?！♀?，黃志良，李紫謙，黃小雨，徐偉榮，齊同剛

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

頁(yè)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

以廢棄的膠磷礦伴生的頁(yè)巖和白水泥為原料，加入適當(dāng)?shù)难趸F系顏料和減水劑制備文化石，用硅膠復(fù)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(yè)巖水泥質(zhì)量比和水與水泥的質(zhì)量比（以下簡(jiǎn)稱(chēng)水灰比）對(duì)文化石抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明：隨著頁(yè)巖水泥質(zhì)量比的降低，文化石的抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度逐漸升高；隨著水灰比的升高，文化石早期抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度提高比較明顯，但后期抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度提高不明顯；確定了最佳頁(yè)巖水泥質(zhì)量比和最佳水灰比，當(dāng)頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為4∶6，水灰質(zhì)量比為0.55時(shí)，文化石試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度相對(duì)最高，分別為12.12 MPa、4.5 MPa.

膠磷礦伴生的頁(yè)巖；白水泥；文化石；抗壓強(qiáng)度；彎曲強(qiáng)度

1　引言

20世紀(jì)60年代，美國(guó)一個(gè)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(kāi)發(fā)出“人造文化石”產(chǎn)品，質(zhì)地較天然文化石更輕，發(fā)展至今，市面上流行的人造文化石則是以水泥基無(wú)機(jī)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(jié)構(gòu)的高級(jí)居所和庭院，以取得類(lèi)似于美國(guó)西部古城堡的風(fēng)貌，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)現(xiàn)代建筑.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)裝修常將“人造文化石”用于現(xiàn)代建筑，大至辦公樓的墻面，小至住宅內(nèi)的壁爐、電視背景墻，體現(xiàn)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(yè)巖是天然巖石中的一種，成分復(fù)雜，主要是由黏土沉積經(jīng)壓力和溫度形成的巖石，其中混雜有石英、長(zhǎng)石的碎屑.湖北省膠磷礦伴生頁(yè)巖儲(chǔ)量達(dá)20億噸，在膠磷礦采礦過(guò)程中作為夾石被丟棄，造成巨大資源浪費(fèi)［3-4］，頁(yè)巖本身具有的結(jié)構(gòu)致密、硬度高的特點(diǎn)［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(fèi).通過(guò)抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試，研究頁(yè)巖的摻入和水灰比的改變對(duì)文化石強(qiáng)度的影響.選取其中適合的配方比去制作文化石樣品，生產(chǎn)文化石，此聯(lián)產(chǎn)工藝過(guò)程可以達(dá)到膠磷礦伴生頁(yè)巖資源“零廢棄”綜合利用的目的.

2　實(shí)驗(yàn)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(yè)巖，淺黃色粉末狀，來(lái)自河北靈壽，其X射線(xiàn)熒光分析化學(xué)組分見(jiàn)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(zhǎng)石和白云石，所選用的膠磷材料為白水泥，標(biāo)號(hào)po 425.

表1　膠磷礦伴生頁(yè)巖的化學(xué)成分Tab.1　Chemical compositions of collophanite bearing shale

2.2測(cè)試方法

成型模具規(guī)格為70 mm×70 mm×70 mm，每組3個(gè)試樣，文化石成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)［7-9］，抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法參照GB/T9966.1-2001《天然飾面石材試驗(yàn)方法第1部分：干燥、水飽和、凍融循環(huán)后壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，彎曲強(qiáng)度測(cè)試方法參照GB/T9966.2-2001《天然飾面石材試驗(yàn)方法第2部分：干燥、水飽和彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法》.

3　結(jié)果與討論

3.1頁(yè)巖摻入比例對(duì)文化石強(qiáng)度的影響

測(cè)試不同頁(yè)巖摻入比例（頁(yè)巖水泥質(zhì)量比分別為7∶3、6∶4、5∶5、4∶6）時(shí)文化石的抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，如圖1、圖2所示.以頁(yè)巖水泥質(zhì)量比7∶3為例設(shè)置配合比如表2所示.

由圖1可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著頁(yè)巖水泥質(zhì)量比的降低，28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后文化石的抗壓強(qiáng)度逐漸升高，在頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為4∶6時(shí)達(dá)到最高，為11.39 MPa，比頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為7∶3時(shí)3.40 MPa高出了7.99 MPa.

圖1　文化石在不同頁(yè)巖水泥比時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著頁(yè)巖質(zhì)量比的降低，28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后文化石的彎曲強(qiáng)度逐漸升高，在頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為4∶6時(shí)達(dá)到最高，為4.3 MPa，比頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為7∶3時(shí)的2.2 MPa高出了2.1 MPa.

圖2　文化石在不同頁(yè)巖水泥比時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d天彎曲強(qiáng)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(yè)巖水泥質(zhì)量比的降低，文化石抗壓強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度逐漸升高，試驗(yàn)到頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為4∶6時(shí)之所以不再繼續(xù)后面的比例，是因?yàn)轫?yè)巖水泥質(zhì)量比4∶6時(shí)文化石28 d強(qiáng)度已接近ASTM對(duì)天然飾面石材的技術(shù)規(guī)范，為了盡可能的達(dá)到資源利用最大化，同時(shí)提高文化石的抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，故不再繼續(xù)頁(yè)巖水泥質(zhì)量比低于4∶6的實(shí)驗(yàn)，且后續(xù)試驗(yàn)以頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為4∶6進(jìn)行.

3.2水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)文化石強(qiáng)度的影響

文化石成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)后，測(cè)試并比較頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為4∶6時(shí)，不同水灰比下（0.5、0.55、0.6、0.7，質(zhì)量比，下同）文化石抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水灰比低于0.5時(shí)，文化石難以成型），結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4.

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

圖3　不同水灰比時(shí)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)文化石抗壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)的28 d內(nèi)，隨著水灰比的增加，文化石早期彎曲強(qiáng)度提高比較明顯，3 d彎曲強(qiáng)度從2.6 MPa提高到了3.4 MPa，但后期彎曲強(qiáng)度提高不明顯，僅從4.2 MPa提高到4.5 MPa，同時(shí)相同齡期內(nèi)水灰比為0.55的試塊彎曲強(qiáng)度均是最高的，且在28 d彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，為4.5 MPa.

圖4　不同水灰比時(shí)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)文化石彎曲強(qiáng)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(diào)和后，能很快生成塑性的膠狀物質(zhì)，具有粘結(jié)性能，可以用來(lái)膠結(jié)頁(yè)巖；這種膠狀物質(zhì)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸失去其塑性，硬化成為具有一定強(qiáng)度的石狀物體，而與其所膠結(jié)的頁(yè)巖一起變成堅(jiān)固的整體，加入的水過(guò)少文化石不易成型，過(guò)多則會(huì)降低文化石強(qiáng)度；水泥含量升高時(shí)，這種膠狀物質(zhì)的含量相應(yīng)升高，膠結(jié)作用就越強(qiáng)，宏觀上測(cè)試頁(yè)巖基文化石抗壓強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度就越大.

3.4文化石裝飾品的簡(jiǎn)單制作工藝

3.4.1成型模具制作實(shí)驗(yàn)借鑒實(shí)際文化石聯(lián)產(chǎn)工藝，采用硅膠復(fù)制母模作為成型模具；母模選擇了規(guī)則方磚、不規(guī)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(yè)巖基文化石標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后成型效果如圖5～圖8所示. 3.4.3工藝評(píng)定按照國(guó)家建材工業(yè)石材質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心所采用的美國(guó)ASTM對(duì)天然飾面石材的技術(shù)規(guī)范［10］，試驗(yàn)制備的文化石強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度12.12 MPa，彎曲強(qiáng)度4.5 MPa）達(dá)到了石灰石類(lèi)天然文化石的抗壓強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，可以用于室內(nèi)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(guò)于規(guī)則缺乏自然美感；“鵝卵石型文化石”鋪排效果好，錯(cuò)落有致，適合作為屋內(nèi)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(diǎn)在于制作耗時(shí)長(zhǎng)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(jié)　語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)旨在充分利用廢棄的膠磷礦伴生的頁(yè)巖，在避免造成資源浪費(fèi)的同時(shí)，提供一種新的制備文化石的方法，并且通過(guò)抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試，得到最佳頁(yè)巖水泥質(zhì)量比和最佳水灰比.結(jié)果表明，頁(yè)巖水泥質(zhì)量比為4∶6，水灰比為0.55時(shí)，文化石試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度相對(duì)最高，抗壓強(qiáng)度達(dá)到12.12 MPa、彎曲強(qiáng)度達(dá)到4.5 MPa.通過(guò)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(duì)工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)定，所制備的文化石可用于室內(nèi)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(guó)家自然科學(xué)基金（51374155）；湖北省科技支撐計(jì)劃（2014BCB034）；湖北省自然科學(xué)基金（2014CFB796）；湖北省科技支撐計(jì)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