夯土墙体材料改性研究

　　摘 要：文章以陕西黄土为主要原料，分别选择水泥、石灰为无机改性剂，糊化淀粉和稻草纤维作为有机改性剂，测试了改性前后夯土墙体材料的抗压强度变化，分析了不同改性剂对夯土墙体材料强度的影响规律。实验表明，单掺水泥、复掺水泥-石灰和单掺糊化淀粉、复掺糊化淀粉-稻草纤维都能够对夯土墙体材料的强度有增强作用。

　　关键词：夯土;水泥;石灰;糊化淀粉;稻草纤维

　　《建筑》朱德元帅题写刊名。住房和城乡建设部主管，建筑杂志社主办，面向国内外公开发行。新闻出版总署双效期刊，中国建筑行业权威刊物，住房和城乡建设部优秀期刊一等奖。

　　生土材料具有取材方便，造价低廉，热工性能好，可循环利用等优点，是生态型建筑材料，为居住空间创造了舒适环境。夯土是一种具有悠久历史且应用广泛的生土建造方式，随着生土材料的生态优越性在当今建筑领域的日益显现，关于夯土建筑的研究，包括建造技术的工程应用研究，及其生土材料的性能研究已上升到科学层面。但是生土材料自身强度较低、耐水性差、体积稳定性差等缺点，限制了生土材料在生活中的应用。

　　抗压强度是夯土材料应用中最重要的力学性能之一，提高夯土材料的抗压强度，不仅可用于低层建筑民居，而且可以满足两层及多层建筑居住的需要，因此，在土木工程领域，世界各国都在致力于提高夯土抗压强度的研究与实践。

　　文章选择常见的无机改性剂水泥、石灰和有机改性剂糊化淀粉、稻草纤维对生土材料进行了改性试验研究，对比无机和有机改性剂对夯土墙体材料强度的影响，并对其影响机理进行简要分析，为生土材料的改性研究提供科学参考。

　　1 原材料及试验方法

　　1.1 试验原料

　　试验生土选择陕西黄土，水泥为天津振兴水泥厂生产提供的42.5强度等级普通硅酸盐水泥，石灰由天津市三江科技有限公司购买，糊化淀粉为市场购买红薯糊化淀粉，稻草纤维取自天津当地农村，试验用水为普通自来水。

　　1.2 实验方法

　　在生土中添加改性剂，实验设计了单掺和复掺两种方式，并设计素土组作为对照组。将按配比计算称量的生土加入部分水搅拌均匀，陈化24小时后使用，改性剂在夯击前按设计配方现用现加。夯击成型的试块脱模后需养护一定时间。有机组在自然条件下养护至干燥状态，即三次称量显示为恒重即可;无机组在标养(20℃±2℃、相对湿度95%以上)条件下养护至规定龄期，测量其7天、14天的强度。

　　为了确定无机和有机改性剂在不同水固比条件下对夯土材料性能的影响，实验中设计不同水固比进行对比实验，分别为0.08、0.1、0.12、0.14。

　　2 结果与讨论

　　2.1 不同改性剂对夯土强度的影响

　　掺加不同含量的有机和无机改性剂对夯土强度影响如图2-1、2-2所示。从图中可以看出，在生土中掺加无机改性剂和有机改性剂都能够在一定程度上提高夯土的强度，无机改性剂的增强效果更好。在单掺情况下，无机组水泥掺量为10%时夯土强度达到8.1MPa，而素土强度为2.2MPa，强度提高近4倍;有机组糊化淀粉掺量为2%时，强度达到5.9MPa，素土强度为2.4MPa，强度也提高了2倍多。在复掺情况下，无机组水泥与石灰复掺强度表现并没有单掺水泥效果好，在10%水泥,6%石灰情况下，强度最高为6.4MPa，与对照组相比提高近3倍，当石灰掺量增加到8%时，强度反而大幅下降，只有3.5MPa，说明石灰与水泥复掺时，石灰掺量并不是越多越好，需要限制在一定的范围之内;有机组2%糊化淀粉,2%纤维时强度为6.0MPa，稍高于单掺糊化淀粉组，单掺纤维对夯土强度的提高贡献并不大，最高只能达到2.8MPa，但是通过与糊化淀粉复掺后，整体强度有了明显提高，而纤维本身具有韧性，与生土材料之间的拉结作用能够有效地抵消部分剪切应力，同时可以增强夯土组合材料中的骨架结构，在提高夯土墙体的整体性和减小土体干缩方面有很重要的意义。

　　2.2 不同水固比对改性夯土强度的影响

　　不同水固比对夯土强度的影响如图2-3、2-4所示。从图中可以看出，随水固比的增大，无机改性剂在水固比为0.12时强度最高，可达到6.4MPa，随水固比的进一步增大，强度有所降低;有机改性剂在水固比为0.1时强度较高，为5.9MPa，而水固比继续增大，强度下降明显。在实验过程中，当水固比为0.14时，原材料在搅拌时状态较湿，夯筑成功后不易脱模，粘壁情况严重，制好的试块在养护阶段易产生较多的裂缝，测得强度值也不够理想。由于水泥在水化过程中需要更多的水分参与反应，所以在实验结果中显示需要的水固比要高于有机组。

　　2.3 养护时间对改性夯土强度的影响

　　养护时间对不同水泥掺量夯土强度的影响如图2-5所示。可以看出，不同水泥掺量的夯土材料随着养护时间的增加，强度也在增加，水泥掺量为15%时，7天强度为6.7MPa，14天强度达到8.0MPa，而水泥掺量为10%时，7天强度为6.4MPa，14天强度为8.1MPa。早期强度增长较快，14天强度增长速度有所减慢，但仍继续呈现增长趋势。

　　2.4 改性机理分析

　　不同改性夯土试块的SEM照片如图所示。从图2-6(a)可以看出，素土表面由多个大小形状不一的土颗粒无序排列而成，土粒间空隙较大，呈疏松而分散状;经糊化淀粉改性后的表面，如图2-6(b)，由于糊化淀粉的粘结性，夯击后土颗粒间紧密的粘接在一起，有堵塞孔隙的作用，硬化后有较好的黏结力，使土粒之间连接成整体，改善夯土试块的强度;在生土材料中添加水泥胶凝材料后，如图2-6(c)，可以看到制品表面生成较多针棒状的钙矾石水化产物，大量的填充在土颗粒的空隙之间，水化硬化后形成水泥石骨架，使改性夯土试块的强度大大提高;在生土材料中复掺入水泥和石灰，与水混合后，由于石灰具有较好的吸水性，使得水泥水化过程受到限制，如图2-6(d)所示，水化生成的钙矾石与图2-6(c)相比较少而且更细小，土颗粒间的空隙只能达到部分填充，与实验组强度降低结果相吻合，建议当掺入石灰时可以适当提高水固比效果会有所改善。

　　3 结语

　　在生土中掺加不同的改性剂，都可以提高夯土材料的强度，无机改性剂对夯土强度的增强程度大于有机改性剂。当水泥掺量为10%时，强度最高可达到8.1MPa，而糊化淀粉掺量为2%时，夯土强度为5.9MPa。

　　相同含量的改性剂，在不同水固比条件下，对夯土材料的强度也有一定的影响，无机改性剂需水量略大于有机改性剂。

　　随养护时间的增加，夯土材料的强度也呈增长趋势。早期强度增长较快，14天强度增长速度有所减慢，但是强度仍然继续增大。