，所制得生土泡沫混凝土的密度等級(jí)分別為400、600、800、1 000 kg/m3.不同密度等級(jí)生土泡沫混凝土的孔徑分布如圖5 所示. 由圖5 可見：生土泡沫混凝土的孔徑分布近似遵循高斯分布，密度等級(jí)分別為400、600、800、1 000 kg/m3的生土泡沫混凝土擬合后的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.985、0.972、0.970 和0.984；隨著泡沫摻量的逐漸增加，生土泡沫混凝土的孔徑分布曲線變寬，較大尺寸孔的出現(xiàn)頻率和數(shù)量也隨之增加.這是因?yàn)楫?dāng)泡沫摻量較大時(shí)，生土泡沫混凝土的總孔隙率增加，孔隙中連通孔的數(shù)量也增加所導(dǎo)致的.

圖5 生土泡沫混凝土的孔徑分布圖Fig.5 Pore size distribution of raw soil foam concretes

2.2 泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土性能的影響

2.2.1 干密度

圖6 為泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土干密度的影響.由圖6 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的干密度逐漸減??；當(dāng)泡沫摻量從6.1%增加至26.4%時(shí)，生土泡沫混凝土的干密度從1 167 kg/m3降低至346 kg/m3；隨著泡沫摻量的增加，生土泡沫混凝土的干密度隨著泡沫摻量的增加而降低的趨勢(shì)逐漸放緩.這是因?yàn)閿嚢柽^程中攪拌機(jī)葉片對(duì)泡沫產(chǎn)生擠壓作用，泡沫摻量越高，受擠壓泡沫的比例越高，導(dǎo)致生土泡沫混凝土中泡沫消泡的數(shù)量明顯增加.

圖6 泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土干密度的影響Fig.6 Effect of foam content on dry density of raw soil foam concretes

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

圖7 為泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響.由圖7 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的密度降低，孔隙率增大，孔壁厚度隨之減小，抗壓強(qiáng)度明顯降低；泡沫摻量從6.1% 增加至26.4%，生土泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度從10.3 MPa 降至0.8 MPa；當(dāng)泡沫摻量為13.5%時(shí)，生土泡沫混凝土的密度為598 kg/m3，28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)2.6 MPa，高于同密度等級(jí)加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度（2.0 MPa）；與600 kg/m3等級(jí)生土泡沫混凝土相比，800 kg/m3等級(jí)生土泡沫混凝土所需的泡沫摻量僅減少2.5%，但抗壓強(qiáng)度卻提高了77.0%，其抗壓強(qiáng)度受泡沫摻量的影響更加明顯.

圖7 泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of foam content on compressive strength of raw soil foam concretes

生土作為一種散粒材料，呈現(xiàn)層片狀，自然條件下結(jié)構(gòu)疏松，難以提供力學(xué)性能.水泥作為膠凝材料摻入生土后，可以填補(bǔ)土顆粒之間的空隙，提供強(qiáng)度，但試驗(yàn)設(shè)計(jì)泡沫混凝土試塊內(nèi)生土摻量較大，結(jié)構(gòu)較純水泥水化產(chǎn)物松散.

圖8 為生土泡沫混凝土的XRD 圖譜.由圖8 可見，生土泡沫混凝土中生土的活性未被完全激發(fā)，生土主要起到填充作用.

圖8 生土泡沫混凝土的XRD 圖譜Fig.8 XRD patterns of raw soil foam concretes

圖9 為生土與泡沫混凝土的微觀形貌.由圖9 可見：生土顆粒已充分分散，但水泥水化產(chǎn)物在泡沫作用下，未能形成完全連續(xù)的膠凝網(wǎng)絡(luò)；生土泡沫混凝土中泡沫摻量增加，導(dǎo)致生土泡沫混凝土中孔隙分布不均勻，有害孔的數(shù)目增加，有害孔多由大尺寸的泡沫直接或間接組合而成，這使得結(jié)構(gòu)內(nèi)的膠結(jié)性能降低，直接影響了生土泡沫混凝土的耐久性和強(qiáng)度［15］.未來試驗(yàn)可通過激發(fā)生土顆粒本身活性，用以細(xì)化孔結(jié)構(gòu)使其孔隙均勻，或優(yōu)化膠凝物質(zhì)含量、配比，以期得到力學(xué)性能更佳的生土泡沫混凝土.

圖9 泡沫混凝土微觀形貌Fig.9 Micro-morphology of raw soil foam concretes

2.2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖10 所示. 由圖10 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)［16］一致；泡沫摻量從6.1%增加至26.4%，生土泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從0.25 W/（m·K）降低到0.08 W/（m·K）；當(dāng)密度等級(jí)為500 kg/m3時(shí)，生土泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.12 W/（m·K），滿足規(guī)范要求.生土泡沫混凝土是由孔隙和固相材料所組成的，孔隙中充滿空氣，固相由水泥水化產(chǎn)物和生土顆粒二者膠結(jié)在一起所組成.氣相的傳熱是由氣體分子之間的碰撞實(shí)現(xiàn)，固相的熱傳遞主要是通過分子或原子的熱振動(dòng)實(shí)現(xiàn)［17-18］.由于固相的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于氣相，因此隨著泡沫摻量的增加，生土泡沫混凝土的孔隙率增加，氣相熱傳導(dǎo)占比逐漸增加，導(dǎo)熱系數(shù)不斷降低. 水泥水化產(chǎn)物膠結(jié)生土顆粒所組成的固相結(jié)構(gòu)又較純水泥的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更為松散，這也進(jìn)一步降低了生土泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù).

圖10 泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.10 Effect of foam content on thermal conductivity of raw soil foam concretes

2.2.4 吸水率

泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土吸水率的影響如圖11 所示.由圖11 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的吸水率逐漸增加；當(dāng)泡沫摻量為6.1%時(shí)，生土泡沫混凝土的干密度為1 167 kg/m3，吸水率為6.5%；當(dāng)泡沫摻量為19.1%時(shí)，生土泡沫混凝土的干密度為444 kg/m3，吸水率為26.4%；當(dāng)泡沫摻量增加至26.4% 時(shí)，生土泡沫混凝土的干密度為346 kg/m3，吸水率增加至67.7%.生土泡沫混凝土中孔隙可分為2 種：一種是生土顆粒本身存在或堆積形成的微觀孔，這種微觀孔本身具有較強(qiáng)的吸濕吸水能力，隨著泡沫摻量的增加，生土占比降低，這部分孔隙所占比例減少，吸水率隨之減低；另一種是生物發(fā)泡劑引入的宏觀孔，隨著泡沫摻量的增加，其孔隙率隨之增大. 與圖3 對(duì)比可知，當(dāng)泡沫摻量低于17.8%時(shí)，生土泡沫混凝土中氣孔大多是被凝固的水泥石等固相材料所包圍的封閉孔；當(dāng)泡沫摻量超過19.1%時(shí)，大部分孔隙由封閉變成連通，提高了宏觀孔的吸水率.由圖5 可知，隨著泡沫摻量增加，生土泡沫混凝土中生物發(fā)泡劑引入的宏觀孔占比逐漸成為孔隙的主導(dǎo)因素，致使其吸水率急劇增加.

圖11 泡沫摻量對(duì)生土泡沫混凝土吸水率的影響Fig.11 Effect of foam content on water absorption ratio of raw soil foam concretes

3 結(jié)論

（1）以生土、水泥、聚羧酸減水劑及自制微生物發(fā)泡劑為原材料，采用先預(yù)制氣泡后混合的方法，成功制備出300～1 200 kg/m3密度等級(jí)的生土泡沫混凝土.隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的孔隙率逐漸升高，平均孔徑逐漸增大，孔徑分布近似遵循高斯分布.

（2）當(dāng)泡沫摻量從6.1%增加至26.4%時(shí)，生土泡沫混凝土的干密度從1 167 kg/m3降低至346 kg/m3，抗壓強(qiáng)度從10.3 MPa 降至0.8 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)從0.27 W/（m·K）降至0.08 W/（m·K），吸水率從6.5%增加至67.7%.

（3）試驗(yàn)設(shè)計(jì)生土泡沫混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫隔熱性能好，但其泡沫摻量大于19.1%時(shí)的吸水率有待進(jìn)一步優(yōu)化.