砒砂巖中蒙脫石膨脹抑制機理及改性試驗研究.pdf

1、砒砂巖是一種發(fā)育不充分的特殊泥巖、泥沙巖，具有干燥堅硬如石，遇水潰散成沙的特點，主要分布在黃河中游晉陜蒙三省交界地區(qū)，因其所分布地區(qū)水土流失嚴重，植被稀疏，當?shù)匕傩招稳萜湮：Χ救纭芭?，稱其砒砂巖。本文從新的角度認識砒砂巖，將砒砂巖研制成一種環(huán)保、經(jīng)濟、具有一定強度、耐水性較好，具有工程應(yīng)用潛力的材料，探索砒砂巖的資源化利用，建立砒砂巖潰散防治理論及改性材料研制技術(shù)，核心工作主要有以下幾部分:
　　研究了砒砂巖的成因、分布、礦物

2、和化學組成，砒砂巖的礦物組成可分為顆粒物（原生礦物石英，長石等）、膠結(jié)物（游離氧化物等）和膨脹物（蒙脫石等粘土礦物）三類。分析了砒砂巖中蒙脫石等粘土礦物的吸水膨脹性，揭示了砒砂巖遇水潰散的原因，描述了砒砂巖物理潰散過程，蒙脫石吸水膨脹及膠結(jié)物質(zhì)遇水喪失膠結(jié)作用是導(dǎo)致砒砂巖潰散的主要原因。構(gòu)建了以顆粒物和膠結(jié)物為約束元、膨脹物為潰散元的砒砂巖二元物理模型和力學模型，提出了砒砂巖潰散防治主要以約束膨脹源的膨脹為主的改性思路。通過試驗，對砒砂

3、巖的蝕變指數(shù)和干燥飽和吸水率、耐崩解性、自由膨脹率等水理性質(zhì)，以及砒砂巖中蒙脫石的來源、性能參數(shù)等進行了研究。結(jié)果表明，砒砂巖風化程度較高，化學蝕變指數(shù)(CIA)在56.8～67.6之間，干燥飽和吸水率為42％～51％，崩解類型為Ⅰ類崩解，耐崩解指數(shù)為2.7％，自由膨脹率在43％左右，是一種耐崩解性很差的中等或強膨脹巖。砒砂巖中的蒙脫石由長石發(fā)生化學風化而來，為鈣基蒙脫石，白色和紅色砒砂巖中蒙脫石的吸藍量、自由膨脹容、陽離子交換容量(C

4、EC)分別為32.72g/100g和28.21g/100g、5.1 mL/g和5.0mL/g、112.7mmol/100g和104.9mmol/100g，分子結(jié)構(gòu)式分別是Ca0.43Mg0.23Na0.15K0.04(Si7.69Al0.31)(Al2.64Fe0.48Mg0.71)O20(OH)4和Ca0.61Mg0.22Na0.09K0.05(Si7.11Al0.89)(Al2.04Fe1.07Mg0.90)O20(OH)4。

5、>　　研究了離子交換改性對蒙脫石膨脹的抑制效果，提出了蒙脫石離子交換改性電容器模型和晶格離子“二次置換”概念，構(gòu)建了蒙脫石膨脹抑制陽離子交換序列。離子交換試驗結(jié)果表明，離子化合價、離子半徑及離子表面電荷密度等對蒙脫石水化膨脹有顯著影響，蒙脫石膨脹體積隨陽離子表面電荷密度的增大而減小。一價、二價和三價氯鹽溶液中，蒙脫石的膨脹體積最小分別為3.31 mL/g、2.6mL/g和2.5mL/g。離子表面電荷密度與Zeta電位呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系

6、，陽離子表面電荷密度從0.10C/m2增大到0.18C/m2時，Zeta電位從約-18mV增大為5.0mV左右。通過試驗，研究了晶格中離子的“二次置換”情況，試驗結(jié)果表明，八面體中Mg2+對Al3+的取代引起了3624cm-1和912cm-1處Al2OH振動吸收峰強度的減弱或消失，四面體中Al3+對Si4+或Mg2+對Al3+的替代，導(dǎo)致了3410cm-1處Si-OH-Si振動吸收峰強度的增強和峰寬度的增加，以及1032cm-1譜帶的振

7、動吸收峰強度的減弱。此外，位于521cm-1和425cm-1譜帶分別對應(yīng)Si-O和Al-O振動吸收峰的強度也都因Al3+代Si4+和Mg2+代Al3+的“二次置換”而明顯減弱。
　　通過堿溶蝕試驗，研究了堿液濃度、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間對蒙脫石的溶蝕作用。試驗結(jié)果表明，25℃時，硅、鋁、鈣的溶出率最大分別為3.91％、5.56％和4.13％，80℃時，硅、鋁的溶出率最大分別為19.8％和12.7％，鈣的則為1.23％。提高反應(yīng)溫度能夠

8、有效提高堿溶蝕效率，使溶液中硅、鋁的濃度升高，鈣離子因參與反應(yīng)生成沉淀物質(zhì)，濃度有所降低。蒙脫石對堿有良好的吸附的作用，蒙脫石在0.1mol/L、0.5mol/L和1.0mol/L的NaOH溶液中時對堿的吸附量分別為52.7mg/g、53mg/g和61mg/g。XRD、TG-DTG、FTIR和SEM-EDS分析結(jié)果表明，蒙脫石堿蝕后生成的沉淀物質(zhì)主要是以水化硅酸鈣(C-S-H)為主的物質(zhì)。研究了不同堿濃度中蒙脫石的溶蝕特征，當NaOH＜

9、0.05mol/L時，堿擴散到蒙脫石中，發(fā)生物理吸附;當0.05mol/L＜NaOH＜0.1 mol/L時，蒙脫石發(fā)生層間離子交換和晶格間的“二次置換”，硅、鋁離子開始少量溶出;0.1mol/L＜NaOH(80℃，25℃時為0.5mol/L＜NaOH)時，硅、鋁離子大量溶出，蒙脫石結(jié)構(gòu)遭到破壞，發(fā)生溶蝕解離。建立了蒙脫石堿蝕過程模型，將蒙脫石的堿蝕破壞分為四個階段:a.離子擴散吸附;b.層間離子交換、晶格離子“二次置換”;c.溶蝕加速階

10、段;d.結(jié)核成垢沉淀階段。
　　基于蒙脫石離子交換和堿溶蝕改性技術(shù)研制了砒砂巖改性材料。改性劑用量、養(yǎng)護齡期、養(yǎng)護條件及粉煤灰摻量對砒砂巖改性材料強度有顯著影響。研制的改性材料90天齡期強度可達11.6MPa（干燥）和8.7MPa（飽水），摻粉煤灰(15％)試件為20.3MPa（干燥）和17.6MPa(飽水)。砒砂巖改性材料具有良好的耐水性能，軟化系數(shù)在0.65～0.95之間，水滲透系數(shù)最小為5.1×10-6cm/s。XRD、FT