高嶺土應(yīng)用研究的新進(jìn)展

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1、高嶺土應(yīng)用研究的新進(jìn)展施惠生，袁玲（同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）［摘要］高嶺土經(jīng)過脫水后，轉(zhuǎn)變成為具有高火山灰活性的偏高嶺土。本文主要介紹了利用高活性偏高嶺土通過堿激活制備的土聚水泥和直接作為混凝土礦物摻合料在水泥基材料中的應(yīng)用途徑。土聚水泥在工藝、性能、用途等方面集有機(jī)高聚物、陶瓷、水泥等材料的特征，是同時具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的新材料。偏高嶺土礦物摻合料具有提高混凝土的早期強(qiáng)度，改善硬化混凝土的工作性和耐久性，減少水泥石的自收縮等方面的作用。高嶺土在水泥基材料中廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)異的性能

2、向人們展示了其誘人的開發(fā)前景。［關(guān)鍵詞］高嶺土；偏高嶺土；土聚水泥；礦物摻合料；火山灰活性；堿活性1前言高嶺土是一種天然礦產(chǎn)，在我國有豐富的儲藏量，長期以來一直廣泛應(yīng)用于輕工、化工、建材、石油、醫(yī)藥、衛(wèi)生等領(lǐng)域。利用高嶺土生產(chǎn)的陶瓷產(chǎn)品更是享譽(yù)海內(nèi)外，已成為中華民族的象征和驕傲。但是，最近30a以來，國外在對高嶺土的應(yīng)用研究方面卻走到了我們的前面，在利用高嶺土研制水泥基材料方面取得了很大的進(jìn)展。高嶺土在有些國家已廣泛應(yīng)用于建筑材料的生產(chǎn)和建筑工程中，為國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。高嶺土在水泥基材

3、料中的應(yīng)用主要是在兩個方面：一是利用高嶺土制備土聚水泥。土聚水泥是一種高性能的堿激活水泥，兼具有有機(jī)高分子、陶瓷、水泥的優(yōu)良性能，又具有原材料來源廣、工藝簡單、節(jié)約能源和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。因此近幾年來其研究和開發(fā)進(jìn)展很快；二是利用高嶺土制備混凝土摻合料。為了降低水泥的用量，減少能源及資源的消耗，以及改善混凝土的性能，人們往往使用輔助性膠凝組分——摻合料代替部分水泥，例如礦渣、粉煤灰、硅灰以及天然沸石等。近年來高活性偏高嶺土作為一種新型混凝土礦物摻合料備受關(guān)注，它具有改善硬化混凝土的工作性和耐久性，減少水泥石的

4、自收縮等方面的作用。本文將簡要地介紹國內(nèi)外關(guān)于高嶺土在水泥基材料應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，并闡明其對水泥基材料的改性作用，以促進(jìn)我國非金屬礦研究工作者加強(qiáng)對高嶺土新應(yīng)用領(lǐng)域的研究，更好地開發(fā)利用我國這一豐富的自然資源。2土聚水泥2.1土聚水泥的聚合機(jī)理土聚水泥是最近發(fā)展起來的新材料，是一種不同于普通硅酸鹽水泥的新型膠凝材料。20世紀(jì)70年代末，法國Davidovits教授開發(fā)了一類新型的堿激活膠凝材料——土聚水泥(Geopolymericcement)，因在其水化產(chǎn)物中含有大量與一些構(gòu)成地殼物質(zhì)相似的化合物——含硅

5、鋁鏈的“無機(jī)聚合物”而得名。土聚水泥是以高嶺土為原料經(jīng)較低溫度(500～900℃)煅燒，發(fā)生如下反應(yīng)：2n[Si2O5,Al2(OH)4]→2(Si2O5,Al2O2)n+4nH2O該反應(yīng)使Al的配位數(shù)從6配位轉(zhuǎn)化為4或5配位，高嶺石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為無定型結(jié)構(gòu)的偏高嶺土，有較高的火山灰活性。處于介穩(wěn)狀態(tài)的偏高嶺土等無定型硅鋁化合物經(jīng)堿性激活劑及促硬劑的作用，硅鋁氧化合物經(jīng)歷了一個由解聚到再聚合的過程，形成類似地殼中一些天然礦物的鋁硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。土聚水泥具有有機(jī)高聚物的鏈接結(jié)構(gòu)，但其基本結(jié)構(gòu)為無機(jī)的硅氧四面體和鋁

6、氧四面體，其中負(fù)電荷由堿金屬和堿土金屬等陽離子來平衡。土聚水泥在成型、反應(yīng)過程中必須有水作為傳質(zhì)介質(zhì)及反應(yīng)媒介，凝固后部分自由水作為結(jié)構(gòu)水存在于反應(yīng)物當(dāng)中，但土聚水泥不存在硅酸鈣那樣的水化反應(yīng)；與高分子聚合物相比，土聚水泥聚合反應(yīng)開始前，不存在絕對意義上的單體。其終產(chǎn)物以離子鍵和共價鍵為主，范德華鍵為輔，而傳統(tǒng)水泥則以范德華鍵及氫鍵為主，因此其性能優(yōu)于傳統(tǒng)水泥。2.2土聚水泥的主要化學(xué)成分和礦物組成及其物理化學(xué)性能2.2.1主要化學(xué)成分和礦物組成土聚水泥是一種火山灰類的物質(zhì)，化學(xué)組成也與某些天然火山灰接近。表

7、1為土聚水泥與意大利火山灰化學(xué)成分分析結(jié)果比較。表1土聚水泥與意大利火山灰化學(xué)成分對照(%)材料SiO2Al2O3CaOMgOK2O+Na2O土聚水泥59.1817.5511.122.959.16意大利火山灰53.8519.1310.051.5210.54土聚水泥在礦物組成上完全不同于硅酸鹽水泥，其主要由無定形礦物組成:①高活性偏高嶺土；②堿性激活劑（苛性鉀，苛性鈉，水玻璃，硅酸鉀等)；③促硬劑（低鈣硅比的硅酸鈣以及硅灰等，處于無定形態(tài)）；④外加劑（主要有緩凝劑等）。一般條件下，土聚水泥聚合反應(yīng)后的生成物是一

8、種無定形的硅鋁酸鹽化合物，在較高溫度下，可生成類沸石型的微晶體結(jié)構(gòu)，如方鈉石:(Na)n(Si-O-Al-O-)n；方沸石:(Na,Ca,Mg)n(Si-O-Si-O-)n等。這些礦物形成了獨(dú)特的籠形結(jié)構(gòu)，可開發(fā)出許多新的功能用途，如用作核放射元素的固封材料及制成薄膜吸附材料等。2.2.2物理化學(xué)性能土聚水泥兼有有機(jī)高聚物、陶瓷、水泥的特點(diǎn)，又不同于上述材料，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)力學(xué)性能好主要力學(xué)