水泥基材料中的粘土：最新技术综述外文翻译资料

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水泥基材料中的粘土：最新技术综述

重点：

综述了粘土在水泥基材料中的作用。

研究了含粘土矿物集料的尺寸稳定性。

概述了减轻粘土在混凝土中有害影响的处理方法。

重点研究了纳米粘土在水泥基材料中的应用。

讨论了如何解决水泥基材料中粘土的模糊性问题。

关键词：粘土 砂 骨料 混凝土 工作性 外加剂 膨胀性 耐久性 纳米技术

摘要：

由于公开文献中有关数据的相互冲突以及为找到粘土在水泥基材料中的实际问题的标准测试程序的不精准，导致了砂土和粗集料微粉中粘土含量标准的限制，相关从业人员和质量控制专业人员也无法确定这种微粉对新拌混凝土和硬化混凝土性能的影响。本文探讨了各种类型的粘土，各种标准对集料中粘土的限制，以及用于评估集料中存在的粘土的测试方法；提供了关于粘土对水泥基材料的可能影响的文献综述，包括对需水量、工作性、机械强度、尺寸稳定性和化学外加剂用量的影响；研究了含粘土矿物集料的尺寸稳定性问题；还概述了可对粘土进行的化学处理，以减轻其在混凝土中的有害影响；最后，强调了纳米粘土在水泥基中的新兴应用研究并呼吁解决被提出的一些水泥基材料中粘土的模糊性问题。

目录

1. 引言.......................................................................................................................................373
2. 不同粘土矿物及其表现........................................................................................................373
3. 粘土膨胀机理....................................................................................................................... 374
4. 粘土对混凝土性能的影响....................................................................................................374
5. 粘土对化学外加剂的影响....................................................................................................376
6. 含粘土矿物的集料膨胀........................................................................................................376
7. 水泥基材料中粘土的测试方法............................................................................................376
   1. 骨料耐久性指数.........................................................................................................377
   2. 砂当量试验................................................................................................................ 377
   3. 亚甲蓝试验................................................................................................................ 377
   4. Grace比色改良亚甲蓝法.........................................................................................378
8. 集料中粘土含量的限制标准................................................................................................378
9. 对集料进行化学处理减轻粘土影响....................................................................................378
10. 水泥基材料中的纳米粘土..................................................................................................379
11. 结束语................................................................................................................................ 381

参考文献............................................................................................................................381

1.引言

西班牙谚语说得好：“粘土和石灰掩盖了很多邪恶”。作者通过参与著名的国际项目（例如世界上最高的两个建筑物，世界上最深的和第二大的抽水和污水处理厂、世界最大的机场之一、世界地标性桥梁等）获得了对粘土的这种认知。当标准、技术规定和随后的项目规范 不再限制混凝土骨料中允许添加的微粉量时，矛盾就产生了，因为本地可用的砂和粗骨料不能以具有竞争力的成本满足此类限制。通常，关于我们接触到的细骨料微分的性质究竟是什么的争论是没有意义的，它是否导致了所生产混凝土的性能问题，如何准确地量化各种微粉含量的影响，是否可以在混凝土的长期或短期性能问题上放宽对微粉的限制。而来自公开文献或个人交流的相互冲突的言论更会激化以上的争论。

因此，这篇文章试图揭开粘土在混凝土中的神秘面纱，对这一问题的最新进展作一个批判性的概述，并提供一个独立完备的文档,它可以用来查询现有的相关数据和各种论证,检查可用的测试方法来评估粘土在水泥基材料中的存在和影响，并且从跟本上使从业者在各种相互冲突的文献中轻松找到正确的方向。

1. 不同粘土矿物及其特性

关与粘土矿物的详细信息可以在Fowden等人的研究中找到。粘土矿物是一种非常小的，如胶体大小的层状结晶物质，由某些成岩矿物经过化学风化逐渐形成的。它们是铝和其他金属离子的含水硅酸盐，基本上包含两个基本晶体层，二氧化硅（四面体）和氧化铝（八面体）。这基本上就是这些层在晶格中以不同的键合和金属离子堆叠在一起的方式，从而将高岭石、伊利石和蒙脱石等粘土矿物彼此区分开来。一般来说地质条件和主要的环境影响决定了形成的粘土类型。

粘土矿物通常存在于细粒（亚-75 lm材料）天然骨料。这种粘土颗粒通常小于2 lm，但也可以达到10 lm或更长。小尺寸粘土材料及其单元体表面通常带有残余的负电荷，当置于水中时，粘土颗粒之间的空间被偶极水分子占据。同时存在的带负电荷的粘土材料以及水的偶极子，产生了电分子力，吸引并保持水的偶极子。粘土颗粒被视为多层结构，带电表面和粒子周围分布的电荷统称为扩散双电荷层。

层与自由阳离子之间的空间决定了某一粘土矿物是否具有膨胀性。自由阳离子使水偶极子被吸收到中间层从而达到化学平衡。随着夹层空间减小，各层之间的吸引力增强，并主导水的吸收，因此不会发生膨胀。相反，随着层间空间的增大，层间力增大，使得层间空间的吸水性增大，直至层间键失效。因此，粘土颗粒被分离并重新排列，发生膨胀。上述机制的程度和动力学取决于一些其他参数的单独或组合作用，其中包括表面电荷密度、阳离子类型和价态、电解质浓度和介电常数。

因此，膨胀取决于粘土矿物的类型。通常认为蒙脱石矿物（蒙脱石是这类矿物的主要代表）具有膨胀性。这种的蒙脱石包含二氧化硅、三水铝石（铝羟基）的重复单元基团和由范德华键连接的相邻二氧化硅层（图1）。用铝代替三水铝石层中的镁和硅石层中的硅，会导致蒙脱石带上净负电荷，因此具有很高的阳离子交换能力。它们除了具有较高的阳离子交换能力外，二氧化硅层之间的层间距会通过吸水增大，引起大量膨胀。相反，有些粘土矿物如叶蜡石、珍珠云母和伊利石被认为是不膨胀的。例如，高岭石由硅石和三水铝石的重复单元组成，缺乏蒙脱石中相邻二氧化硅层的层间间距。因此，它们的阳离子交换能力小于蒙脱石，主要是由于取代作用以外的原因。

粘土膨胀也受与粘土接触的水溶液的组成控制。由于阳离子取代，粘土的层状结构缺乏正电荷。因此，需要层间阳离子来平衡负电荷层。两个连续结构单元之间的距离，称为d间距，取决于可交换的阳离子类型，溶液的组成，以及粘土组成，可以用X射线衍射法计算d间距。因此，当交换性阳离子在水溶液中水化时，粘土的膨胀可以通过d间距的增加来估算。

粗集料和细集料中粘土矿物的存在可以对新拌混凝土的工作性、化学外加剂的有效性和机械强度、硬化混凝土的尺寸稳定性和耐久性产生显著影响。因此，最重要的是确定集料中粘土矿物的类型和含量，制定快速可靠的现场试验方法，以量化集料堆中的有害粘土矿物，如果有补救技术的话，建议使用使被粘土污染的集料可以用于生产混凝土。

本文对粘土矿物在水泥基材料的作用进行了综述。对用于评估集料中粘土存在的测试方法进行了检查，并强调混凝土中粘土矿物的国际标准。讨论了含粘土集料的尺寸稳定性问题，还概述了可能对粘土进行的化学处理，以减轻其在混凝土中的有害影响。最后，重点介绍了纳米粘土在水泥基材料中的应用研究进展。希望通过这次对国际文献的批判性分析，能够使工程师和实践者对混凝土中的粘土这一主题的认识更加清晰。

1. 粘土膨胀机理

粘土膨胀的机理已在各种文献中被广泛讨论，本文仅考虑与水泥基材料中粘土相关的方面。这些讨论大部分都是基于安德森等人的观点。粘土与水接触时，其层间空间的交换性阳离子趋于水化，迫使粘土层分离。膨胀可以通过两种不同的方式产生：结晶膨胀和渗透膨胀。

结晶膨胀可发生在所有类型的粘土矿物中。这被证明是一种以离散方式发生的短期膨胀，通过层间水合物的混合逐步形成。几层水分子排成行，在单元层之间形成准晶体结构，导致层间间距增加。例如，蒙脱石粘土吸收水分，形成一层、二层、三层和四层水合物。在给定温度、压力和水化学势的热力学约束条件下，某一粘土矿物的平衡层间距是热力学势（自由能）为全局最小值的状态（Anderson等人）。结晶膨胀区记录的典型层间距范围为9~20Aring;。

渗透膨胀发生在特殊的粘土矿物中，这种粘土矿物在层间区域含有交换性阳离子。当层间空间中的阳离子浓度高于周围溶液中的阳离子浓度时，水分子迁移到层间空间以恢复阳离子平衡。这种类型的膨胀比结晶膨胀引起的体积增大（层间距为20-130Aring;）要大得多。例如，蒙脱石可以以这种渗透方式膨胀。相反，K 饱和蒙脱石粘土不会以这种方式膨胀，即使在含水悬浮液中也不会形成结晶水合物。因此，K 离子可用于防止钠饱和粘土矿物的膨胀（Ande- rson,2010）。

粘土夹层空间中交换性阳离子的类型、大小和电荷对粘土膨胀的大小有显著影响。蒙脱石与不同一价交换性阳离子（Li 、Na 、K 、Rb 和Cs ）插层的水解吸等温线测量结果表明，阳离子越大，吸附的水越少。含一价阳离子的粘土矿物，其水化能较大，比含较低水化能阳离子的粘土矿物更容易膨胀。此外，粘土矿物的取代类型和层电荷对其膨胀特性有显著影响，Anderson等人对此进行了更详细的讨论。

1. 粘土对混凝土性能的影响

长期以来，人们一直担心粘土颗粒对混凝土有害，因为它们具有吸水和膨胀的能力，从而增加了新拌混凝土的需水量。早在1933年，帕森斯就研究了用粘土替代水泥体积的10%或细骨料体积的7.5%，对混凝土的抗压强度、吸收率和渗透性的影响，并且在研究中使用了三种不同的粘土：Occoquan的红色表层粘土、Maryland的Baltimore的蓝色粘土和Virginia的Alexandria的黄色粘土，人们认为粘土在制砖过程中不含有机物。据观察，用10%的粘土代替水泥（按体积计），在超过3个月龄期时，抗压强度降低了0-10%左右，但对渗透性没有明显影响。此外，用粘土代替7.5%的细骨料，抗压强度提高了37%。粘土对混凝土的吸水性、渗透性和抗冻融循环性的影响不显著。1934年，Lyse报告说，Lehigh大学的实验项目证明，在允许使用化学外加剂的情况下，对混凝土中细粉含量的严格限制是不必要的，甚至可以说是不合理的。

最近，Solomon和Ekolu研究了将粘土掺入混凝土混合物中，作为一种为发展中国家的基础设施制造低成本、低强度建筑材料的方法。试验了4种对照混凝土混合物，分别为350kg/m3的水泥，对应的水胶比（w/cc）为0.70、0.75以及280kg/m3的水泥

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