高岭土应用研究的新进展

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1、高岭土应用研究的新进展施惠生，袁玲（同济大学混凝土材料研究国家重点实验室，上海200092）［摘要］高岭土经过脱水后，转变成为具有高火山灰活性的偏高岭土。本文主要介绍了利用高活性偏高岭土通过碱激活制备的土聚水泥和直接作为混凝土矿物掺合料在水泥基材料中的应用途径。土聚水泥在工艺、性能、用途等方面集有机高聚物、陶瓷、水泥等材料的特征，是同时具有独特优点的新材料。偏高岭土矿物掺合料具有提高混凝土的早期强度，改善硬化混凝土的工作性和耐久性，减少水泥石的自收缩等方面的作用。高岭土在水泥基材料中广阔的应用领域和优异的性能

2、向人们展示了其诱人的开发前景。［关键词］高岭土；偏高岭土；土聚水泥；矿物掺合料；火山灰活性；碱活性1前言高岭土是一种天然矿产，在我国有丰富的储藏量，长期以来一直广泛应用于轻工、化工、建材、石油、医药、卫生等领域。利用高岭土生产的陶瓷产品更是享誉海内外，已成为中华民族的象征和骄傲。但是，最近30a以来，国外在对高岭土的应用研究方面却走到了我们的前面，在利用高岭土研制水泥基材料方面取得了很大的进展。高岭土在有些国家已广泛应用于建筑材料的生产和建筑工程中，为国民经济的建设和可持续发展起着重要的作用。高岭土在水泥基材

3、料中的应用主要是在两个方面：一是利用高岭土制备土聚水泥。土聚水泥是一种高性能的碱激活水泥，兼具有有机高分子、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原材料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小等优点。因此近几年来其研究和开发进展很快；二是利用高岭土制备混凝土掺合料。为了降低水泥的用量，减少能源及资源的消耗，以及改善混凝土的性能，人们往往使用辅助性胶凝组分——掺合料代替部分水泥，例如矿渣、粉煤灰、硅灰以及天然沸石等。近年来高活性偏高岭土作为一种新型混凝土矿物掺合料备受关注，它具有改善硬化混凝土的工作性和耐久性，减少水泥石的

4、自收缩等方面的作用。本文将简要地介绍国内外关于高岭土在水泥基材料应用方面的研究进展，并阐明其对水泥基材料的改性作用，以促进我国非金属矿研究工作者加强对高岭土新应用领域的研究，更好地开发利用我国这一丰富的自然资源。2土聚水泥2.1土聚水泥的聚合机理土聚水泥是最近发展起来的新材料，是一种不同于普通硅酸盐水泥的新型胶凝材料。20世纪70年代末，法国Davidovits教授开发了一类新型的碱激活胶凝材料——土聚水泥(Geopolymericcement)，因在其水化产物中含有大量与一些构成地壳物质相似的化合物——含硅

5、铝链的“无机聚合物”而得名。土聚水泥是以高岭土为原料经较低温度(500～900℃)煅烧，发生如下反应：2n[Si2O5,Al2(OH)4]→2(Si2O5,Al2O2)n+4nH2O该反应使Al的配位数从6配位转化为4或5配位，高岭石结构转化为无定型结构的偏高岭土，有较高的火山灰活性。处于介稳状态的偏高岭土等无定型硅铝化合物经碱性激活剂及促硬剂的作用，硅铝氧化合物经历了一个由解聚到再聚合的过程，形成类似地壳中一些天然矿物的铝硅酸盐网络状结构。土聚水泥具有有机高聚物的链接结构，但其基本结构为无机的硅氧四面体和铝

6、氧四面体，其中负电荷由碱金属和碱土金属等阳离子来平衡。土聚水泥在成型、反应过程中必须有水作为传质介质及反应媒介，凝固后部分自由水作为结构水存在于反应物当中，但土聚水泥不存在硅酸钙那样的水化反应；与高分子聚合物相比，土聚水泥聚合反应开始前，不存在绝对意义上的单体。其终产物以离子键和共价键为主，范德华键为辅，而传统水泥则以范德华键及氢键为主，因此其性能优于传统水泥。2.2土聚水泥的主要化学成分和矿物组成及其物理化学性能2.2.1主要化学成分和矿物组成土聚水泥是一种火山灰类的物质，化学组成也与某些天然火山灰接近。表

7、1为土聚水泥与意大利火山灰化学成分分析结果比较。表1土聚水泥与意大利火山灰化学成分对照(%)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土聚水泥在矿物组成上完全不同于硅酸盐水泥，其主要由无定形矿物组成:①高活性偏高岭土；②碱性激活剂（苛性钾，苛性钠，水玻璃，硅酸钾等)；③促硬剂（低钙硅比的硅酸钙以及硅灰等，处于无定形态）；④外加剂（主要有缓凝剂等）。一般条件下，土聚水泥聚合反应后的生成物是一

8、种无定形的硅铝酸盐化合物，在较高温度下，可生成类沸石型的微晶体结构，如方钠石:(Na)n(Si-O-Al-O-)n；方沸石:(Na,Ca,Mg)n(Si-O-Si-O-)n等。这些矿物形成了独特的笼形结构，可开发出许多新的功能用途，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物理化学性能土聚水泥兼有有机高聚物、陶瓷、水泥的特点，又不同于上述材料，它具有以下优点：(1)力学性能好主要力学