黑棉土矿相分析及用于制备泡沫陶瓷的实验研究

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随着“一带一路”等国家战略的提出,中国海外援建工程已突破3000个。以援非路桥建设为例,经常遇到水化高膨胀土壤带来的工程问题。典型膨胀土是黑棉土(BCS),此土“遇水膨胀、脱水收缩”,自由膨胀率在某些地区高达160%。本文针对肯尼亚内罗毕拟建南环线公路路基BCS,首先通过矿物学分析,给出其粘土含量,获取其高膨胀性原因;然后基于BCS,通过掺入当地的丰富资源——泡沫玄武岩,即火山灰,亦采用了吉林柳河玄武岩作为骨料,通过煅烧工艺,制取轻质、高强泡沫陶瓷。本工艺为开发类似高粘土含量的膨胀土提供了一种解决方案。实验中首先对肯尼亚BCS进行定向片X射线衍射衍射(XRD)分析,确定黑棉土粘土物相为绿脱石、蒙脱石、绿泥石和绿蒙混层矿物,XRD精扫图谱可知其中非粘土矿物相主要为石英和长石。针对黑棉土XRD精扫图谱第一和第三特征峰,加以洛伦兹高斯分峰拟合,获取各粘土矿物相含量。通过焦硫酸钠熔融法分离了黑棉土中粘土与非粘土矿物,获得两者相对比例,分析可知,非粘土矿物相总含量约为19%。为验证这一结果的准确性,对黑棉土原土进行化学全岩分析、微区电子探针分析(EPMA),并测定BCS阳离子交换量(CEC)、烧失量等数据,结合文献中各矿物相的物化数据,建立回归方程组,基于氧化物组分(SiO2、Al2O3、Fe2O3等主要含量)以及CEC、烧失量的线性拟合,获取黑棉土各矿物相含量为17.3%,蒙脱石10.9%,绿泥石21.7%,绿蒙混层矿物31.9%,石英10.18%,长石8.36%,上述两种方法的矿物含量分析结果与实验结果吻合的很好,故本论文提供了内罗毕南环线BCS的定量化矿物学数据。以黑棉土为原料,掺杂泡沫玄武岩,利用烧结法制备泡沫陶瓷。研究发现,碳酸钙为发泡剂,氢氧化钠为助熔剂,水玻璃为粘结剂,最优原料配比为黑棉土:玄武岩=7:3,碳酸钙加入量为0.2wt%,氢氧化钠加入量为13wt%,水玻璃加入量为15wt%,烧结温度为850°C,保温30min,可制得泡沫陶瓷制品。其各项物理性质分别为,导热系数0.057W/(mk),抗压强度1.89MPa,体积密度为0.57g/cm3,显气孔率为74.2%,吸水率为16.8%。各项性能均达到相应国家和行业标准(GB/T33500-2017,L型、ASTM C552-14,Grade24、JC/T 647-2014,最优级)。XRD分析发现,烧结后晶相只有单一霞石物相,SEM和偏光显微分析显示产品内部孔道结构均匀,孔壁相对较厚,孔径约为12μm。
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