紫色页岩价值 利用紫色页岩作水泥活性混合材料的试验研究
摘 要：本研究以张家口坝上的紫色页岩为原料，经850℃煅烧20min、40min、60min、80min后，获得了火山灰活性。试验表明：28天抗压强度的率值在65% - 87%，且火山灰活性评定合格。XRD测试其火山灰活性主要来源于页岩中的矿物组成的变化。
关键词：烧页岩；火山灰活性试验；恒温时间；活性混合材料；试块强度
引言
张家口坝上地区不具有石灰石资源，也没有粉煤灰、矿渣等活性混合材料，因此不具备建设硅酸盐水泥生产企业的条件。当地建设用水泥及所需混合材以往均来源于坝下等地。该地区有着丰富页岩资源，分布范围广，利用程度低。这种以 SiO2和Al2O3为主要成分的粘土质沉积岩，是由疏松的粘土经长期胶结、压实、固结作用形成具有页状或薄片状构造的粘土岩，有着树叶般的薄片层理，质地松软、易碎、摸起来几乎没有颗粒感。它是未经煅烧的页岩各种组分多是以结晶态的铝硅酸盐矿物存在，结构稳定，几乎没有水化活性，只有在一定温度下煅烧后，页岩中的粘土矿物分解形成具有活性的无定形物质，在较高温度下还可以使铝硅酸盐矿物从外界获取能量使其化学键Si-O、Al-O断开，晶格发生畸变，产生大量的晶体缺陷，从而激发产生活性。对页岩进行煅烧，激发页岩的火山灰活性，利用当地紫色页岩经煅烧处理作水泥混合材料，既可以解决目前所面临的问题，又能为当地水泥生产开辟一条新的道路，具有重要的现实意义。
本课题首先通过差热分析对页岩的煅烧温度进行了初步确定，用以确定煅烧温度的范围。根据差热分析设计了页岩的煅烧制度，将经煅烧的页岩磨细之后，分别采用强度对比试验和火山灰性试验，比较不同制度煅烧的烧页岩的活性。将紫色页岩与前述试验获得的最佳烧页岩试样做XRD分析，探讨其页岩获得活性的机理。
1 试验原料
1.1 紫色页岩
1.1.1 紫色页岩化学成分
紫色页岩化学成分分析见表1。
1.1.2 页岩差热分析描述
经对紫色页岩差热分析描述基本特征是有两个吸热谷，无放热峰，主要都是由多种含水硅酸盐矿物组成。第一个吸热谷出现在470℃左右；第二个吸热谷出现在780℃-830℃。
1.2 水泥
采用金隅集团宣化水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥PO42.5。
2 试验设备
2.1 烧结页岩的设备
1600℃快速升温箱式电炉SSJ-ⅡE（洛阳市涧西耐火材料试验厂制造）。
2.2 测试强度设备
WAY-600型电液式压力试验机。
D/MAX2500PC X射线衍射仪。
3 试验过程
3.1 烧页岩的研制
3.1.1 烧成制度
根据紫色页岩的差热分析确定煅烧最高温度分别为850℃。最高温度保温时间分别保温20、40、60、80分钟，升温速率均为23℃/S，在空气中冷却。
3.1.2 样品编号
850℃保温保温20min、40min、60min、80min；样品分别编号D1、D2、D3、D4。
3.1.3 烧页岩的制备过程
煅烧时先将块状页岩用电子控温远红外干燥箱烘干，设置烘干箱烘干温度为110℃，烘干时间为7小时（手动计时）。用小型颚式破碎机破碎其粒度为2.5mm颗粒。将破碎后的页岩颗粒用型号为3M05的水泥厂化验室统一试验小磨进行粉磨，时间设置为48min，粉磨细度为0.08mm的方孔筛筛余约为10%。然后卸料，待用。
将该细粉装入匣钵中放入箱式电炉，设定好升温速率、煅烧温度以及保温时间，开始煅烧。达到设定温度及保温时间后，打开炉门自然冷却，至300℃左右时，带上手套小心取出匣钵，放在干燥处继续冷却。
3.2 活性分析试验
3.2.1 强度对比试验
硬化体的强度是反映该硬化体结构的一个综合性指标。若能固定其他条件，仅更换火山灰材料的品种，则所得的硬化体的强度决定于所掺混合材的火山灰活性。因此，强度试验法能综合反映混合材料在水泥中的作用。
称取水泥300g按W/C为0.32量水96ml，做为空白试样，另将已轻烧的各编号试样分别取90g，水泥210g，水96ml均按照标准净浆的搅拌方法将其搅拌成净浆，用该净浆成型20mm×20mm×20mm试块并编号，成型各编号试块在标准条件（20±1℃，95％以上）的养护室养护，养护3d、28d后测3d、28d抗压强度。
3.2.2 山灰活性检验
火山灰活性是在40±2摄氏度的条件下，通过与水化水泥共存的液相中呈现Ca（OH）2的量和在同样碱性介质中达到同样饱和的Ca（OH）2的量相比较而定的。试验时应控制恒温40±2摄氏度，如温度过低，则火山灰活性不易发挥，如温度高于42摄氏度，则使试验结果失去对比性。
按照GB/T2847-2005《用于水泥中的火山灰混合材料》中的火山灰性检验方法进行试验。以总碱度（氢氧根离子浓度）为横坐标，以氧化钙含量为纵坐标，将试验结果点在火山灰活性图上，如果试验点落在图中曲线（4 0 ℃时氢氧化钙的溶解度曲线）的下方，则认为该混合材料火山灰性试验合格。
3.2.3 XRD分析
由于每种晶体的结构与其Ｘ射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化，因此选择在河北理工大学分析测试中心，将未经烧结的页岩和经850℃烧结的页岩试样进行了物相分析。将页岩和烧页岩的衍射花样进行对照，从而分析研究活性机理。
3.3 试验结果与分析
3.3.1 火山灰活性检验结果与分析
按照火山灰活性的检验方法对D1、D2、D3、D4和T进行试验，试样在 40±2℃恒温15天后进行化学分析试验后，计算数据列于表2中。根据表2数据将试验结果标于评定火山灰性的曲线图上，见图1。