摘要：本文采用水玻璃來激發(fā)增鈣煅燒后的福建高嶺土的活性。用石灰吸收法測定了增鈣煅燒高嶺土的最佳溫度；通過凈漿成型測試試樣的抗壓強度，研究了增鈣煅燒過程中，氧化鈣摻量、水化過程中水玻璃模數以及水玻璃的摻加量對高嶺土活性激發(fā)的影響。實驗結果表明，用水玻璃激發(fā)福建高嶺土的活性，最佳活化方式為：氧化鈣摻量15%，水玻璃模數1.0，堿摻量8%。
關鍵詞：水玻璃，高嶺土，增鈣煅燒
中圖分類號： TQ172 文獻標識碼：A 文章編號：
高嶺土主要由小于2um 的微小片狀，管狀，疊片狀等高嶺石簇礦物(高嶺石等)組成，是硅酸鹽礦物如長石、云母和輝石在各種不同的自然地理環(huán)境中的分解產物[1]，其主要礦物成分是高嶺石和多水高嶺石，除高嶺石簇礦物外，還有蒙脫石、伊利石等其他礦物。高嶺石在我國有豐富的儲藏，現(xiàn)已探明地質儲量約30 億噸，產量占世界總量的78%，主要分布在粵、桂、贛、閩、蘇等地區(qū)[2]。雖然資源廣闊，但其開采加工技術和能力，還處于初級階段。
因此，高嶺土的有效利用和處置成為可持續(xù)發(fā)展的重要課題。在利用高嶺土生產優(yōu)質建筑材料方面，通過激發(fā)高嶺土的活性并將其作為水泥混合材使用，將成為處理高嶺土的一種有效途徑[3-5]。
本文在采用增鈣煅燒方式以及使用水玻璃作為激發(fā)劑對高嶺土的活性進行了激發(fā)，對增鈣過程中氧化鈣摻量，水化過程中水玻璃的模數和摻量對試樣抗壓強度的影響進行了分析，為堿激發(fā)高嶺土制備膠凝材料提供理論依據。
1 原材料
本實驗采用的高嶺土來自福建高嶺土公司，化學成分見表1。
表1 原料的化學成分 wt%
Table 1 Chemical composition of raw materials wt%
激發(fā)劑水玻璃(Na2O·nSiO2)來自南京燕子嘰刨花堿廠，半透明狀粘稠液體，模數為2.5，其化學成分見表2。
表2 水玻璃的化學成分
Table 2 Chemical composition of water glass wt/%
2 樣品的制備與測試方法
2.1 偏高嶺土的制備
根據高嶺土的差熱曲線，如圖1 所示，其脫水范圍在600～900℃，995.5℃形成莫來石與方石英[6]。因此將增鈣高嶺土分別在5 個溫度點(600℃，700℃，800℃，850℃，900℃)進行煅燒。
圖1 福建高嶺土的DSC 譜圖
Fig. 1 DSC patterns of Fujian kaolin
2.2 水玻璃模數的調整
水玻璃組成Na2O·nSiO2 中的n 是二氧化硅和堿金屬氧化物的摩爾比，即模數。水玻璃按下列公式調節(jié)得到實驗所需要的模數（1.0、1.5、2.0）：
G－－加入的氫氧化鈉的質量；G1－－選用水玻璃的質量；N－－水玻璃中氧化鈉的百分含量；M1－－水玻璃初始模數；M2－－水玻璃目標模數；P－－氫氧化鈉純度。
2.3 測試方法
2.3.1 最佳溫度點的測試方法
將高嶺土外摻10%石灰石（以CaO 計）在設定的5 個溫度點(600℃，700℃，800℃，850℃，900℃)下煅燒，保溫2h。將煅燒后的試樣以0.5 的水灰比成型，60℃下養(yǎng)護至一定齡期（1d、3d、7d、28d）。取出試樣，用酒精浸泡，放在研缽里磨細至全部通過0.8mm 方孔篩，抽濾，在60℃干燥后，進行Ca(OH)2 含量測定。Ca(OH)2 生成量的測定參照水泥熟料中游離氧化鈣的測定方法-甘油乙醇法。
2.3.2 水玻璃及堿摻量確定的測試方法
將配置好的一定模數的水玻璃按照設定堿摻量（以Na2O 引入量計算）與增鈣煅燒后的高嶺土混合攪拌，按照0.5 的水灰比，采用2.0cm×2.0cm×2.0cm 試模凈漿成型，置于20±3℃的水汽室中24h 后脫模，然后置于20±2℃水浴中，養(yǎng)護規(guī)定齡期后取出測試試樣強度。按設定齡期（3d、28d），將試樣在NYL-600 型壓力試驗機上測定抗壓強度。用日本電子公司生產的JSM-5900 型的掃描電鏡對選擇試樣的形貌進行觀察。
3 實驗結果分析
3.1 增鈣煅燒高嶺土樣的Ca(OH)2 含量
在600℃，700℃，800℃，850℃，900℃五個溫度點下煅燒后的試樣成型后，按齡期測得各個組的Ca(OH)2 含量，實驗結果如表3 所示。
根據表3 的結果分析可知，試樣隨著養(yǎng)護齡期的延長，氫氧化鈣的量在逐漸減少。其中850℃下各試樣在各齡期中氫氧化鈣含量都為最少，該增鈣樣與氧化鈣反應更加完全。所以，確定850℃為最佳活化溫度點。以下使用的高嶺土均為在850℃下煅燒，保溫2h 制備。
表3 Ca(OH)2 測試結果
Table 3 Results of the experiment of Ca(OH)2
3.2 氧化鈣摻量以及堿摻量對強度的影響
在相同的水玻璃模數下，改變煅燒時摻入CaO 的量，由表4，A~F 六組的抗壓強度可知，隨著氧化鈣摻入的增多，抗壓強度提高。但當摻入量達到20%時，抗壓強度反而低于摻加15%CaO 的試樣。堿膠凝材料的強度并沒有隨氧化鈣摻入量升高，而不斷增強，這與高嶺土的煅燒過程有關。高嶺土在煅燒過程中，100-200℃高嶺土失去吸附水，500-800℃發(fā)生脫水反應[7-8]。脫水后的高嶺土的結構處于一種無定型的不穩(wěn)定狀態(tài)，主要成分為能與Ca（OH）2 反應的SiO2 和Al2O3。增鈣煅燒過程中高嶺石脫水分解后與氧化鈣反應生成活性礦物C12A7 和C2S，而且摻加的鈣含量的增加有助于活性礦物的生成。在水化反應中，當煅燒高嶺土溶出的活性SiO2、Al2O3 與Ca（OH）2 反應直至系統(tǒng)中的SiO2、Al2O3 消耗至盡后，則CaO 的增加不能繼續(xù)提高試樣的強度。相反，由于CaO 的富余，試塊中的含堿較多的游離水向試塊表面滲透，在表面吸收空氣中的CO2，生成CaCO3，蒸汽養(yǎng)護中的蒸汽又滲透到試塊的空隙中，使得試塊的強度有所降低。
表4 同一模數下試驗結果 M=1.0
Table4 Result of the experiment under the same modulus M=1.0
由表4，在相同的水玻璃模數下，試樣的抗壓強度隨著水玻璃摻入的量增加而增大，但當摻入量超過9%后，呈現(xiàn)下降趨勢?？赡苁怯捎谠谒暮笃冢琋a+積極與參與Ca2+、Mg2+等陽離子交換反應形成含堿的CSH 凝膠，它的本征強度不及無堿的CSH 高，也可能是Na2O 與已形成的水化相再結合形成沸石類水化物及霞石類的水化鋁硅酸鹽，這些物質的形成使先期生成的CSH 凝膠有晶化的趨勢，從而使強度降低。
通過實驗，我們得出：CaO 最佳摻量為15%。相同模數下，堿（以Na2O 計）的最佳摻量為8%。
3.3 水玻璃模數對抗壓強度的影響
表5 為在相同的CaO 摻量下，改變水玻璃的模數和含量對試樣抗壓強度影響的實驗結果。從H～M 六組實驗的結果可看出，在相同的CaO 和堿摻量下，隨著水玻璃模數的提高，試樣的抗壓強度呈下降趨勢?？梢?，水玻璃模數對抗壓強度有較大的影響。
大多數學者認為堿-偏高嶺土凝膠材料的反應過程為：溶解、定向遷移和縮聚[9]，所以反應的速率與水玻璃中SiO2 的形態(tài)有很大關系。當水玻璃模數為0.75~1 時，其中的SiO2的聚合度（濃溶液）為2～4，有利于堿-偏高嶺土膠凝材料的縮聚反應。此外，當模數為0.75～1 時，偏高嶺土在這種堿濃度下的溶解速度可能與反應產物形成速度相匹配，所以抗壓強度發(fā)展速度最快。當水玻璃模數增大，SiO2 的初始聚合狀態(tài)不利于縮聚反應，偏高嶺土的溶解速度減慢，不利于強度的形成[10]。因此，激發(fā)福建高嶺土水玻璃的最佳模數為1.0。
表5 不同模數下的實驗結果
Table5 Result of the experiment under different modulus
3.4 水玻璃激發(fā)高嶺土活性的SEM 分析
圖 2 水化樣的SEM 圖
Fig. 2 SEM photographs of samples
以C2：高嶺土+15%CaO+7%水玻璃(以Na2O 計)；F2：高嶺土+15%CaO+10%水玻璃(以Na2O 計)的水化樣來分析水玻璃激發(fā)增鈣煅燒的高嶺土的3d 和28d 水化產物。試樣在模數為1.0 的水玻璃的激發(fā)下成型。
圖2 是水玻璃激發(fā)高嶺土活性的試樣C2 和F2 水化3d 和28d 后的SEM 圖。水化3d 后，C2 和F2 試樣表面都有一些凝膠出現(xiàn)，并且留有較多的高嶺土顆粒。基體水化未完全，表面較為疏松。水化28d 后，隨著反應的進行，水化產物的增多，基體更加密實。很明顯，試樣F2 由于摻入了較多的水玻璃，反應相對較易進行，反應28d 后，與試樣C2 相比較，表面未水化的顆粒較少，并且基體更加密實。這與前面強度測試的結果一致，堿含量越高，水化越容易進行，試樣的抗壓強度相對較高。
4 結論
?。?）為提高堿激發(fā)高嶺土的活性，將其進行增鈣煅燒。實驗結果顯示，增鈣煅燒福建高嶺土的最佳溫度為850℃。
（2）氧化鈣的摻量、水玻璃的模數和堿摻量對高嶺土活性的激發(fā)具有較大的影響。隨著氧化鈣摻入的增多，抗壓強度提高。但當摻入量達到20%時，抗壓強度反而低于摻加15%CaO 的試樣；在相同的水玻璃模數下，試樣的抗壓強度隨著水玻璃摻入的量增加而增大，但當摻入量超過9%后，呈現(xiàn)下降趨勢；在相同的CaO 和堿摻量下，隨著水玻璃模數的提高，試樣的抗壓強度呈下降趨勢。
?。?）通過實驗得出，用水玻璃激發(fā)福建高嶺土的活性，最佳活化方式為：氧化鈣產量為15%，水玻璃模數為1.0，堿摻量為8%。
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Study on the Added-Calcium Kaolin Activated by Water-Glass
LI Dong-xu，XUAN Qing-qing，TAO Xing
(College of Material Science and Engineering, Nanjing University of Technology Nanjing 210009)
Abstract: The activation of the added-calcium Kaolin which was activated by water-glass was studied in thisarticle.The best calcination temperature was tested by the Lime imbibition method. The addition of the calcium,the amount and modulus of the water-glass was determined through testing the compressive strength of the paste.The results show, when added 15 %calcium and 8% water-glass which modulus was 1.0,the activation of Fujiankaolin was best activated.
Key words: water-glass, kaolin, calcination with calcium
