改性材料对生土砌块湿热性能的影响

杨 永, 张 楠, 张 磊,3, 荣 辉, 魏成娟

(1.天津城建大学 材料科学与工程学院, 天津 300384; 2.承德石油高等专科学校, 河北 承德 067000; 3.天津城建大学 天津市建筑绿色功能材料重点实验室, 天津 300384; 4.天津市建筑科学研究院有限公司, 天津 300193)

生土材料是一种具有悠久历史的古老建材,因其具有明显的生态优势,吸放湿性能,以及可调节室内温度[1]等优点而被广泛应用,生土建筑在世界文明发展的历程中做出了重要的贡献[2].尤其在人们普遍关注能源危机、零排放的今天,有良好保温隔热性能的生土材料具有广阔的发展前景[3].然而,传统生土材料强度低、变形大、耐水性差,致使生土建筑在耐水性、体积稳定性等方面不尽如人意[4].因此生土材料的改性已成为研究热点.

刘军等[5-6]研究了矿渣、粉煤灰、水泥等掺和料单掺与复掺对生土墙体材料力学性能的影响,结果表明单掺水泥对生土墙体材料力学性能改性效果较好,复掺掺和料的生土墙体材料与单掺时相比,其抗压强度、抗折强度、抗剪强度和收缩变形值均增加.张波[7]研究发现淀粉也可用于生土改性,生土强度有一定的提高.Achenza等[8]采用植物纤维与天然高分子化合物复掺改性生土材料,结果表明天然高分子化合物可改变生土的孔隙率与密度,复掺植物纤维和天然高分子化合物能有效改善生土材料的力学性能并使生土材料的耐水性有较大的提高.Ciancio等[9-10]分别研究了石灰和水泥改性对生土材料微观结构、力学性能和耐水性的影响.刘俊霞等[11]研究了不同改性材料对生土材料水分传输特性的影响,结果表明水泥的掺入改变了黄土颗粒表面状态和生土材料的孔结构,水泥改性生土材料的毛细吸收系数和初始吸水速率较未改性生土材料分别降低了19.8%和25.3%.

上述研究表明,通过物理或化学方法改性可以改善生土材料的力学性能和耐水性,改变其水分传输特性,而在改性材料对生土导湿和导热性能影响方面的研究尚不够全面充分.本文使用水泥、石灰、改性纤维对生土材料进行改性处理,研究生土砌块在不同湿度条件下的湿热性能,讨论了不同的改性材料对其湿热性能的影响.

1 试验

1.1 原材料

生土采用陕西省北部榆林市绥德县黄土,其化学组成(1)文中涉及的组成、水固比等均为质量分数或质量比.见表1,XRD图谱见图1;水泥选用天津冀东水泥有限公司生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,其技术性能指标见表2;石灰采用工业级生石灰,有效CaO含量为56%;植物纤维采用稻草秸秆纤维,先用铡草机铡成2～3cm,再用球磨机粉磨15min,长径比为6∶1;砂为市售河砂,细度模量为2.6.

表1 生土的化学组成

图1 生土的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of raw soil

表2 水泥技术性能指标

1.2 生土砌块的制备

生土砌块采用压制成型工艺,尺寸为200mm×200mm×5mm,配合比见表3,水固比为0.12.首先加入适当水将原状黄土陈化处理,实现胶结黏粒与砾石或砂砾均匀混合,降低生土的粒度.取陈化好的黄土,按照表3所示配合比(加水量应除去陈化用水)加入其他材料,搅拌均匀后置于成型模具中,使用压力机匀速加压至8MPa,保压4s后卸载脱模.单掺水泥的生土砌块Y-1～Y-5(对照试件Y-0)采用密封膜密封后进行标准养护;单掺石灰的生土砌块Y-7～Y-9(对照试件Y-6)采用密封膜密封养护;复掺水泥、石灰、纤维的生土砌块Y-11～Y-13(对照试件Y-10)采用喷水结合密封膜密封养护.所有试件均养护至测试龄期.

表3 生土砌块的配合比

1.3 生土砌块性能测试方法

湿热性能：采用动态试验法测定试件吸湿率,利用恒温恒湿试验箱制造稳定的恒温恒湿条件,箱体内的相对湿度通过通风换气进行控制.温度恒定为(25±1)℃,相对湿度RH设为40%、60%、80%、98%.

利用热流法导热仪,采用稳态平板法测定试件的导热系数(λ).

利用氮吸附测试不同试件的毛细孔容积.

按照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》测定试件的干密度.

使用JSM-7800F型场发射扫描电子显微镜对

试件进行微观分析.

2 结果与分析

2.1 生土砌块吸湿性能分析

2.1.1不同相对湿度下生土砌块吸湿率与平衡含湿量

图2为生土砌块在不同相对湿度下的吸湿率.由于试验中Y-0、Y-1、Y-2、Y-6在相对湿度为98%的条件下进行性能测试时试块溃散,无法得到相应结果,其在相对湿度为40%、60%、80%状态下则未进行测试.当时间t=0时，测量不同相对湿度下的生土砌块吸湿率为初始吸湿率，当生土砌块内部的湿度与环境湿度达到平衡时，测得其平衡含湿量.由图2可以看出：生土砌块的初始吸湿率和平衡含湿量随着相对湿度的增加而增加;在相对湿度为40%和60%时，复合改性生土砌块的平衡含湿量均大于石灰改性和水泥改性生土砌块.由于水泥的掺入,黄土颗粒周围包裹大量的水泥水化产物,使黄土颗粒的吸湿性显著降低,故水泥改性生土砌块的平衡含湿量随着水泥掺量的增加而降低.同时,由于生土砌块在压制成型过程中加水量较低,当生土砌块处于较高的环境湿度条件下时,水泥会吸收水分继续水化,因此随着水泥掺量的增加,生土砌块的平衡含湿量有小幅增加.复合改性生土砌块的吸湿率随着稻草纤维掺量的提高而增加,这是由于稻草纤维自身的吸湿性和导管传输作用及其与生土砌块基体的截面影响所致.

图2 生土砌块在不同相对湿度下的吸湿率Fig.2 Moisture absorption ratio of raw soil blocks at different relative humidities

由图2还可知：当相对湿度为40%时,生土砌块前60h内吸湿率较低,各试件60h吸湿率的平均值约为55%,60h以后吸湿率平稳上升,125h后生土砌块的吸湿率基本不变,即125h时达到吸湿平衡;当相对湿度为60%时,各生土砌块在300h时达到吸湿平衡,各试件60h吸湿率的平均值约为86%;当相对湿度为80%时,各生土砌块在120h时达到吸湿平衡,各试件60h吸湿率的平均值约为91%;当相对湿度为98%时,吸湿速率快的试件在60h以前就达到吸湿平衡,各试件60h吸湿率的平均值约为95%.

不同相对湿度下,对比同系列试件平衡含湿量可以发现,试件的平衡含湿量随着相对湿度的增加而增大.以复掺1.5%纤维的改性试件Y-13为例：在相对湿度为40%时,试件Y-13的平衡含湿量为1.02%,在相对湿度为80%时,试件Y-13的平衡含湿量增大至13.42%,且当试件Y-13相对湿度为98%时,达到平衡含湿量的时间较相对湿度为60%时缩短了160h.

2.1.2毛细孔含量对试样吸湿速率的影响

图3为生土砌块中小于70nm的毛细孔容积.从图3看出：复合改性生土砌块的累积孔容积最高,其次为水泥改性生土砌块,最低为石灰改性生土砌块及其对照试件.分析复合改性生土砌块的毛细孔容积最高的原因：一是稻草秸秆纤维自身的孔隙性;二是水泥、石灰发生水化反应,生成水化硅酸钙凝胶,细化了生土砌块的孔结构;三是水泥水化反应生成的凝胶具有凝胶孔,体积一般为水化硅酸钙凝胶体积的28%左右,其尺寸大小为0.5～10.0nm,因此生土砌块的毛细孔容积随着水泥掺量的增加而增加.

图3 生土砌块中小于70nm的毛细孔容积Fig.3 Cumulative pore volume below 70nm of raw soil blocks

2.2 生土砌块导热性能分析

表4为生土砌块导热系数(λ)和干密度的测试结果.由于试验中Y-0、Y-1、Y-2、Y-6在相对湿度为98%的条件下进行性能测试时试块溃散,无法得到相应结果,其在相对湿度为40%、60%、80%状态下则未进行测试.图4为改性生土砌块的SEM图.由表4可见,水泥改性生土砌块的导热系数随水泥掺量增加而提高,当水泥掺量为15%时,试件Y-5在干燥状态下的导热系数为0.478W/(m·K),较试件Y-0提高了10.9%.这主要是因为在干燥状态下水泥水化生成的水化产物填充在黄土颗粒之间,如图4(a)所示,生土砌块的累计孔容积降低,从而导致其导热系数增大.

表4 生土砌块导热系数和干密度

掺入石灰后,因生成晶粒粗大的氢氧化钙(CH)而使生土砌块的密实度降低,如图4(b)所示,因此生土砌块导热系数下降,且石灰改性生土砌块的导热系数随石灰掺量增加而降低,当石灰掺量为15%时,试件Y-9在干燥状态下的导热系数为0.428W/(m·K),较同条件不掺石灰试件Y-6降低了4.5%.

图4 改性生土砌块的SEM图Fig.4 SEM micrographs of modified raw soil blocks

复合改性生土砌块的导热系数随纤维掺量增加而降低,当纤维掺量为1.5%时,试件Y-13在干燥状态下的导热系数为0.399W/(m·K),较同条件不掺纤维试件Y-10降低了13.1%.这是因为纤维自身的多孔结构可提高生土砌块的累计孔容积,如图4(c)所示,从而降低了生土砌块的导热系数.

复合改性生土砌块的导热系数随着相对湿度的增大而增大,这主要是由于水的导热系数明显高于空气所致.当相对湿度由40%增加到60%时,达到吸湿平衡时生土砌块的导热系数增加速率最大;这是由于在完全干燥状态下,生土砌块内部热量传递主要是靠颗粒之间的热传导;当黄土颗粒吸收了水分后,水分子呈膜状附着在细小颗粒上,相应地增大了黄土颗粒之间的接触面积,热传导随之加快;平衡含湿量小于1%时,导热系数随平衡含湿量增加的变化不是很显著,当黄土颗粒表面吸附足够的水分时生土砌块的导热系数迅速增加.随着相对湿度的增加,生土砌块的平衡含湿量提高,材料内部的热传递主要通过水分的热对流进行,因此,随着相对湿度的增加,导热系数增幅降低并逐步趋于稳定.

3 结论

(1)生土砌块的初始吸湿率、平衡含湿量和60h吸湿率随着相对湿度的增加而增加;当相对湿度为40%和60%时，复合改性生土砌块平衡含湿量大于石灰改性和水泥改性生土砌块;随着相对湿度的增加,同系列生土砌块的平衡含湿量增大.

(2)复合改性生土砌块的70nm以下毛细孔容积最高,其次为水泥改性生土砌块,最低为石灰改性生土砌块.

(3)水泥改性生土砌块的导热系数随水泥掺量增加而增大,石灰改性和复合改性生土砌块的导热系数分别随着石灰和稻草秸秆纤维掺量的增加而降低,生土砌块的干密度和导热系数变化趋势基本相同;生土砌块的导热系数随着相对湿度的增加而增加,当相对湿度由40%增加到60%,达到吸湿平衡时生土砌块的导热系数增加速率最大.