江西生土材料的微观实验与技术_贺旭.pdf

江西建材试验与研究152023年1 月作者简介：贺旭（1969-），男，山西原平人，本科，高级工程师，主要研究方向为建筑材料。江西生土材料的微观实验与技术贺 旭中铁城建集团有限公司，湖南 长沙 410200摘 要：文中以江西红黏土为例，介绍了其微观实验的方法,并分析改性试样强度增强的原因。从生土材料的内部矿物组成、官能团特征峰、微观密实度变化等角度来阐述生土改性的内在作用机制，研究成果可为生土材料及其建造技术的可持续发展提供参考。关键词：生土材料；微观构造；扫描电镜实验；改性试验中图分类号：TU521.3 文献标志码：B文章编号：1006-2890（2023）01-0015-03Microscopic Experimental and Technology of Raw Soil Materials in JiangxiHe XuChina Railway Urban Construction Group Co.Ltd.,Changsha,Hunan 410200Abstract:Taking Jiangxi red clay as an example,the methods of microcosmic experiments are introduced,and the cause of modified sample strength enhancement is analyzed in this study.In this paper,the internal mechanism of soil modification is discussed from the perspectives of mineral composition,functional group characteristic peak and microscopic density change of soil materials,which can provide reference for sustainable development of soil materials and construction technology.Key words:Raw soil material;Microstructure;Electron microscope experiment;Modified test0 引言生土材料建造房屋已有八千年的历史，是中华民族历史文明的瑰宝。目前，既有生土结构房屋仍遍布江西、宁夏、新疆、福建等省。生土结构不但具有方便取材、经济实用、冬暖夏凉等优点，还具有重要的环保价值，属于近天然的近零能耗材料1。2011 年，经住房和城乡建设部调查发现，中国村镇生土结构房屋总量约为3800万户。同时相关调研发现，江西省内村镇生土房屋也数量可观2。虽然生土结构房屋的经济与适用性突出，但是生土结构房屋抗震性能较差，在历次地震中震害严重3-4。因此，解决生土材料强度低，从根本上改进生土材料的力学性能十分必要5-6。为了有效开展材料的改性试验，必要的材料微观性能试验必不可少，既可明确原状生土材料的基本成分，也有利于了解改性生土的分子构造等微观变化。本文以江西省内红黏土作为研究对象，通过掺入多种改性材料对其进行改性实验。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪等实验仪器，分析改性生土材料内部微观结构变化，以揭示材料改性的效果与作用机理7。1 试验方法1.1 原状土样品制备实验所用生土为江西地区典型的红黏土，实验前将土体锤碎，再使用5mm土壤筛，筛出实验所用土壤样品。按照GB/T 50123-2019 土工实验方法标准 对所取得的红黏土样进行基本物理性质测试，测得土样的液、塑限分别为30%与20.1%，最大干密度为1.49g/cm3。1.2 样品矿物成分测试为了测定改性前后生土的水化产物及其矿物组成，利用全自动多功能 X射线衍射仪进行测试，分析土壤材料的微观衍射图谱，了解材料的组成与微观结构等信息8-10。将红黏土粉末样品置于试样填充区，使试样在试样架里均匀分布，然后用玻璃片压平实，使试样面与样品架表面共面。实验过程仅对物相进行定性分析，由于测试的物相为无机化合物，设置扫描范围选择为1060，设定步长和每步时间分别为0.06和0.6s。从原状红黏土的 X射线衍图谱中可以发现，试样中矿物成分主要为石英和高岭石，其次为赤铁矿和伊利石等。其中，石英属于原生矿物质主要由二氧化硅构成，具有粒径较大、黏聚力差等特点。其余几种矿物成分均为次生类矿物，因长期的风化侵蚀产生，三类次生矿物质颗粒之间具有更好的塑性。1.3 化学键组成测试采用红外光谱仪（FT-IR），测定原状生土材料的红外吸收光谱。首先，对生土材料试样进行充分烘干、研磨并与溴化钾混合制备测试压片试样、扫描测试等操作；并且，对仪器扫描得到的信号做傅里叶变换；最后，将处理后数据绘制为红外线光谱图。图1 为原状生土的红外光谱图。通过比对可知，第一与第二位置的峰值对应的波数属于氢氧根的伸缩振动峰，表明材料中存在吸附水；同时，1640cm-1处为碳碳双键基团的伸缩振动峰；最高峰值处周围的反对称伸缩振动属于硅氧四面体。由以上试验得到的结论可以确定，原状生土材料中包含高岭石与伊利石等成分。江西建材试验与研究162023年1 月 图1 生土试样红外光谱图1.4 改性土样品的制备改性生土是在原状生土中掺入稻草、砂砾、聚酯纤维、水泥、石灰等改性材料。本次改性实验用材料及掺入比例见表1。表1 改性生土试样配合比%分组生土水泥石灰纤维砂稻草原状土100物理改性800.5190.5化学改性801010注：原状土表示改性前的试验对照组。按照 GB/T 50123-2019 土工试验方法标准 对改性生土试块的抗压强度进行测试。正式开始试验前，应对设备调试并做预压测试，以确保加载设备与生土试块接触面紧密连接。加载过程中应控制合适的加载速度，并记录与保存试验数据。分别测试不同试验组养护至3d、7d、14d、28d、90d的抗压强度。2 实验结果与分析2.1 抗压强度图2 为江西省红黏土改性前后的抗压强度，可以发现，改性后生土材料的抗压强度值均随着养护龄期的增长而提高。化学改性生土材料由于加入了水泥和生石灰等胶凝材料，其抗压强度显著提升，90d养护龄期的抗压强度达到20MPa以上。主要原因是，水泥等胶凝材料使生土颗粒的黏结更紧密，产生较强的嵌固作用。此外，其水化产物将与二氧化碳发生反应生成碳酸钙，也会对土体强度起到提高作用。图3 为原状生土与两类改性生土材料的荷载位移加载曲线，图中化学改性后生土的力学性能提高明显，但物理改性样品抗压强度较差，主要是因为样品中并未加入水泥、石灰等化学胶凝材料，土体内未发生水化、激发和离子交换反应，也没有生成具有胶凝效应和填充效应的物质。图2 不同龄期生土样品抗压强度图3 改性土与原状土荷载位移曲线2.2 电镜扫描试验利用场发射环境扫描电镜对比了三类试样的电镜照片，通过观察改性前后生土的孔隙结构与构造特征变化，分析材料改性的微观原理。试验过程如下，首先，选用适合的样品座尺寸，再用导电胶把样品粘在样品座上。其次，为了提升样品材料的导电性，消除因电子照射产生的电荷积累现象，试验需为测试材料增加一层导电膜，以提升成像质量。随后，将样品送入真空样品室进行电镜扫描试验11-13。图4（a）为原状土微观构造图。原状红黏土由大小形状不同的土颗粒凝聚而成，小的土颗粒依附在大的土颗粒周围，排列随机杂乱无章无明显规律，结构松散，颗粒之间孔隙较大，结构呈片状搭接构造。图4（b）为复掺物理改性生土微观扫描图片，图中稻草、聚酯纤维的强韧性使土料与植物纤维之间具备良好的机械啮合条件。相比于素土，纤维与土颗粒结合后，纤维改性红黏土更能抵抗土体水分快速蒸发带来的土体表面张力。因此，掺入纤维材料后，土体的抵抗失水开裂能力提升，裂隙率和变形下降。并且各纤维材料在土体中形成了网络，既可以限制土体失水收缩时的变形量，又能提升纤维土体结构的抗压能力。因此，总体上材料力学性能仍有一定提升。图4（c）为化学改性后生土材料的微观构造，由图可知，加入水泥、石灰等胶凝物质后，改性土体内部微观结构变得更加密实。这是由于大量的石灰水化，生成氢氧化钙胶体，覆盖在土颗粒表面，进而在表面发生反应生成水化硅酸钙凝胶，其与江西建材试验与研究172023年1 月氢氧化钙一起，将土颗粒胶结成团聚体。其次，随着水泥的掺入，水泥水化反应产生更多的絮凝状或网状水化硅酸钙凝胶与板状的氢氧化钙，以上化学反应可增强土颗粒间发生粘聚性，并填充生土颗粒间的孔隙，使土样结构的密实度增强。（a）原图生土 （b）物理改性生土 （c）化学改性生土图4 土样电镜扫描图3 结论为改善传统生土材料水稳定性差、强度低等缺陷，本文掺入水泥、石灰、聚酯纤维等对其进行复合改性，并对改性后生土材料的内部微观结构变化进行分析，得到以下结论：（1）生土材料的微观测试有助于提升其改性试验的效率，其中，X射线衍射试验可以获得材料的成分构成；红外光谱试验可以有效测试生土材料化学键的组成；电镜扫描试验可以有效地观察材料内部原子或分子的结构与构造等信息。（2）未经过改性的生土材料结构松散，致密性差。在加入稻草、聚酯纤维等强韧性材料的物理改性生土中，纤维与土体之间能够良好地结合，产生纤维-土嵌固作用等，提升土体的力学性能。在加入水泥、石灰等胶凝物质后，通过水化反应可增强土颗粒间的粘聚性，并填充土颗粒间的孔隙，增强改性后生土材料的结构密实度。参考文献 1 程兰.现代建筑设计中中国传统建筑材料运用研究J.江西建材，2022（7）：63-64，67.2 陈宝魁，史雨萱，熊进刚，等.江西省既有生土结构房屋抗震性能及加固方法J.世界地震工程，2018，34（3）：46-51.3 刘丽芳.村镇房屋建筑结构设计中几个常见问题的分析J.江西建材，2015（23）：12-13.4 周铁钢，段文强，穆钧，等.全国生土农房现状调查与抗震性能统计分析J.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2013，45（4）：487-492.5 陈宝魁，田洪祥，文明，等.江西生土结构房屋材料改性试验研究J.南昌大学学报（工科版），2022，44（3）：225-233.6 墨景，杨新磊.新型生土空心砌块力学性能试验研究J.江西建材，2016（10）：5-6.7 越二寅.生土结构建筑在甘肃省乡村振兴建设中的适用性探析J.江西建材，2021（9）：289-290.8 陈宝魁，田洪祥，文明，等.基于“绿色建筑”理念的生土材料力学试验设计与实践J.试验技术与管理，2022，5（39）：1-5.9 张磊.生土建筑材料的改性优化及墙体热工性能分析 D.陕西：西安建筑科技大学，2018.10 张磊，杨久俊，王雪平，等.成型工艺对生土材料结构与性能的影响J.砖瓦世界，2015（12）：29-31.11 邓永康，曹建劲，党万强等.大宝山多金属矿床氧化微粒的 X射线衍射和近红外光谱分析及其意义J.光谱学与光谱分析，2019，39（9）：2929-2934.12 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