黏土-水泥復(fù)合材料的制備和力學(xué)性能

彭霞鋒， 宋順成

(1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 廣州 519090； 2.西南交通大學(xué)， 成都 610031)

千枚巖黏土作為巖質(zhì)巖黏土材料，具有豐富的細粒層狀硅酸鹽，質(zhì)感油滑，存在優(yōu)先解理，可輕易分解成薄片。千枚巖黏土在中國東北、湖北、貴州等地均有分布。近年來，千枚巖黏土用作塑料和混凝土產(chǎn)品的填料[1-2]。由于其壓實特性和很低的滲透性能(低表面積、孔隙度和水滯留能力)，壓實千枚巖黏土在浸泡的過程中無明顯膨脹，在西班牙東南部，千枚巖黏土也作為原料應(yīng)用于覆蓋物和防水屋頂、池塘中心區(qū)域、分區(qū)壩和城市垃圾填埋場[3-5]。然而，在低應(yīng)用應(yīng)力下，千枚巖黏土的膨脹性可應(yīng)用于路基材料。

為了獲得優(yōu)越的工程特性，可添加黏合劑(如水泥或石灰)以改進黏土質(zhì)/穩(wěn)定材料。具有合適的水泥黏合劑和配合的黏性土-水泥復(fù)合材料，其性能優(yōu)于原始土壤，但生產(chǎn)成本接近，是土壤材料應(yīng)用方面(如建筑和建筑材料、土壤工程和民用，結(jié)構(gòu)與環(huán)境工程)具有吸引力的替代品。一些工業(yè)添加劑或廢物也可用作黏合劑以改善原始黏土、鐵礬土、土壤、黏土質(zhì)土、殘土、膨脹黏土/土壤的特性/性能[6]。例如，在本研究中調(diào)查的工業(yè)廢料，包括水泥窯粉、粉煤灰、稻殼灰、稻殼粉煤灰、人工火山灰和煤底灰、天然石膏和鋁填料。

關(guān)于黏土-水泥復(fù)合材料，Chang等[7]研究了添加納米蒙脫土的硅酸鹽水泥漿料的材料性能，0.6%和0.4%水泥質(zhì)量的蒙脫土復(fù)合材料，產(chǎn)生了抗壓強度和滲透率系數(shù)的最佳值，抗壓強度增加13%，滲透率降低50%。Hakamy等[8]研究了麻織物增強的黏土-水泥復(fù)合材料的特性，稱最佳普通硅酸鹽水泥的置換率為1wt%，能降低麻植物增強的復(fù)合材料的孔隙度，顯著增加材料的密度、抗彎強度和斷裂韌性。潛在的建筑應(yīng)用包括夾層板、天花板、屋面板、地面和混凝土磚。Garzón等[9-11]報道了結(jié)合偏高齡土和黏土(1wt%、3wt%、5wt%)部分取代硅酸鹽水泥，可增強劍麻纖維增強水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能。

然而，目前很少有關(guān)于采用千枚巖黏土和水泥添加劑制備的復(fù)合材料的工程力學(xué)性能的文獻報道。本研究針對千枚巖黏土-水泥復(fù)合材料不同的水泥摻雜含量，進行了界限含水量、物理和力學(xué)性能的測量，以期為千枚巖黏土-水泥復(fù)合材料的工程應(yīng)用做一些基礎(chǔ)探索。

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用千枚巖黏土樣品來自遼寧阜新，自然狀態(tài)下，含水量非常低，為1%～2%(平均值為1.8%)，孔隙率(空心體積與實心體積之比)為0.39，干密度為2.03 g/cm3；冀東水泥Poland水泥32.5。

1.2 試件的制備

將千枚巖黏土樣品置于105～110 ℃下烘干至質(zhì)量不變，冷卻到室溫，分解，然后干篩。選用粒徑小于125 μm的碎片，用其制備含0、5wt%、7wt%、9wt%水泥的復(fù)合材料樣品。制備時，先將千枚巖黏土和水泥干混1 h，混合均勻后再加水。

1.3 試件的測試

1.3.1 千枚巖黏土的成分分析

用連續(xù)四分法連續(xù)取樣，研磨，篩分并干燥。采用德國X’PERT PRO X射線衍射儀(pananalytical B.V)進行X射線衍射(XRD)分析，根據(jù)粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)文件和設(shè)備提供的軟件確定樣品晶相。采用德國Axios光譜儀(pananalysis B.V)，對樣品進行X射線熒光(XRF)分析。

1.3.2 應(yīng)用性能測試

試驗方法參考《土工試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—1999)。千枚巖黏土、千枚巖黏土-水泥的復(fù)合材料的液體極限(LL)、塑性極限(PL)和塑性指數(shù)(PI)值參考GB/T 50123—1999 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)進行測量。在水含量測試過程中，進行擊實試驗和承載比試驗。采用承載比測試方法對路基、底座和基礎(chǔ)道路材料的潛在強度進行評價。結(jié)合擊實試驗數(shù)據(jù)，測定千枚巖黏土和復(fù)合材料的最適宜的壓實水含量和相應(yīng)的最大干密度。根據(jù)Peltier方程計算千枚巖黏土及其水泥復(fù)合材料[12-13]，用于道路施工所需的柔性路面的厚度E(cm)為

E=(100+150P1/2)/(I+5)

(1)

式(1)中：P為最大車輪荷載，t；I是承載比值，按之前所述的方法確定。

2 結(jié)果與討論

2.1 千枚巖黏土的相分析

千枚巖黏土樣品的XRF分析如表1所示，XRD分析如圖1所示。在1 000 ℃經(jīng)1 h加熱后，千枚巖黏土樣品干質(zhì)量損失6.8%，由圖1可知，該材料的礦物組成為綠泥石和伊利石(主要黏土礦物)、云母、石英和一些小型鋁硅酸鹽以及較少的鐵氧化物成分。礦物成分與表1中所報告的化學(xué)物質(zhì)成分一致。其中SiO2主要來源于石英和硅酸鹽(伊利石、綠泥石、長石層間相)，CaO和MgO的含量與樣品中的氯化物有關(guān)，這與XRD圖中基本一致，堿性元素(鈉和鉀)主要來自于伊利石和長石。熱處理的干質(zhì)量損失主要由于高溫?zé)崽幚頃r，層狀硅酸鹽存在的OH基團的丟失引起的。

C為綠泥石；F為長石； S為伊利石；M為云母；Q為石英圖1 千枚巖黏土樣品的XRD圖譜 Fig.1 XRD analysis of hard chlorite clay

表1 X射線熒光化學(xué)分析

2.2 復(fù)合材料界限含水量的研究

圖2是在重塑的狀態(tài)下，測量的千枚巖黏土、千枚巖黏土和水泥復(fù)合材料的液限(LL)、塑限(PL)和PI(定義為LL和PL之間的數(shù)值差分)。復(fù)合材料的水泥摻量為5wt%～9wt%，當(dāng)添加水泥后，液限從26%變到36%；塑限從17%變到24%～25%[圖2(a)]。在水泥摻量為0～9wt%內(nèi)，隨著水泥含量的增加，PI產(chǎn)生了明顯的近線性增加(8.4%～12%)[圖2(b)]。此外，對于水泥摻量為5wt%、7wt%、9wt%的復(fù)合材料，出現(xiàn)了千枚巖黏土從低塑性(IL<35%)到中等塑性(LL=35%～50%)的轉(zhuǎn)變。這可能由于高含量的黏土礦物(綠泥石和伊利石)及原始千枚巖黏土的混合層的影響。因此，添加高達9wt%的水泥未有效減少原始黏土對水含量變化的敏感性。

圖2 千枚巖黏土和黏土-水泥復(fù)合材料的參數(shù)Fig.2 Parameters of hard chlorite clay and clay-cement composite materials

2.3 水泥摻量對復(fù)合材料物理性能的影響

表2為復(fù)合材料的擊實試驗測試結(jié)果。擊實試驗使材料產(chǎn)生的最大干密度，大于千枚巖黏土的干密度(2.03 g/cm3)。隨著水泥摻量的增加，擊實最大干密度近線性降低，原始千枚巖黏土的最大干密度2.24 g/cm3，而摻9wt%水泥的千枚巖黏土復(fù)合材料的最大干密度2.14 g/cm3，這可能是由復(fù)合材料中低密度的水泥添加劑和較高的土壤骨架剛度造成的。從表2中可以看出，添加水泥后，擊實試驗的最佳含水量緩慢(近似線性)增加；由千枚巖黏土的6.02%到摻9wt%水泥的千枚巖黏土復(fù)合材料的8.96%。

表3列出了擊實試驗測試材料的滲透系數(shù)，數(shù)量級為10-10～10-11m·s-1，其中，摻5wt%和7wt%水泥的復(fù)合材料滲透系數(shù)最大，為4.0×10-10m·s-1。在表3中承載比(california bearing ratio, CBR)、膨脹試驗和計算的路面厚度的結(jié)果顯示，摻5wt%～9wt%水泥復(fù)合材料的承載比明顯高于相應(yīng)的千枚巖黏土(分別為2.5%和1.7%)。在100%擊實密度時承載比為36%～50%，在95%擊實密度時承載比為15%～32%。Sim等[14]和Song等[15]提出了基于天然和水泥穩(wěn)定的黏性土，建立了路基濕態(tài)不穩(wěn)定性的機械模型；包含層狀硅酸鹽(伊利石、綠泥石、高嶺石)、坡縷石(凹凸棒石)，和其他礦物，如石英、石膏、亞燭石、鐵礬石、方解石和白云石等。坡縷石的存在使黏性物質(zhì)形成了纖維硅酸鹽的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，增加了膨脹的可能性。在目前的研究中，千枚巖黏土的膨脹值為3.6%，而摻5wt%～9wt%水泥添加劑的復(fù)合材料在浸潤后無明顯膨脹(表3)。千枚巖黏土的膨脹行為與其礦物學(xué)成分(特別是黏土礦物)有關(guān)，復(fù)合材料的零膨脹可能是由于摻5wt%～9wt%水泥添加劑的火山灰反應(yīng)。

表2 擊實試驗測試結(jié)果

表3 CBR、膨脹試驗和計算的路面厚度的結(jié)果

與千枚巖黏土比較，摻水泥復(fù)合材料的路面厚度E顯著降低(表3)。在水泥摻量為5wt%～9wt%時，隨著水泥用量的增加，所需路面厚度逐漸減小。因此，增加千枚巖黏土的水泥含量，將大大降低整體道路建筑工程成本。

2.4 水泥摻量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖3為不同水泥摻量材料的軸向應(yīng)變與無側(cè)限軸應(yīng)力(unconfined compressive strength, UCS)關(guān)系圖。表4為無側(cè)限抗壓強度、軸向應(yīng)變與水泥含量的數(shù)據(jù)。由圖3可以看出，隨著水泥含量的增加，材料的剛度(楊氏模量)隨之增大，最大無側(cè)限軸應(yīng)力也不斷增大。但最大軸向應(yīng)力發(fā)生的軸向試樣應(yīng)變在不斷減小，原始千枚巖黏土軸向試樣應(yīng)變?yōu)?.31%，而摻9wt%水泥的復(fù)合材料軸向試樣應(yīng)變?yōu)?.74%。

隨著水泥摻量的增加，無側(cè)限軸抗壓強度也逐漸增加并且呈線性關(guān)系(表4)，當(dāng)復(fù)合材料水泥摻量為9wt%時，無側(cè)限軸抗壓強度為1.02 MPa，而千枚巖黏土無側(cè)限軸抗壓強度僅為0.52 MPa，約為千枚巖黏土的2倍。由以上數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論，相對低含量添加的水泥可以顯著提高黏土材料的無側(cè)限軸抗壓強度。結(jié)合以上結(jié)果，使用水泥摻量為5wt%～9wt%的千枚巖黏土，可以相對降低額外成本，生產(chǎn)“綠色陶瓷體”(例如磚塊和瓷磚)。將千枚巖黏土與水泥混合物沉積在330 mm×330 mm×16 mm(磚)和280 mm×280 mm×14 mm(瓷磚)模具中，鞏固，培養(yǎng)7 d，塑形。使用傳統(tǒng)的實驗室壓力和中等的限制壓力，可以制造各種形狀的磚塊和瓷磚隨時可用(尤其是具有中等的抗壓強度的防滲產(chǎn)品)，無需燒制。另外，該復(fù)合材料還有其他潛在的材料應(yīng)用，包括建筑施工、柔性路面、以及路基和路基施工。

圖3 養(yǎng)護7 d后無側(cè)限軸應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 The relationship between UCS and axial strain of samples after 7 days of curing

表4 無側(cè)限抗壓強度、軸向應(yīng)變與水泥摻量的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)水泥摻量為5wt%的千枚巖黏土-水泥復(fù)合材料的塑性指數(shù)為10.5%，最大干密度為2.17 g/cm3，無側(cè)限抗壓強度0.74 MPa，滲透系數(shù)為7.4×10-11m/s。

(2)研究的千枚巖黏土-水泥復(fù)合材料具有潛在的材料應(yīng)用包括建筑施工，屋面、路面、路基及路基施工。