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(lǐng)域國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進展。
關(guān)鍵詞：高嶺土 偏高嶺土 土聚水泥 混凝土 涂料
中圖分類號:TD873+.2 文獻標識碼：A
１.前言
我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)并在工業(yè)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(chǎn)地統(tǒng)計，基礎(chǔ)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?shù)装寤騿为毿纬傻V層獨立存在，其中以內(nèi)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(chǎn)國，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)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(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(fā)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(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“無機聚合物”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)土聚水泥具有有機高聚物的鏈接結(jié)構(gòu)，但其基本結(jié)構(gòu)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(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。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(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。
這些礦物形成了獨特籠形結(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(guī)則的，呈現(xiàn)熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài)，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(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，因為它具有化學(xué)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(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，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(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、改進涂膜質(zhì)量。
目前，油漆涂料是我國煅燒高嶺土最大的消費領(lǐng)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(yōu)質(zhì)煅燒高嶺土，據(jù)有關(guān)資料預(yù)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(jié)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(yōu)良性能，又有原材料豐富、工藝簡單、價格低廉、節(jié)約能源等優(yōu)點，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)展必將對非金屬礦資源的開發(fā)利用，對我國的經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展產(chǎn)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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J]非金屬礦， 2005（4 ）：1-3
[2] 施惠生，袁玲，高嶺土應(yīng)用研究的新進展 [J] 中國非金屬礦工業(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（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] 國外建材科技，2002 （3 ）：5 5 - 5 7
關(guān)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(fā)現(xiàn)并在工業(yè)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(chǎn)地統(tǒng)計，基礎(chǔ)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?shù)装寤騿为毿纬傻V層獨立存在，其中以內(nèi)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(chǎn)國，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)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(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(fā)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(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“無機聚合物”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)土聚水泥具有有機高聚物的鏈接結(jié)構(gòu)，但其基本結(jié)構(gòu)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(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。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(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。
這些礦物形成了獨特籠形結(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(guī)則的，呈現(xiàn)熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài)，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(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，因為它具有化學(xué)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(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，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(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、改進涂膜質(zhì)量。
目前，油漆涂料是我國煅燒高嶺土最大的消費領(lǐng)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(yōu)質(zhì)煅燒高嶺土，據(jù)有關(guān)資料預(yù)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(jié)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(yōu)良性能，又有原材料豐富、工藝簡單、價格低廉、節(jié)約能源等優(yōu)點，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)展必將對非金屬礦資源的開發(fā)利用，對我國的經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。
參考文獻
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