黏土-水泥復合材料的制備和力學性能

彭霞鋒， 宋順成

(1.廣東科學技術職業學院， 廣州 519090； 2.西南交通大學， 成都 610031)

千枚巖黏土作為巖質巖黏土材料，具有豐富的細粒層狀硅酸鹽，質感油滑，存在優先解理，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用于覆蓋物和防水屋頂、池塘中心區域、分區壩和城市垃圾填埋場[3-5]。然而，在低應用應力下，千枚巖黏土的膨脹性可應用于路基材料。

為了獲得優越的工程特性，可添加黏合劑(如水泥或石灰)以改進黏土質/穩定材料。具有合適的水泥黏合劑和配合的黏性土-水泥復合材料，其性能優于原始土壤，但生產成本接近，是土壤材料應用方面(如建筑和建筑材料、土壤工程和民用，結構與環境工程)具有吸引力的替代品。一些工業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、黏土質土、殘土、膨脹黏土/土壤的特性/性能[6]。例如，在本研究中調查的工業廢料，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。

關于黏土-水泥復合材料，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%水泥質量的蒙脫土復合材料，產生了抗壓強度和滲透率系數的最佳值，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合材料的力學性能。

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

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

用連續四分法連續取樣，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，根據粉末衍射標準文件和設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 應用性能測試

試驗方法參考《土工試驗方法》標準(GB/T 50123—1999)。千枚巖黏土、千枚巖黏土-水泥的復合材料的液體極限(LL)、塑性極限(PL)和塑性指數(PI)值參考GB/T 50123—1999 土工試驗方法標準進行測量。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、底座和基礎道路材料的潛在強度進行評價。結合擊實試驗數據，測定千枚巖黏土和復合材料的最適宜的壓實水含量和相應的最大干密度。根據Peltier方程計算千枚巖黏土及其水泥復合材料[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1 h加熱后，千枚巖黏土樣品干質量損失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中所報告的化學物質成分一致。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，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。熱處理的干質量損失主要由于高溫熱處理時，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射線熒光化學分析

2.2 復合材料界限含水量的研究

圖2是在重塑的狀態下，測量的千枚巖黏土、千枚巖黏土和水泥復合材料的液限(LL)、塑限(PL)和PI(定義為LL和PL之間的數值差分)。復合材料的水泥摻量為5wt%～9wt%，當添加水泥后，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，隨著水泥含量的增加，PI產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%的復合材料，出現了千枚巖黏土從低塑性(IL<35%)到中等塑性(LL=35%～50%)的轉變。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-水泥復合材料的參數Fig.2 Parameters of hard chlorite clay and clay-cement composite materials

2.3 水泥摻量對復合材料物理性能的影響

表2為復合材料的擊實試驗測試結果。擊實試驗使材料產生的最大干密度，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合材料的最大干密度2.14 g/cm3，這可能是由復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合材料的8.96%。

表3列出了擊實試驗測試材料的滲透系數，數量級為10-10～10-11m·s-1，其中，摻5wt%和7wt%水泥的復合材料滲透系數最大，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果顯示，摻5wt%～9wt%水泥復合材料的承載比明顯高于相應的千枚巖黏土(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定的黏性土，建立了路基濕態不穩定性的機械模型；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形成了纖維硅酸鹽的轉化產物，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成分(特別是黏土礦物)有關，復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。

表2 擊實試驗測試結果

表3 CBR、膨脹試驗和計算的路面厚度的結果

與千枚巖黏土比較，摻水泥復合材料的路面厚度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 水泥摻量對復合材料力學性能的影響

圖3為不同水泥摻量材料的軸向應變與無側限軸應力(unconfined compressive strength, UCS)關系圖。表4為無側限抗壓強度、軸向應變與水泥含量的數據。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，最大無側限軸應力也不斷增大。但最大軸向應力發生的軸向試樣應變在不斷減小，原始千枚巖黏土軸向試樣應變為1.31%，而摻9wt%水泥的復合材料軸向試樣應變為0.74%。

隨著水泥摻量的增加，無側限軸抗壓強度也逐漸增加并且呈線性關系(表4)，當復合材料水泥摻量為9wt%時，無側限軸抗壓強度為1.02 MPa，而千枚巖黏土無側限軸抗壓強度僅為0.52 MPa，約為千枚巖黏土的2倍。由以上數據可以得到結論，相對低含量添加的水泥可以顯著提高黏土材料的無側限軸抗壓強度。結合以上結果，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“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7 d，塑形。使用傳統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品)，無需燒制。另外，該復合材料還有其他潛在的材料應用，包括建筑施工、柔性路面、以及路基和路基施工。

圖3 養護7 d后無側限軸應力與軸向應變的關系Fig.3 The relationship between UCS and axial strain of samples after 7 days of curing

表4 無側限抗壓強度、軸向應變與水泥摻量的關系

3 結論

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

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