頁巖摻入白水泥中制備文化石的工藝研究

危　鈺，黃志良，李紫謙，黃小雨，徐偉榮，齊同剛

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074

頁巖摻入白水泥中制備文化石的工藝研究

危鈺，黃志良*，李紫謙，黃小雨，徐偉榮，齊同剛

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074

以廢棄的膠磷礦伴生的頁巖和白水泥為原料，加入適當的氧化鐵系顏料和減水劑制備文化石，用硅膠復制母模作為成型模具制作了磚方型、鵝卵石型、竹子型、墻磚型文化石成品.研究了頁巖水泥質量比和水與水泥的質量比（以下簡稱水灰比）對文化石抗壓強度和彎曲強度的影響.結果表明：隨著頁巖水泥質量比的降低，文化石的抗壓強度和彎曲強度逐漸升高；隨著水灰比的升高，文化石早期抗壓強度和彎曲強度提高比較明顯，但后期抗壓強度和彎曲強度提高不明顯；確定了最佳頁巖水泥質量比和最佳水灰比，當頁巖水泥質量比為4∶6，水灰質量比為0.55時，文化石試塊標準養護28 d的抗壓強度和彎曲強度相對最高，分別為12.12 MPa、4.5 MPa.

膠磷礦伴生的頁巖；白水泥；文化石；抗壓強度；彎曲強度

1　引言

20世紀60年代，美國一個名叫梅森的石匠提出“人造文化石”的制作原理，后由Garrett和Floyd Brown采用浮石等材料開發出“人造文化石”產品，質地較天然文化石更輕，發展至今，市面上流行的人造文化石則是以水泥基無機材料制成塊狀或片狀的人造石材.最初這種裝飾材料和飾面材料主要用于木結構的高級居所和庭院，以取得類似于美國西部古城堡的風貌，現已廣泛應用于各類現代建筑.近年來，國內裝修常將“人造文化石”用于現代建筑，大至辦公樓的墻面，小至住宅內的壁爐、電視背景墻，體現自然之趣.市面上的人造文化石原料包括白水泥、河砂、陶粒等［1-2］.頁巖是天然巖石中的一種，成分復雜，主要是由黏土沉積經壓力和溫度形成的巖石，其中混雜有石英、長石的碎屑.湖北省膠磷礦伴生頁巖儲量達20億噸，在膠磷礦采礦過程中作為夾石被丟棄，造成巨大資源浪費［3-4］，頁巖本身具有的結構致密、硬度高的特點［5-6］使其能夠代替河砂和陶粒作為骨料摻入到白水泥中制備文化石，這既有利于水泥成型又避免資源浪費.通過抗壓強度和彎曲強度測試，研究頁巖的摻入和水灰比的改變對文化石強度的影響.選取其中適合的配方比去制作文化石樣品，生產文化石，此聯產工藝過程可以達到膠磷礦伴生頁巖資源“零廢棄”綜合利用的目的.

2　實驗部分

2.1原材料

制作文化石的主要原料為膠磷礦伴生的頁巖，淺黃色粉末狀，來自河北靈壽，其X射線熒光分析化學組分見表1，其中主要礦物組成為云母、綠泥石和石英，并伴隨有少量的斜長石和白云石，所選用的膠磷材料為白水泥，標號po 425.

表1　膠磷礦伴生頁巖的化學成分Tab.1　Chemical compositions of collophanite bearing shale

2.2測試方法

成型模具規格為70 mm×70 mm×70 mm，每組3個試樣，文化石成型后在標準養護條件下養護［7-9］，抗壓強度測試方法參照GB/T9966.1-2001《天然飾面石材試驗方法第1部分：干燥、水飽和、凍融循環后壓縮強度試驗方法》，彎曲強度測試方法參照GB/T9966.2-2001《天然飾面石材試驗方法第2部分：干燥、水飽和彎曲強度試驗方法》.

3　結果與討論

3.1頁巖摻入比例對文化石強度的影響

測試不同頁巖摻入比例（頁巖水泥質量比分別為7∶3、6∶4、5∶5、4∶6）時文化石的抗壓強度和彎曲強度，如圖1、圖2所示.以頁巖水泥質量比7∶3為例設置配合比如表2所示.

由圖1可知，在實驗范圍內隨著頁巖水泥質量比的降低，28 d標準養護后文化石的抗壓強度逐漸升高，在頁巖水泥質量比為4∶6時達到最高，為11.39 MPa，比頁巖水泥質量比為7∶3時3.40 MPa高出了7.99 MPa.

圖1　文化石在不同頁巖水泥比時的標準養護28 d抗壓強度Fig.1　Compressive strength of cultural stones at different shale-to-cement mass ratios on culture stones with standard curing for 28 days

由圖2可知，在實驗范圍內隨著頁巖質量比的降低，28 d標準養護后文化石的彎曲強度逐漸升高，在頁巖水泥質量比為4∶6時達到最高，為4.3 MPa，比頁巖水泥質量比為7∶3時的2.2 MPa高出了2.1 MPa.

圖2　文化石在不同頁巖水泥比時的標準養護28 d天彎曲強度Fig.2　Bending strength of different shale-to-cement mass ratios on culture stones with standard curing for 28 days

表2　文化石的原料配比Tab.2　Ratios of shale-based culture stones　kg

隨著頁巖水泥質量比的降低，文化石抗壓強度與彎曲強度逐漸升高，試驗到頁巖水泥質量比為4∶6時之所以不再繼續后面的比例，是因為頁巖水泥質量比4∶6時文化石28 d強度已接近ASTM對天然飾面石材的技術規范，為了盡可能的達到資源利用最大化，同時提高文化石的抗壓強度和彎曲強度，故不再繼續頁巖水泥質量比低于4∶6的實驗，且后續試驗以頁巖水泥質量比為4∶6進行.

3.2水灰比及養護時間對文化石強度的影響

文化石成型后在標準條件下養護后，測試并比較頁巖水泥質量比為4∶6時，不同水灰比下（0.5、0.55、0.6、0.7，質量比，下同）文化石抗壓強度和彎曲強度（實驗過程中發現，水灰比低于0.5時，文化石難以成型），結果見圖3、圖4.

由圖3可知，在實驗的28 d內，隨著水灰比的增加，文化石早期抗壓強度提高比較明顯，3 d抗壓強度從3.41 MPa提高到了7.59 MPa，但后期抗壓強度提高不明顯，僅從10.51 MPa提高到12.12 MPa.同時相同齡期內水灰比為0.55的試塊抗壓強度均是最高的，且在28 d抗壓強度達到最大值，為12.12 MPa.

圖3　不同水灰比時標準養護時間對文化石抗壓強度的影響Fig.3　Effect of different water-cement ratios and curingtimes on compressive strength of culture stones

由圖4可知，在實驗的28 d內，隨著水灰比的增加，文化石早期彎曲強度提高比較明顯，3 d彎曲強度從2.6 MPa提高到了3.4 MPa，但后期彎曲強度提高不明顯，僅從4.2 MPa提高到4.5 MPa，同時相同齡期內水灰比為0.55的試塊彎曲強度均是最高的，且在28 d彎曲強度達到最大值，為4.5 MPa.

圖4　不同水灰比時標準養護時間對文化石彎曲強度的影響Fig.4　Effect of different water-cement ratios and curing times on bending strength of culture stones

3.3文化石成型原理

水泥與一定量水調和后，能很快生成塑性的膠狀物質，具有粘結性能，可以用來膠結頁巖；這種膠狀物質，隨著養護時間的延長會逐漸失去其塑性，硬化成為具有一定強度的石狀物體，而與其所膠結的頁巖一起變成堅固的整體，加入的水過少文化石不易成型，過多則會降低文化石強度；水泥含量升高時，這種膠狀物質的含量相應升高，膠結作用就越強，宏觀上測試頁巖基文化石抗壓強度及彎曲強度就越大.

3.4文化石裝飾品的簡單制作工藝

3.4.1成型模具制作實驗借鑒實際文化石聯產工藝，采用硅膠復制母模作為成型模具；母模選擇了規則方磚、不規則鵝卵石、竹子、印花墻磚等. 3.4.2成型效果展示4種不同樣式的頁巖基文化石標準養護28 d后成型效果如圖5～圖8所示. 3.4.3工藝評定按照國家建材工業石材質量監測中心所采用的美國ASTM對天然飾面石材的技術規范［10］，試驗制備的文化石強度（抗壓強度12.12 MPa，彎曲強度4.5 MPa）達到了石灰石類天然文化石的抗壓強度與壓縮強度標準，可以用于室內裝飾.“方磚型文化石”的成型比較容易且整體鋪排效果較其他文化石要好，但過于規則缺乏自然美感；“鵝卵石型文化石”鋪排效果好，錯落有致，適合作為屋內家具的背景墻；“竹子型文化石”欣賞度高但不易鋪排；“墻磚型文化石”形貌精致易鋪排但缺點在于制作耗時長且不易成型.

圖5　方磚型文化石Fig.5　Brick shape of culture stones

圖6　鵝卵石型文化石Fig.6　Cobble shape of culture stones

圖7　竹子型文化石Fig.7　Bamboo shape of culture stones

圖8　墻磚型文化石Fig.8　Wall shape of culture stones

4　結　語

本實驗旨在充分利用廢棄的膠磷礦伴生的頁巖，在避免造成資源浪費的同時，提供一種新的制備文化石的方法，并且通過抗壓強度和彎曲強度測試，得到最佳頁巖水泥質量比和最佳水灰比.結果表明，頁巖水泥質量比為4∶6，水灰比為0.55時，文化石試塊標準養護28 d的抗壓強度和彎曲強度相對最高，抗壓強度達到12.12 MPa、彎曲強度達到4.5 MPa.通過不同硅膠模具制作了磚方型、鵝卵石型、竹子型、墻磚型等文化石成品，對工藝進行簡單評定，所制備的文化石可用于室內裝飾.

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本文編輯：龔曉寧

Preparation Technology of Culture Stones by Adding Shale into White Cement

WEI Yu，HUANG Zhiliang*，LI Ziqian，HUANG Xiaoyu，XU Weirong，QI Tonggang
School of Materials and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

Culture stones were prepared by using collophanite bearing shale and white cement as raw materials with the addition of appropriate iron oxide pigments and water reducer.The finished products were made in shapes of brick，cobble，bamboo and wall by using silicone duplicate molds.The effect of shale-to-cement mass ratio and water-cement ratio on the compressive strength and bending strength of culture stones was investigated. The results reveal that the compressive strength and bending strength of shale-based culture stones gradually increases with the shale-to-cement mass ratio reducing；as the water-cement ratio increases，the compressive strength and bending strength of culture stones improves significantly at early stage，but they have little enhancement at later stage.Finally，the compressive strength and bending strength of culture stones with standard curing for 28 days reach 12.12 MPa and 4.5 MPa，respectively when the shale-to-cement mass ratio is 4∶6 and the water-cement ratio is 0.55.

collophanite bearing shale；white cement；culture stones；compressive strength；bending strength

TD985

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.03.010

1674-2869（2016）03-0255-04

2016-03-05

國家自然科學基金（51374155）；湖北省科技支撐計劃（2014BCB034）；湖北省自然科學基金（2014CFB796）；湖北省科技支撐計劃（2015BAA105）

危鈺，碩士研究生.E-mail：765731959@qq.com

黃志良，博士，教授.E-mail：hzl6455@126.com