高嶺土在建筑材料領域的應用及其研究進展
2006-12-29 00:00
| 摘 要：本文重點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域國內外的應用現狀和研究進展。 關鍵詞：高嶺土 偏高嶺土 土聚水泥 混凝土 涂料 中圖分類號:TD873+.2 文獻標識碼：A １.前言 我國是世界上最早發現并在工業中利用高嶺土的國家之一。我國非煤建造型高嶺土，資源儲量居世界第五位，截至2003年底，對我國21個省市232處產地統計，基礎儲量為5.46億噸。而我國含煤建造沉積型高嶺土資源儲量占世界首位，探明遠景儲量及推算儲量180.5億噸，主要分布在東北、西北和石炭–二疊紀煤系中，以煤層中夾矸、頂底板或單獨形成礦層獨立存在，其中以內蒙古準格爾煤田的資源最多，達8.1億噸。我國是世界上主要的高嶺土生產國，產量占世界總產量的78%；目前我高嶺土礦點有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、石英和長石等其它礦物伴生。高嶺土的化學成分中含有大量的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域的應用 2．1 新型膠凝材料－土聚水泥 土聚水泥是最近30年發展起來的新材料，是一種不同于普通硅酸鹽水泥的新型膠凝材料。20 世紀70 年代末，法國Davidovits教授開發了一類新型的堿激活膠凝材料—土聚水泥（Geopolymeric cement）。因在其水化產物中含有大量與一些構成地殼物質相似的化合物—含硅鋁鏈的“無機聚合物”而得名。土聚水泥是以高嶺土為原料經較低溫度（500－900℃）煅燒，發生如下反應： 2n[Si2O5,Al2(OH)4]→ 2(Si2O5,Al2O2)n＋ 4nH2O （1）該反應使Al的配位數從6配位轉化為4或5配位，高嶺石結構轉化為無定型結構的偏高嶺土，有較高的火山灰活性。處于介穩狀態的偏高嶺土等無定型硅鋁化合物經堿性激活劑及促硬劑的作用，硅鋁氧化合物經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絡狀結構土聚水泥具有有機高聚物的鏈接結構，但其基本結構為無機的硅氧四面體和鋁氧四面體，其中負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、反應過程中必須有水作為傳質介質及反應媒介，凝固后部分自由水作為結構水存在于反應物當中，但土聚水泥不存在硅酸鈣那樣的水化反應；與高分子聚合物相比，土聚水泥聚合反應開始前，不存在絕對意義上的單體。其終產物以離子鍵和共價鍵為主，范德華鍵為輔，而傳統水泥則以范德華鍵及氫鍵為主，因此其性能優于傳統水泥。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）；④外加劑（主要有緩凝劑等）。一般條件下,土聚水泥聚合反應后的生成物是一種無定形的硅鋁酸化合物，在較高溫度下，可生成類沸石型的微晶體結構,如方鈉石: （Na）n(Si-O-Al-O)n；方沸石：(Na, Ca, Mg)n(Si-O-Al-O)n 等。 這些礦物形成了獨特籠形結構，可開發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,簡稱MK）是高嶺土（Al2O3•2SiO2•2H2O）在適當溫度（500-900℃）下脫水形成的無水硅酸鋁（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則的，呈現熱力學介穩狀態，此時具有強烈的火山灰活性,有超級火山灰（Super－Pozzolan）之稱。偏高嶺土易于與水泥水化產物CH和水反應后生成水化產物主要是CSH凝膠，以及水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣等，因此被大量應用于混凝土摻和料來代替硅灰。 2.3油漆涂料 油漆工業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，因為它具有化學惰性、高的覆蓋能力、理想的流動性和懸浮性、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，還具有不規則的形狀、有優良的光學性能、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中易乳化等優點，具有很高的遮蓋力。它在油漆工業中主要是代替白色顏料，尤其是二氧化鈦；不同粒度和類型的高嶺土用于不同類型的油漆中：粗粒高嶺土用于需要黯淡光澤或平光漆中，細粒高嶺土則用于產生高光澤的油漆，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、改進涂膜質量。 目前，油漆涂料是我國煅燒高嶺土最大的消費領域，約占總消費量的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) 的優質煅燒高嶺土，據有關資料預計2005年將有9%左右的油漆涂料廠家使用高白度和超細煅燒高嶺土，需求量約15萬噸；2010年將有16%左右的油漆涂料廠家使用高白度和超細煅燒高嶺土，需求量約27萬噸。 3.結語 由高嶺土制備的土聚水泥兼具有有機高分子、陶瓷、水泥的優良性能，又有原材料豐富、工藝簡單、價格低廉、節約能源等優點，是一種環保型“綠色建筑材料”。土聚水泥有望取代傳統的硅酸鹽水泥，在不久的將來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展必將對非金屬礦資源的開發利用，對我國的經濟建設和社會發展產生深遠的影響。 參考文獻 [1] 吳小緩，王文利，我國高嶺土市場現狀及發展趨勢 [J]非金屬礦， 2005（4 ）：1-3 [2] 施惠生，袁玲，高嶺土應用研究的新進展 [J] 中國非金屬礦工業導刊，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用 [J] 深圳大學學報（理工版），2004（2）：183-186 [4] 趙虎，高嶺土在水泥與混凝土工業中的應用 [J] 國外建材科技，2002 （3 ）：5 5 - 5 7 |
| 原作者： 高安平 |
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