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西安建筑科技大学硕士学位论文 夯土建筑材料耐久性试验研究 专业：材料学 硕士生：王宝卿 指导老师：尚建丽教授 摘要 生土建筑是我国广大乡村居住建筑的重要形式之一。生土建筑包括夯土建筑、 土坯建筑、掩土建筑等多种形式。夯土建筑，源远流长，使用广泛，它不仅取材方 便、经济实用，而且整体性强，热工性能优越，有一定的承载能力。但是，夯土建 筑也存在致命的材料缺陷，比如土质材料不能抗水，遇水软化，强度降低等，使夯 土建筑的应用受到限制。本文尝试通过掺入适当的改性材料，增强土质材料的抗水 性、抗冻性，提高生土建筑的使用年限。 本论文首先针对西部地区两个典型区域( 陕西、云南) 的土质，进行了土的颗 粒分析，土的液、塑限，土的化学成分分析等试验，研究不同土体的组成、结构、 分类及其基本性质。其次，重点研究了土体的抗水性、抗冻性，对不同土体掺入适 当掺合料，采用不同养护条件，在不同夯实能量下，进行浸水、喷淋、冻融试验， 研究其抗水、抗冻性。试验表明：掺入小掺量掺合料，可明显改善土体性质，增强 其抗水、抗冻性，有利于促进夯土建筑的推广应用，降低建筑成本，节约自然资源。 同时从试验结果可以看出，单掺水泥、矿渣、石灰、粉煤灰、石膏等材料，不同 土体的改性效果不同，云南的云黄、云红土质适于掺用水泥，矿渣；陕西的陕2 土 质适于掺用各种改性材料，尤其适于掺用水泥、矿渣。在自行设计的复掺改性材料 p l 、p 2 、p 3 中，陕2 对各种复掺配方表现效果都好，对配方p 3 表现最好；云黄、 云红对配方p l 表现的最好。掺入有机材料的不同土质，其抗水性随着有机材料掺 量的增加表现有增大的趋势不同的夯实能量，对土体抗水性、抗冻性能也有一定 影响，夯实能量的增加对抗水、抗冻性的提高是有利的。改性土中加入骨料，可进 一步增强土体的抗水、抗冻性能。最后本论文对土质抗水性，抗冻性的改性机理进 行了探索性分析。 关键词：夯土；改性土；掺合料；抗水性；抗冻性 西安建筑科技大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d i e s0 1 1d u r a b i l i t yo fr a m m e de a r t h b u i l d i n gm a t e r i a l m a j o r ：m a t e r i a l s m a s t e r ：w a n gb a o q i n g t u t o r ：p r o f s h a n g j i a n l i a b s t r a c t a d o b eb u i l d i n gi st h em a j o rf o r mw h i c hp r e v a i l si nt h er u r a la r e a si nc h i n a t h i s k i n do fk f l u o t l l r ei n c l u d e sr a m m e de a n hd u l l d i n g s t r u c t u r ew i t hc o m p a c t e 【ib d c k s , a n d s t m c m r es h i e l d e dw i t hs o i l t h er a m m e de a r t hb u i l d i n gi st h em o s tp r e v a i l i n gt y p ei nt h e l o n gh i s t o r y w i t hc h a r a c t e r sn o t o n l yo fc o n v e n i e n ta c h i e v e m e n to fm a t e r i a l s a t e c o n o m i c a lc o s t , b u ta l s oo f s o u n dm o n o l i t h i cs t l u c t u r e , e x c e l l e n tt h e r m a lp r o p e r t y ，a n d b e a r i n gc a p a c i t y y e t , r a m m e de a r t hb u i l d i n gh a sd e a d l yd e f e c t si nt c m 3o fm a t e r i a l s p r o p e r t y , s u c h a st h es o i lm a t e r i a l si su n a b l et or e s i s ta g a i n s tw a t e r , b e c o m i n gs o f t e n e dt o l o ws t r e n g t hw h e nm e e t i n gw a t e r t h i sl i m i t st h ea p p l i c a t i o no fr a m m e de a r t hb u i l d i n g t h i sp a p e ra t t e m p t st o s t r e n g t h e n t h ep r o p e r t yo fs o i lm a t e r i a l si nt e r m so f w a t e r - r e s i s t a n c e ，a n t i f r e e z i n g b ya d d i n gc e r t a i nm o d i f i e dm a t e r i a l ss oa st od u r a b i l i t yo f r a ws o i ls t r u c t m e a tf i r s t ，t h ep a p e rm a k e sa n a l y s i so ns o i lp a r t i c l e ，f i q u i dl i m i ta n dp l a s t i cl i m i t , a n d c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs o i lt o w a r ds o i l si nt w ot y p i c a la r e a 8 ( s h a 五a n dy u n n a n ) i n w e s t e r nc h i n a , s t u d i e st h ec o m p o s i t i o n s ，s l n l g t u r e s , c l a s s i f i c a t i o n sa n db a s i cs u b s t a n c e s o fd i f f e r e n ts o i l s s e c o n d l y , i tm a i n l ya p p l i e ss t u d i e so f w a t e r - r e s i s t a n c e ，a n t i f r e e z i n gb y a d d i n gc e r t a i nm i x t u w si n t od i f f e r e n ts o i l ，m a k i n ge x p e r i m e n t so fw a t e r - s o a k a g e ，w a t e r a p r l n l d i n g ，a n df l o g - t h a wr e s i s t a n c e w i t hd i f f e r e n tc o m p a c t n e s s t h ee x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a ta d d i n gl e s sq u a n t i t yo f 出q l l r e sc a no b v i o u s l ya l t e r n a t et h es o i lq u a l i t y , s t m g 岫t h ow a t e rr e s i s t a n c ea n da n t i f r e e z i n gc a p a b i l i t y , r e d u c i n gt h ec o s to fs o i l s t r u c r l r e sa n ds a v i n gn a t l l r a lr e s o t w c e s m e a n w h i l e , t h ee x p e r i m e n t sr e v e l e dt h a ta d d i n g s i n g l em a t e r i a l ss u c h 鹤c e m e n t , i r o no g e ，l i m e ，f l y - a s h , o rg y p s i m nr e s u l t si nd i f f e r e n t m o d i 舭de f f e c t sf o rd i f i e r e n ts o i l s f o re x a m p l e c e m e n ta n di r o no r ea r em o r es u i t a b l et o 西安建筑科技大学硕士学位论文 y u n h u a n ga n dy u n h o n gs o i l ，w h i l ev a r i o u sm o d i f i e dm a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yc e m e n ta n d i r o n o f ea r es u i t a b l e t os h a a n x i - l is o i l ，a s t o t h e s e t f - d e s i g n e 6 m o d i e e d m a t e r i a l so f p l ， p 2a n dp 3o fc o m p o u n da d d i t i v e s ，s h a a n x i - i ss u i t a b l ew e l lt oa l l ，w i t hp 3b e i n gt h e b e s t y u n h u a n ga n dy u n h o n gs o l | s u i tp lt h eb e s t f o rs o i l sa d d c dw i t ho r g a n i z e d m a t e r i a l s ，w a t e r - r e s i s t i n gc a p a b i l 畸t a k e st h ei n c r e a s i n gt e n d e n c ya l o n gw i t ht h eq u a n t i t y i n c r e a s eo fa d d i t i v e so ft h eo r g a u i z e am a t e r i a l s d i f f e r e n tc o m p a c m e s sl a i dd i f f e r e n t c e r t a i n i m p a c tu p o n w a t e r - r e s i s t a n c ea n da n t i - f r e e z i n gc a p a b i l i t i e s ，w i t hh i g h c o m p a c t n e s sb e i n gb e n e f i c i a l t ot h e c a p a b i l i t yi n c r e a s i n g 硝w a t e r - r e s i s t a n g ea n d a n t i f r e e z i n g a d d i n ga g g r e g a t ei n t om o d i f i e ds o i lc a n 向r t h e ri n c r e a s ew a t e r - r e s i s t a n c e a n da n t i - f r e e z i n gc a p a b i l 酊o ft h es o i l s mp a p e ra l s om a k e sf u r t h e rs t u d yo f m o d i f i c a t i o n p r i n c i p l e o f w a t e r - r e s i s t a n c e a n d a n t i - f r e e z i n gc a p a b i l i t y o f t h es o i l s k 呵w o r d s ：r a m m e de a r t h , m o d i f i e ds o i l ，a d d i t i v e s ，w a t e r - r e s i s t a n c ea n da n t i _ f r e e z i n g c a p a b i l i t y 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了中文特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其仙人在其它单位已中请 学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 曼复气卯目热砌矿3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，目口：学植 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅i 学校可以公布论文的全部 或部分内容。可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：卫孟印即翮签名：叛压陬炒名- 弓 注：请将此复附在论文首夏 ， f 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景 从人类社会形成以来，生土一直是主要的建筑材料之一，据资料介绍f i 】【2 】世界上 约有1 3 的人口居住在生土建筑之中。传统生土建筑的发展与提高，对人类居住条件 的改善十分重要。另一方面，日渐严重的环境污染已成为制约全球经济发展的主要因 素，对包括我国在内的第三世界国家来说，这一问题更为突出，我国每年由污染和生 态破坏造成的经济损失达2 0 0 0 多亿元。而生土建筑的建设可以减少对生态的破坏， 保护和改善自然环境，有利于社会的可持续发展。 在农村与乡镇住房建设方兴未艾的今天，不盲目摹仿大城市建高层楼房，珍惜资 源节约能源，走中国式的村镇发展道路，是消灭“城市病”，恢复乡村生态特色重要途 径唧 4 1 。一方面，世界上许多国家已经经历过密集城市化的发展阶段，饱尝无序发展的 恶果。另一方面，还有许多国家至今仍在不切实际的追求城市化发展，乃至发生严重 环境污染生态破坏，才意识到保护。高层建筑作为技术、经济实力的一个特征，但并不 代表现代化中国特色的建筑风格。当前，节约型、资源效益型，灵活适应性和风格多样 性应当成为中国乡村建筑的基本特征，生土建筑就是我国广大农村居住建筑的重要形 式之一。 生土建筑包括夯土建筑、土坯建筑、掩土建筑等多种形式。其中，夯土建筑是 我国古代建筑技术史上的重要成就之一，源远流长，使用广泛。所谓夯土墙俗称冲墙， 即孟子的“传说举于版筑之间”的“版筑”，其大意是施工时版筑为墙，筑土墙时两 边的模板树立起来。施工中，把模板中的泥土夯实。模板拆除后，用力拍打新筑而未 干的土墙，以便使它坚固，还用瓦刀削平土墙上隆起的土疙瘩。夯土建筑除了取材方 便、经济实用之外，有一定承载力、整体性强，热工性能优越，加之成套的夯筑技术 早已成熟，因而至今许多农村的住居仍使用传统夯土技术建造土房。 从夯土建筑历史看，夯土造屋早在殷商时代就存在了。从考古发掘上来看，我 国这种夯筑技术的最古遗例，是在河南省汤阴县叫做白营子的地方，它是七八千年前 的新石器末期的遗址。公元前l l 世纪( 商代) 以后，这种技术被各个领域广泛应用， 许多规模宏大的宫室和陵墓都是用夯筑技术建造的，特别是夯土台基成为建筑物的必 有通式。在四千多年前的大禹王时代，不仅利用这种技术建造城池宫殿，而且用于修 堤筑坝，治理水患。现尚存河南省安阳、郑州等三千余年前的城池宫殿遗址，都是利 用夯筑技术建造的。郑州的商城遗址四周总长6 9 6 0 m ，采用分段版筑逐段筑成，质地 ； i 西安建筑科技大学硕士学位论文 相当坚固。这种夯筑技术伴随着汉民族的迁徙，从黄河流域跨过扬子江，向江南地区 传播，直至传播到福建省西南部、广东省东北部，江西省南部的山区农村。随着汉族 南迁，从唐代开始，福建、广东、江西的夯筑技术逐渐发达，到了明代，福建西南部 山区农村，建造房屋都以粘土为主要建筑材料，并利用夯土技术建造，这种夯土技术 已到了巅峰水准，建造的楼房一般皆为三四层，高达五六层，有的高度超过2 0 米。 一层是厨房，二层是粮仓，三层以上为卧室。北宋李诫编修的营造法式规定“筑 墙之制，每墙厚三尺，则高九尺，其上斜，则高九尺，其上斜收，比厚减半；若高增 三尺，则厚加一尺，减亦如之”。而现在福建大部分建于明清时代的土楼，是中原夯 土版筑技术经几千年积累提高的技术结晶，是夯土文明最高成就的实物，这种夯土墙 的技术水准达到了高度与宽度之比是2 5 ：1 的登峰造极境界，可谓是对古代夯土技术 的一大贡献。难怪日本琉球大学的福岛骏先生称之为“利用特殊的材料和绝妙的方法 建起的大厦”。 著名的福建土楼就地取材以夯土墙承重，一米多厚的土墙可以建造四、五层， 甚至六层的高楼，其夯土技术可谓达到顶峰。从“打石脚”( 砌基础) ，“行墙”( 夯筑 土墙) 到“献架”( 安装木构架) 都积累了一整套适合地方条件的施工经验。如用松木 交叉连排垫底，构成伐形基础，使高大的土楼能在软土上建造；夯土墙中用竹片、松 枝作“墙筋”以增强整体性；沿海地区夯土中加糯米浆以增加强度、减薄墙体等等做 法，都颇有创造性。福建土楼本身是一种生态型的建筑，厚重的土墙不仅有效地抵御 了外患，而且粘土本身透气的功能，调节了土楼内部房间的温湿度，适应了山区恶劣 潮湿的气候。底层厨房的烟熏，使二层谷仓干燥且不生虫，卧室设在三、四层高爽通 风，成功营造了楼内冬暖夏凉的小气候。福建土楼这种夯土建筑的意义还在于它建造 的原材料是泥土和杉木，就地取材又可重复使用，它来自土地，土墙倒塌、木材腐朽 又回到土地，因此延续上千年的建筑活动并没有造成对自然生态的破坏。旧 然而，尽管古代夯土技术已达到相当高的程度，但是致命的材料缺陷严重威胁 着土建筑的使用寿命。尤其是土材料不耐水，遇水软化，强度降低缺点，使土建筑受 到使用限制。因此，如何改善土材料的耐水性、提高生土建筑的耐久年限，就成为生 土建筑材料研究领域的难点所在。本文试图考虑不同条件作用时通过掺入适当的改性 材料，进行夯土材料耐久性改善的探索，就是在这种背景下提出的。 1 2 国内外对土体改性的研究 所谓土体改性就是采用在常温下向土中加入改性材料，并施加一定的外力，通 过土内发生的一系列物理化学反应使土粒胶结，从而改变土的原有结构和性质，达到 增强土体的耐久性和力学性能的目的。 2 ，ijlj_ j l 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 0 世纪初，一些经济发达国家由于新建道路、港口、机场等工程需要，采用石 灰、水泥对土进行了改性，取得了良好的效果。进人7 0 年代，美、日、加、南非等 国家对土改性技术进行了深层次的开发，技术水平获得了长足的进步，改性土的材料 由单一的石灰、水泥、粉煤灰等升级到改性的新材料一土壤改性剂。这是一种性能优 异的复合材料，具有水泥所不具有的一些特点，作用对象是各类土质，实现了人们“土 变石头”的梦想，产品投人市场后，很快被广泛应用于工程中，美国称此为2 0 世纪 伟大发明之一，日本称此为2 1 世纪的新材料。在这些国家里，土壤固化剂作为一种 品牌的商品被专门的企业生产制造，如美国帕尔玛公司的固化酶，美国路邦( r o a d b o n d ) 公司、美国路特固( r o a d g o o d ) 、日本u k c 公司、日本世纪东急工业株式会社，日本住 友株式会社等制造的土壤改性材料7 1 伸1 叫n 0 1 n 1 1 。 在国内，也有不少机构开展了固化剂“小瑚。州”1 的开发研究，而且在公路路基建 筑地基软土处理、水利工型”1 建设中得到了运用。但是，这项技术的研究针对土 质材料的应用领域不同，而有不同的适应性。夯土建筑作为一种建筑方式，历史悠久， 分布广泛。由于使用环境不同，改造技术也有差异，且形成的尺寸规格及体量都不相 同，尤其是改性材料的品种与造价决定了目前夯土建筑领域的有效性。从土体的耐久 性角度看，除包括干湿强度变化外，有耐水、抗冻等性能，其都依赖于土体的改性。 因此，如何围绕夯士墙体所处的环境及尺寸规格进行土体改性，以提高其强度和耐久 性是一个新问题。 1 3 本课题的意义 我国西部地区幅员辽阔，自然资源丰富，但经济发展较为落后，随着中国西部 大开发，在全世界积极呼唤环保的今天，改善居住条件，建立人与自然和谐相处协调 发展的关系，使农村建房成为生态环境建设的一部分，土筑房是行之有效的解决住房 缺乏的方法。但是在进行传统的夯土建筑时，人们常常只凭借经验，而缺乏科学系统 的指导。因此在研究开发传统夯土建筑时，对土加以改性并系统的研究分析，提出耐 久性改善的技术途径，具有现实的使用意义。 1 4 本课题的主要研究内容 在国内，对于夯土建筑从结构，从环境、建筑节能等方面都有研究，但从材料 方面的研究却鲜有详细报道。材料性能的研究以及材料性能的改善，将会使夯土建筑 从设计到旃工有巨大变化，这无疑将进一步推动夯土建筑的广泛应用。本课题针对土 体的抗水性、抗冻性差的特点，研究在不同条件，不同夯实能量下，土体耐久性的变 t 西安建筑科技大学硕士学位论文 化规律，以及掺入不同掺合料的土体耐久性的变化规律，并且从微观分析其抗水性及 抗冻性的机理。为进一步探讨土体耐久性的评价方法提供依据。为此，本课题主要研 究内容是： 1 ) 土的基本性质试验：包括土的颗粒分析、土的液、塑限，士的化学成分分析 等研究。 2 ) 夯土材料的抗水性试验研究： 不同养护条件下的抗水性试验研究； 不同夯实能量下的抗水性试验研究； 不同土样掺加不同掺合料后的抗水性试验研究。 3 ) 夯土材料的抗冻性试验研究： 不同土样在潮湿养护条件下的抗冻性试验研究； 不同土样在不同夯实能量下的抗冻性试验研究； 不同土样掺加不同掺合料后，在潮湿条件下的抗冻性试验研究。 4 ) 夯土材料抗水性及抗冻性机理及评定方法的研究。 4 _k埔i-f_- 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 i 土的组成 2 土的组成、结构及分类 土是由岩石经过物理与化学风化作用后的产物，它是由各种大小不同的土粒组 成的集合体。这些土粒间的联结是比较微弱的，在外力作用下，土体并不显示出一般 固体的特性，土粒间的联结也并不象胶体那样易于相对地滑移，也不表现出一般液体 的特性。土体是一种分散体，是由大小不同的颗粒组成的，颗粒之间存在着大量的孔 隙，在孔隙中，除了空气外，还存在有部分水，或孔隙中完全为水所充满。颗粒之间 有一定的粘聚力，但其粘聚力很弱。同其他材料相比( 如岩石) ，可以近似地认为土 体是碎散的，是一种摩擦为主的集聚性材料。 土中固体颗粒的大小和形状、矿物成分及其颗粒大小的相互搭配情况是决定土 的物理、力学性质的主要因素。粗大土粒往往是岩石经物理风化作用形成的原生矿物， 主要呈块状或粒状，而细小土粒主要是岩石经化学风化作用形成的次生矿物和生成过 程中混入的有机物质，主要呈片状。 土粒的矿物成分决定于母岩的成分及所经受的风化过程。粗大土粒如漂石、卵 石、圆砾都是岩石的碎屑，其矿物成分与母岩相同：砂粒大部分是母岩的单矿物颗粒， 如石英、长石、云母等；粉粒的矿物成分主要是一些难溶盐，如m g c o 。、c o c o 。等；黏 粒的矿物成分主要有黏土矿物、氧化物、氢氧化物及各种难溶盐类，它们都是次生矿 物。黏土矿物颗粒很微小，形状为鳞片状或片状，内部具有层状晶体构造。它是由两 种原子层( 称为晶片) 构成的，一种是硅氧晶片；另一种是铝氢氧晶片，两种晶片的 不同组合( 晶胞) ，便构成了不同的黏土矿物，如蒙脱石，伊里石和高岭石三类“”。 2 1 1 土的固相 当土是由土粒、空气和水组成时，土为固相、气相和液相组成的三相体系。土 的三相物质组成是很复杂的。 土的固相物质分为无机矿物颗粒和有机质，成为土的骨架。矿物颗粒由原生矿 物和次生矿物组成。 原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，是母岩物理风化的产物，仅形状 和大小发生变化，化学成分并未改变。主要有石英、长石、云母类矿物，其次为角闪 石、磁铁矿等。这些矿物的化学性质较稳定，具有较强的抗水性和抗风化能力，亲水 性较弱。它们是组成粗粒土的主要矿物成分。它们对土的工程性质影响程度比其他几 种矿物要小得多。它们对土的工程性质的影响主要表现在颗粒的形状、坚硬程度和抗 西安建筑科技大学硕士学位论文 风化稳定性等方面。 次生矿物是原生矿物在进一步氧化、水化、水解及溶解等化学风化作用下而形 成的新的矿物。在自然界中，最常见的次生矿物有粘土矿物、含水倍半氧化物及次生 二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝、碳酸盐等。次生矿物颗粒变得更细，甚至形成 胶体。粘土矿物是次生矿物中数量最多的矿物，其颗粒极细，一般小于5m i l l ，是构 成土中粘粒的主要矿物成分。它在土中的相对含量即使不大，如为1 3 时，也会起 控制土体性质的作用。次生矿物按其与水的作用可分为可溶的和不可溶的。可溶的按 其溶解难易程度又可分为易溶的、中溶的和难溶的。次生矿物的成分和性质均较为复 杂，对土的工程性质影响也较大。 在风化过程中，往往有微生物的参与，在土中产生有机质成分，如多种腐殖质 物。此外，在土中还会有动植物残骸体等有机残余物，如泥炭等。有机质的存在对土 的工程性质影响甚大。总的认识是，随着有机质含量的增加，土的分散性加大( 分散 性指土在水中能够大部分或全部自行分散成原级颗粒土的性能) ，含水量增高( 可达 5 0 2 0 0 ) ，干密度减小，胀缩性增加( 大于7 5 ) ，压缩性增大，强度减小， 承载力下降，故对工程极为不利。 2 1 2 土的液相 土的液相是指土孔隙中存在的水。一般把土中的水看成是中性的，无色、无味、 无嗅，其密度为l g c m 。，在o c 时冻结，在1 0 0 1 2 时沸腾。但实质上，土中水是成分 复杂的电解质水溶液，它与土粒间有着复杂的相互作用，与正常水有所差异。 土中的水是由一个氧原子和两个氢原子构成的水分子以一定的方式联结而形 成。当土粒与水相互作用时，土粒会吸附一部分水分子，在土粒表面形成一定厚度的 水膜，称为表面结合水。它受土粒表面引力的控制而不服从静水力学规律。结合水的 密度、粘滞度均比一般正常水为高；冰点低于0 1 2 ，最低可达零下几十度。结合水的 这些特征随着离土粒表面的距离而变化。愈靠近土粒表面的水分子，受土粒的吸附愈 强，与正常水的差别愈大。一般又将结合水分为强结合水和弱结合水两种不同类型。 强结合水也称吸着水，是牢固地被土粒表面吸附的一层极薄的水层。由于受土粒表面 的强大引力作用，吸着水紧紧地吸附于土粒表面，使水分子完全失去自由活动的能力， 并且紧密、整齐地排列着，其密度大于普通液态水的密度，且愈靠近土粒表面密度愈 大。它的密度为1 5 1 8s l e d 。它们排列得如此紧密，与一般液态水有很大区别， 其力学性质类似固体，具有极大的粘滞性、弹性、抗剪强度，有抵抗外力的能力；不 能传递静水压力和导电，也没有溶解能力，在- 7 8 c 时才能冻结。关于强结合水的 厚度，直没有一个统一的认识。多数学者认为强结合水的厚度是由几层水分子构成， 也有些学者认为在矿物颗粒表面不同的部位，其厚度也不一致，厚的可达数百层水分 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 子。弱结合水是指距土粒稍远、在强结合水以外、电场作用范围以内的水，它占水膜 的主要部分。弱结合水也受颗粒表面电荷的吸引而定向排列于颗粒四周，但电场作用 力随距颗粒表面距离的增加而减弱。这层水不是接近于固态，而是一种粘滞水膜。受 力时弱结合水能由水膜较厚处缓慢转移到水膜较薄处，也可以因电场引力从一个颗粒 的周围转移到另一个颗粒的周围，其力学性质具有粘滞性、弹性和抗剪强度。也就是 说，弱结合水膜能发生变形，但不因重力作用而流动。弱结合水的存在是粘性土在某 一含水量范围内表现出可塑性的原因。弱结合水密度较强结合水小，但仍大于普通液 态水，为1 3 0 1 7 4g c m 3 其厚度变化较大，但一般比强结合水厚得多。 在结合水膜以外的水，为正常的液态水溶液，它受重力的控制而流动，能传递 静水压力，称为自由水。 自由水包括毛细水和重力水。毛细水是受毛细作用控制的水，它除了受重力作 用外，还受到表面张力引起的毛细作用的支配。可以把土的孔隙看作是连续的变截面 的毛细管。在物理学中已经知道毛细管中毛细水的上升高度取决于毛细管的直径，毛 细管直径愈小，上升高度愈高。土中的毛细水也会从潜水面上升到一定的高度。重力 水是只受重力控制的自由水，它不受表面张力的影响，它在重力或压力差作用下于土 中渗流。 土中除结合水、自由水等液态水外，还可能有气态水( 呈蒸汽形态的水) 和固 态水( 呈冰态的水) 存在。不同形态的水，在一定条件下会相互转化，并对土的性质 起着重要作用。 2 1 3 土的气相 土的气相主要指土孔隙中填充的空气。土的含气量与含水量有密切关系。土孔 隙中占优势的是气体还是水，致使土的性质有很大的不同。土中气体按其所处的状态 和结构特点可分为以下几种类型：( 1 ) 自由气体；( 2 ) 四周为水和颗粒表面所封闭的 气体；( 3 ) 吸附于颗粒表面的气体；( 4 ) 溶解于水中的气体。通常认为自由气体与大 气连通，当其受到外力作用时，这种气体能很快地从孔隙中被挤出。对土的性质无大 的影响。四周为水和颗粒表面所封闭的气体，与大气不连通，受到外力作用时，随着 压力的增大这种气体可被压缩或溶解于水中，压力减小时，气体会恢复原状或重新游 离出来。因此，密闭气体的存在对土的变形有影响，同时还可阻塞土中的渗流通道， 减小土的渗透性踟。这对土的工程性质影响较大。另外，由于孔隙中气体压力的不同， 对土体的强度也会产生影响。其它两种气体目前研究不多，对土的性质的影响尚未完 全清楚。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 土的结构 土的结构是指土粒的大小、形状、互相排列及联结的特征。它是在成土过程中 逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。土的结构一般 可分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。 1 ) 单粒结构：单粒结构主要是指土粒在水或空气中下沉而形成的，它是无黏性 土的基本组成形式。单粒结构全部由砂粒或更租的土粒组成，其特点是土粒间没有联 结存在，或联结非常微弱，可以忽略不计。土粒排列的紧密程度随其沉积条件的不同 而不同，在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会形成紧密的单粒度结构，同时产生 较大的变形。由于紧密的单粒结构土粒排列紧密，强度大，压缩性小，是良好的天然 地基。不过，单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均 匀程度。 2 ) 蜂窝结构：蜂窝结构是以粉粒( o 0 0 5 0 0 7 5 r a m ) 为主的土的结构特征。 粉粒在水中下沉时，基本是单个颗粒下沉，在下沉的过程中碰到已经沉积的土粒时， 由于土粒间的引力相对白重而言已经足够大，因而土粒将停留在接触面上不再下沉， 形成大孔隙的蜂窝结构。 3 ) 絮状结构：絮状结构是粘土颗粒特有的结构。粘土颗粒在水中处于悬浮状态， 当悬浮液介质发生变化时，粒间的排斥力因电荷中和而破坏，土粒互相聚合，以边一 边、面一边的接触方式形成类似海绵状的集合体，并聚合到一定质量时下沉，形成大 孔隙的絮状结构。该类土的压缩性大，含水量一般也很大，但因以结合水为主，故排 水困难，压缩变形过程缓慢。 粘土矿物晶体的强度非常高，其值可达1 0 3 m p a ，但粘土的力学性质并不决定于这 种基本结构单元秸土矿物晶体的强度，而决定于土粒之间的结构连结力，结构连 结是在一系列物理、物理化学和化学作用下形成的，这些作用促使在颗粒接触带上产 生不同性质和能量的相互作用，在土体中作用在颗粒之间的粘结力本质上是一种表面 力，属物理粘结，比颗粒内原子间的坚固的化学粘结小得多。土的固化和稳定的基本 原理就是强化颗粒间结构连结，改善颗粒接触。在粘土体系中，对结构连结有重要影 响的有毛细管力、离子静电力以及化学键力等，它们属吸引力，与其相反的力是水化 膜的楔入作用力，此种力一方面可降低粘土体系的表面能，另一方面可扩大颗粒之间 距离，从而降低了粒问的吸引力。粘土体系的结构连结不是沿土颗粒所有相界面进行 的，而只是在其最靠近的地方( 接触点上) 进行。因此，粒问结构连结特性又受其接触 的类型控制。当粘土体系经凝聚和压实作用时，便产生颗粒间的凝聚接触的结构( 见 图2 1 a ) ，这类接触形成的连结主要是靠分子长距离的相互作用力，这种结构连结作 西安建筑科技大学硕士学位论文 用极弱，几乎不具有强度。在外荷载或干燥作用下，随着粘粒的接近，水膜可能变薄， 继而破裂，形成过渡类型接触( 见图2 1 b ) ，此种接触的基础是离子静电相互作用力和 毛细管力。过渡接触的重要特性是其对水的非稳定性，亦即在去掉外加压力或粘土湿 化时，容易吸附水分子，并转化为凝聚接触。当粘土体系的压力或温度进一步增大或 在新相位接触处结晶，使得粘土颗粒间直接触面积增加，过渡接触变成同相接触( 见 图2 1 c ) 。同相接触是靠化学键力和离子静电的相互作用而形成的，其大小可达1 0 - 1 0 嘲，同相接触的粘土，对水来说是不可逆的，其强度不会因湿化而消失，浸水时也 不会塑化。因此，由化学作用力而形成同相接触是提高粘土体系强度的关键技术“”。 & 结留 2 3 土的分类 ( _ 口凝聚接触他过渡接被( c ) 1 司相接挂 图2 1 轱土体系接触类型示意图 土是自然地质历史的产物，它的成分、结构和性质是千变万化的为了能大致 地判断土的基本性质、合理地选择研究内容和方法，以及在科学技术交流中有共同的 语言，有必要对土进行科学的分类。人们对土已提出过不少分类系统，如地质分类、 土壤分类、粒径分类、结构分类等。每一种分类系统，反映了土某方面的特征。在分 类中最常用的指标是粒度成分和反映塑性的指标。 天然土体土粒大小变化很大，由l 1 0 。6 啪的极细粘土颗粒，一直变化到有几米 大小的岩石块。土粒的大小称为粒度。在工程上常把大小相近的土粒合并为组，称为 粒组。粒组间的分界线是人为确定的。土的粒度成分是指土中各种不同粒组的相对含 量( 以干土重量的百分比表示) ，它可用来描述土的各种不同粒径土粒的分布特性。 划分粒组有两种方式： 任意划分的方式，即按一定的比例递减关系划分的界限值。 考虑土粒性质变化的方式，即使划分的粒组界限值与粒组性质( 如矿物成分、 物理性质) 的变化相适应。 对土粒的划分，各个国家，甚至一个国家各个部门也有不同的规定。土的工程 分类是根据工程实践经验和土的主要特征，把工程性能近似的土划分为一类，这样便 于正确选择对士的研究方法和判断土的特性。 通常按颗粒级配或塑性指数将土划分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。各类土 西安建筑科技大学硕士学位论文 划分标准如下： 碎石土：碎石类土是粒径大于2 m m 的颗粒含量超过全重5 0 的土。 砂土：砂类土是指粒径大于2 m 的颗粒含量不超过全重5 0 、粒径大于0 0 7 51 f l l 的颗粒超过全重5 0 9 6 的土。 粉土：是指粒径大于0 0 7 5 哪的颗粒含量不超过全重5 0 ，塑性指数i p 小于或 等于1 0 的土。必要时可根据颗粒级配分为砂质粉土( 粒径小于0 0 0 5 m 的颗粒含量 不超过全重1 0 ) 和粘质粉土( 粒径小于0 0 0 5 m m 的颗粒含量超过全重1 0 9 6 ) 。 粘性土：是指塑性指数i p 大于1 0 的土。按塑性指数的指标值分为粘土i p 1 7 、 粉质粘土1 0 i p 1 7 伽。 2 4 土的组成结构对性能影响的分析 土作为三相体，固体颗粒大小和形状、矿物成分及其组成的三相体系在空间的 排列与联结特性，是决定土物理力学性质的重要因素 1 ) 土由于组成、粘土矿物含量不同而使其物理力学性质各异。粘土及粉土等细 颗粒土，因其孔隙率和含水率一般较大，相应地可压缩性大而剪切强度小。当外力作 用时，土颗粒不易稳定，容易形成软土，成为土的改性技术的重点和难点。 2 ) 现实中土的结构是非常复杂的，一种土中并不存在一种典型或几种典型的基 本结构类型，而往往是以几种基本结构类型的过渡形式存在。单粒结构类型联结力较 弱，在外界环境变化时，原始结构极易发生改变。具有蜂窝状结构的土，灵敏度高， 强度低，压缩性高。粘性土因其物质组成的不均匀，随着含水率的减少，土体干燥后 出现各种裂隙，破坏了土体的完整性，导致土体强度降低、透水性增强，造成土体工 程性质的各向异性，对土体的稳定性有极大地影响。土的结构研究目前还处于初期阶 段，其标志是对结构模式的研究还处于定性研究阶段，这种研究无疑加深了对土性的 深入理解，土的结构分析应能反映土的主要工程性质啪1 。 3 ) 自然界土的成分、结构及性质千变万化，表现的性质也各不相同。国外关于 土的分类标准很多，有的根据土的结构构造分类，有的依据土的工程性质分类，有的 考虑了土的颗粒和级配及可塑性( 如液限和塑性指数九不同国家根据各自的地域特 点和需要，制定了相应的分类系统和分类方法。粗颗粒土的粒径大小对其力学特性起 着决定性作用。因此，对这类土分类，需要考虑颗粒级配的因素；对于具有粘性和塑 性的细颗粒土，主要应考虑塑性指标( 液限、塑限和塑性指数) 的影响。由于土的性 质的复杂性和多变性，至今还没有一个能涵盖任何一种土和适合任何情况的统一分类 体系。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1 概述 3 土体掺合料的品种及应用 用于土体的掺合材料，包括水泥、石灰和粉煤灰等，它们可单独使用，也可按一 定的比例复合使用。掺合材料可在常温下能够直接胶结土体中的土壤颗粒并能够与粘 土矿物反应生成胶凝物质旧m 。复合掺合料一般是由生石灰、粉煤灰、矿渣、水泥等 主要原材料按适当的比例配合并粉磨至一定细度后制得的。复合掺合料除综合利用了 大量固体废弃物，变废为宝外，使用过程还可以胶结固化砂土、页岩、淤泥、垃圾灰 等，“绿色”效应很高，其所含有的复合激发剂可有效激活固体废弃物及粘土矿物的 潜在活性，改善和提高土的技术性能。在土体中掺入适当的掺合料，不但能改善土体 的性能，而且可以就地取材、方便施工，节省工程造价和施工时间，有良好的社会和 经济效益。试验证明“州，各种不同的掺合料对不同的土质其改性效果有较大差别， 有的适用于粘性土，有的则适用于砂性土或粉土，有的改性高含水量土效果好，目前 并不存在一种掺合料适宜于各种土质的掺合料。因此，每一种改性土的配合比需要通 过试验确定。 3 2 掺合料的品种及作用 3 2 1 水泥 水泥是最重要的土木工程材料之一，水泥有很多品种。通常按其性质和用途可 分为通用水泥，专用水泥，特种水泥。水泥加入土中并加水拌和后，水泥中的各种成 分与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙，并形成 其他水化物。 水泥掺入土体中的作用，从工程观点上看主要有以下两点： ( 1 ) 改变土的塑性 用水泥改性粘性土时，粘性土中的单个颗粒较水泥颗粒小得多，因此，水泥不 可能包裹土颗粒。实际上，粘性土被粉碎后成一个一个小土块，小土块被水泥浆包裹， 当适当施加压力时，在压实作用下被压缩成一整体。用水泥稳定非粘性土时，由于非 粘性土的单个士颗粒的尺寸大于水泥颗粒，水泥可能全部地或部分地包裹单个土颗 粒。如单个土颗粒被水泥包裹，并通过压实使水泥颗粒紧密接触，当水泥硬化时，它 们将胶结在一起。水泥加入土中能大大降低土的塑性。加入水泥后，土的塑性指数的 降低程度既随水泥量增加而增加，又随时间而变化曲1 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i ( 2 ) 增加土的强度和稳定性 水泥加入土中后，水泥和土颗粒表面的相互作用，水化水泥和土颗粒表面间的 化学作用的机会也大大增加。水泥起着固结土粒、填充空隙的作用。大大增强土的强 度和稳定性，而且水泥的掺量越大，稳定土的强度越高，稳定性越好嘲嘲。 3 2 2 石灰 石灰是属于一种气硬性胶凝材料。它是由以碳酸钙为主的原料( 石灰石、白云 石等) ，经适当燃烧，排出c 0 2 后所得的成品，其主要成分是c a o 。经水化反应消化成 熟石灰c a ( 0 h ) ：。 1 、石灰的分类 石灰的分类方法很多，根据石灰加工方法不同，可分为：块状生石灰，磨细生 石灰，消石灰，石灰浆，石灰乳，石灰水根据石灰中m g o 含量不同，可分为：低镁 石灰( m g o 含量 5 ) ，镁质石灰( m g o 含量在5 2 0 之间) ，白云质石灰即高镁石灰 ( m g o 含量在2 0 4 0 之间) 。根据石灰消化速度不同，可分为：快速消化石灰( 消 化速度在1 0 分钟之内) ，中速消化石灰( 消化速度在1 0 3 0 分钟之间) ，慢速消化石 灰( 消化速度在3 0 分钟以上) 消化速度是指一定量的生石灰粉在标准条件下与一定 量水混和时，到达最高温度所需要的时间。根据石灰消化达到的温度指标不同，可分 为：高热石灰( 高于7 0 c ) ，低热石灰( 低于7 0 c ) 口钉。 2 、石灰的应用 石灰的应用非常广泛，在建筑，钢铁，化工等行业都有较多的用途。在金属钢 铁冶金中，生石灰在高炉炼钢时用来脱硫和脱磷，将溶于溶液中的硫、磷与添加的氧 化钙结合，生成硫化钙和磷酸钙，使硫、磷等杂质遗留在矿渣内，从而降低了铁或者 钢中的有害组分的含量。在化工行业中，由于石灰价格低，制取无机或有机钙化合物 时，多用石