高嶺土在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用及其研究進(jìn)展
2006-12-29 00:00
| 摘 要：本文重點(diǎn)介紹了高嶺土及煅燒高嶺土在水泥、混凝土、油漆涂料等建筑材料領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展。 關(guān)鍵詞：高嶺土 偏高嶺土 土聚水泥 混凝土 涂料 中圖分類(lèi)號(hào):TD873+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A １.前言 我國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)并在工業(yè)中利用高嶺土的國(guó)家之一。我國(guó)非煤建造型高嶺土，資源儲(chǔ)量居世界第五位，截至2003年底，對(duì)我國(guó)21個(gè)省市232處產(chǎn)地統(tǒng)計(jì)，基礎(chǔ)儲(chǔ)量為5.46億噸。而我國(guó)含煤建造沉積型高嶺土資源儲(chǔ)量占世界首位，探明遠(yuǎn)景儲(chǔ)量及推算儲(chǔ)量180.5億噸，主要分布在東北、西北和石炭–二疊紀(jì)煤系中，以煤層中夾矸、頂?shù)装寤騿为?dú)形成礦層獨(dú)立存在，其中以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田的資源最多，達(dá)8.1億噸。我國(guó)是世界上主要的高嶺土生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的78%；目前我高嶺土礦點(diǎn)有700多處。 高嶺土主要由小于2μ m的微小片狀、管狀、疊片狀等高嶺石簇礦物(高嶺石、地開(kāi)石、珍珠石、埃洛石等)組成，其主礦物成分是高嶺石和多水高嶺石，除高嶺石簇礦物外，還蒙脫石、伊利石、葉蠟石、石英和長(zhǎng)石等其它礦物伴生。高嶺土的化學(xué)成分中含有大量的Al2O3、SiO2 和少量的Fe2O3、TiO2 以及微量的K 2O 、N a 2 O 、C a O 和M g O 等。 2.高嶺土在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用 2．1 新型膠凝材料－土聚水泥 土聚水泥是最近30年發(fā)展起來(lái)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(guó)Davidovits教授開(kāi)發(fā)了一類(lèi)新型的堿激活膠凝材料—土聚水泥（Geopolymeric cement）。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—含硅鋁鏈的“無(wú)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 （1）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(wú)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(wú)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(gè)由解聚到再聚合的過(guò)程，形成類(lèi)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(wú)機(jī)的硅氧四面體和鋁氧四面體，其中負(fù)電荷由堿金屬和堿土金屬等陽(yáng)離子來(lái)平衡。 土聚水泥在成型、反應(yīng)過(guò)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(kāi)始前，不存在絕對(duì)意義上的單體。其終產(chǎn)物以離子鍵和共價(jià)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。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(wú)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(wú)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)后的生成物是一種無(wú)定形的硅鋁酸化合物，在較高溫度下，可生成類(lèi)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-Al-O)n 等。 這些礦物形成了獨(dú)特籠形結(jié)構(gòu)，可開(kāi)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混凝土摻合料 偏高嶺土－（Metakaolin,簡(jiǎn)稱(chēng)MK）是高嶺土（Al2O3•2SiO2•2H2O）在適當(dāng)溫度（500-900℃）下脫水形成的無(wú)水硅酸鋁（Al2O3•2SiO2）白色粉末，平均粒徑1-2 μｍ，SiO2 和Al2O3 含量在90％ 以上，特別是Al2O3 含量較高。偏高嶺土中原子排列是不規(guī)則的，呈現(xiàn)熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)具有強(qiáng)烈的火山灰活性,有超級(jí)火山灰（Super－Pozzolan）之稱(chēng)。偏高嶺土易于與水泥水化產(chǎn)物CH和水反應(yīng)后生成水化產(chǎn)物主要是CSH凝膠，以及水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣等，因此被大量應(yīng)用于混凝土摻和料來(lái)代替硅灰。 2.3油漆涂料 油漆工業(yè)使用的主要礦物原料是CaCO3、滑石、TiO2 和高嶺土；高嶺土用在油漆中的主要作用是充填物和色料替代物，因?yàn)樗哂谢瘜W(xué)惰性、高的覆蓋能力、理想的流動(dòng)性和懸浮性、成本低、色白等特性，能減少昂貴染料的需要量；對(duì)于煅燒高嶺土除具有上述普通高嶺土所具有的特性外，還具有不規(guī)則的形狀、有優(yōu)良的光學(xué)性能、油吸收率和顏料體積濃度高、不易老化、耐磨和在水或油介質(zhì)中易乳化等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的遮蓋力。它在油漆工業(yè)中主要是代替白色顏料，尤其是二氧化鈦；不同粒度和類(lèi)型的高嶺土用于不同類(lèi)型的油漆中：粗粒高嶺土用于需要黯淡光澤或平光漆中，細(xì)粒高嶺土則用于產(chǎn)生高光澤的油漆，或用于制造乳膠狀顏料，能使涂層具有較好的不透明性、防腐性和防沉降性，提高涂膜硬度、改進(jìn)涂膜質(zhì)量。 目前，油漆涂料是我國(guó)煅燒高嶺土最大的消費(fèi)領(lǐng)域，約占總消費(fèi)量的65%－85%。目前，高檔涂料中將大量使用白度90以上、粒度1250目以上(325目篩余量為零) 的優(yōu)質(zhì)煅燒高嶺土，據(jù)有關(guān)資料預(yù)計(jì)2005年將有9%左右的油漆涂料廠家使用高白度和超細(xì)煅燒高嶺土，需求量約15萬(wàn)噸；2010年將有16%左右的油漆涂料廠家使用高白度和超細(xì)煅燒高嶺土，需求量約27萬(wàn)噸。 3.結(jié)語(yǔ) 由高嶺土制備的土聚水泥兼具有有機(jī)高分子、陶瓷、水泥的優(yōu)良性能，又有原材料豐富、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保型“綠色建筑材料”。土聚水泥有望取代傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥，在不久的將來(lái)成為一種最大宗的建筑材料；高嶺土水泥基材料的研究和發(fā)展必將對(duì)非金屬礦資源的開(kāi)發(fā)利用，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 參考文獻(xiàn) [1] 吳小緩，王文利，我國(guó)高嶺土市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) [J]非金屬礦， 2005（4 ）：1-3 [2] 施惠生，袁玲，高嶺土應(yīng)用研究的新進(jìn)展 [J] 中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2002（6 ）：11-16 [3] 曹征良，李偉文，陳玉倫，偏高嶺土在混凝土中的應(yīng)用 [J] 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2004（2）：183-186 [4] 趙虎，高嶺土在水泥與混凝土工業(yè)中的應(yīng)用 [J] 國(guó)外建材科技，2002 （3 ）：5 5 - 5 7 |
| 原作者： 高安平 |
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