偏 高 岭 土 在 水 泥 混 凝 土 中的应 用 研 究 现 状 邓 岗 ，胡 江( 云 南省 建 筑科 学研 究 院 昆 明 6 5 0 2 2 3 ) 摘 要 ：简要 介 绍 了偏 高岭 土 的组 成 和特性 ，并 对偏 高岭 土的反 应 机 理 和在 水 泥 混凝 土 中的应 用进 行 了 介绍 ，偏 高岭 土具有 许 多优 异性 能 ，是 一种 具 有 广 阔发展 前 景 的功 能矿 物掺 合 料 。 关键 词 ：偏 高岭 土 ；混 凝 土性 能 ；矿物 掺合 料 0 引 言 型的化学组成如表 1 所示 。 偏 高 岭 土 ( Me t a k a o l i n) 是 高 岭 土在 适 当温 度 下 脱 水后 形成 的无 定形 无 水硅 酸 铝。高岭 土在 6 0 0 9 0 0 之 间进 行 热处 理 ，使高 岭 土 中存 在 于 硅 氧 四 面 体 和 铝 氧八 面 体 结 构 间 的 OH一 基 脱 去 ，这 种脱 去 OH一 基 的 高 岭 土 虽 然 仍 能保 持原 先 的 层 状 结 构 但 其 原 子 间 的排 列 已发 生较 大 的位 错 ，形 成 了 以无 定 形 过 渡 相 为 特 征 的 物 质 ，即 偏 高 岭 土 。 这 种偏 高岭 土 呈 现 热 力学 介 稳 状 态 ，因此 ，具 有 较 高 的反 应 活性 。 偏 高岭 土 对 C a ( O H) ： 有 较 高 的吸 收 能 力 。人 们 利 用 偏 高 岭 土 这种 性 能 将 其 用 作 混 凝 土 和 砂 浆 的矿 物 掺 合 料 ，以克 服 硅 酸 盐 水 泥 因水 化 过 程 中 产 生 Ca ( OH) ： 而 引 起 的 耐 久 性 差 ，特 别 是 抗 硫 酸 盐 性 能低 下 的 问题 ，以及 GRC ( 玻 璃 纤 维 增 强 水 泥 制 品 ) 的耐 久性 差 一 些抹 面 砂 浆表 面 形成 难 看 的 白色 斑 点 以及 在 用 水 泥 砂 浆 粘 贴 的 石 材 或 瓷 砖 中流 淌 出 的斑痕 等 问题 。 偏 高岭 土在 碱 ( Na + ，K+ ，OH一 ) 存在 的情 况下 ， 硅 氧 四面体 和铝 氧 四面 体 会 发 生 聚 合 反 应 ，逐 渐 形 成 三 维连 续 网络 结 构 。人 们 利 用 这 种 性 能 开 发 了一 系列 新 材 料 和 新 用途 。如 被 誉 为新 一 代 绿 色 胶凝 材料 的 土聚 水泥 ，重金 属 和 核废 料 的 固结 剂 ， 克 服碱 骨料 反 应 ( AS R) 的混 凝 土外 加 剂 ， 防火 涂 料 ，耐火 材料 改性 添 加剂 ，合成 4 A o 沸 石等 。 1 偏 高岭土的特性 偏 高岭 土作 为 1种 用 于水 泥 混 凝 土 中 的矿 物 掺合料 ，主要 具有 以下一 些物 理 化学 特 性 ： 1 1 化学 组成 偏 高岭 土 主 要 以无 定 形 结 构 形 式 存 在 ，其 典 7 表 1偏 高 岭 土 的 化 学 成 分 检验项 目 S i 0 2 A 【 3 F e N a C a O M s o K 2 0 百分含量， 4 6 5 2 3 8 4 6 1 5 ( 1 0 1 0 ( 0 5 1 0 1 2 物 理 性 能 偏 高岭土 的密度一般 在 2 5 2 7 g c m， ；颜 色 为 白 色或亚 白色 ，粉色 ，灰色 ；堆积密 度 0 4 0 6 g c m 。 1 3 火 山灰 活 性 偏高 岭土 的火 山灰活 性主要 是 指其对 C a ( OH) ： 的吸收能力 。在混凝土 中 ，硅酸盐水泥水化时会产生 大量的 C a ( OH) ： ，而混凝土 中存在 的大量 Ca ( OH) ： 是 混 凝 土 抗 侵 蚀 性 低 ，耐 久 性 差 的 主要 原 因 之 一 ， 也 是 水 泥 饰 面 砂 浆 产 生 斑点 的重 要 原 因 。高 活 性 偏 高 岭 土 具有 强 烈 吸 收 Ca ( OH) 的 能 力 ，表 2列 举 了几 种 不 同矿 物掺 合料 的火 山灰 活性 【 l 1 。 表 2几 种 不 同矿 物 掺 合料 的 火 山灰 活 性 矿物掺合料 火山灰活性 m g C a ( 0 H) ， g 高炉矿渣 粉煤灰 硅灰 煅烧矾土 煅烧纸浆废液 高活性偏高岭土 普 通 硅 酸盐 水 泥 ( OP C) 与 偏 高 岭 土 ( AS ： ) 的化 学 反 应 式 如 下 ： O P C+ H O c s H+ C H( 水 泥水 化过 程 ) AS + c H+ H2 0 一 c 2 AS H8 + CS H( 火 山灰 效应 ) 式 中 ： C为 C a O；H 为 H2 O；A 为 Al 2 03 ；S为 Si O2 。 由于 偏 高岭 土 具 有 良好 的火 山灰 活性 ，为 配 置 具有 高耐久 性 混凝 土 提供 了理 想 的技 术途 径 。 遭 懒寺匀 2 D ， o 年第 期 瑚 1 4 碱 激 发 活 性 偏 高 岭 土 中处 于 介 稳 状 态 的无 定 形 硅 铝 化 合 物 在 含 Na OH，KOH，Na 2 S i O3 ， K2 S i O3等 碱 性 物 质 的 水 溶 液 中 会 发 生 解 聚 到 再 聚 合 的 胶 凝 过 程 。 偏 高岭 土 中 的硅 氧 四 面体 和 铝 氧 四面 体 在 碱 存 在 的情 况 下 发 生 聚合 反 应 ， 由初 始 的单 聚 体 、双 聚体 、三 聚 体 逐 渐 发 展 为 三 维 空 间 的 网络 结 构 ， 使 材 料 产 生 强 度 。这 种 胶 凝 性 的强 弱 ，取 决 于 高 岭 土 中 S i O： 和 Al o 在 碱 性 溶 液 中 的 可 溶 性 ，一 般把 这种性 能称 为偏 高岭 土的碱激 发活性 圜 2 0世 纪 7 0年 代 末 ， 法 国 J o s e p h Da v i d o v i t s教 授 在对 古建 筑 的研 究 过程 中发 现 ，耐 久 性 好 的古 建筑 物 中有 架 状 结 构 的 硅铝 酸 盐 化 合 物 存 在 与 构 成地 壳 的物 质 结 构 相 似 即为 含 有 大 量 硅 铝 链 的“ 无机聚合物” ， 并称之谓土壤聚合物( Ge o p o l y me r ) ， 在此 基 础上 ，D a v i d o v i t s教 授将 偏 高 岭 土用 碱 激 活 的方 法 ，开 发 了一 类新 型胶 凝 材 料 ，即土 聚 水 泥 ( Ge o p o l y me r i c c e me n t ) 。 由于 土 聚水 泥使 用 大 量 排 放 C O：的石 灰 石 为 原 料 ，而 且 ，偏 高 岭 土 仅 需 6 0 0 9 0 0 低 温 脱 水 处 理 。 与 需 要 1 4 5 0 C 煅 烧 的 硅 酸 盐 水 泥相 比 ，大 幅降 低 了能 耗 ，减 少 了 环 境 污染 ，被认 为 是一 种 2 1世 纪 具有 广 阔开发 前 景 的 新一 代 绿色胶 凝 材料 。 碱 激 发 高 岭 土 胶 凝 材 料一 土 聚水 泥 ，比硅 酸 盐水 泥具 有 更 好 的 耐 久性 和更 多 的功 能 性 。如 不 会 产 生 碱 集 料 反 应 ； 具 有 优 良 的 抗 硫 酸 盐 、抗 氯 离 子 侵蚀 性 ；具 有 耐 热 和 防火 功 能 ；具 有 比硅 酸 盐水 泥更 有 效 的 固 结 核废 料 和 重 金 属 以及 有 毒 废 渣 的功 能 ；具 有 快硬 高 强性 能 等 。在 法 国 、德 国 、 美 国等 发 达 国家 已有 多 种 产 品 问 世 ，如 美 国 的 P YRMEN T牌 水 泥 ，法 国 的 GE oP L Yc E RAM 牌 陶 瓷 ， 德 国 的 T RO L I T牌 粘 结 剂 等 。 总 之 ， 土 聚 水 泥 已成 为 当今 各 国材料 工作 者 关 注 的热 点 之一 。 偏 高 岭 土 在 碱 激 发 的情 况 下 ，其 中 的 硅 氧 四 面 体 和 铝 氧 四面 体 可 以 形成 笼 形 结 构 的 4 Ao 沸 石 而 具 有 吸 附性 和 离 子 交换 性 ，是 洗 衣 粉 中 三 聚磷 酸钠 的理想 替代 品 。 1 5 微 米级 颗粒 的填 充效应 高 活 性偏 高 岭土 是 一 种 微 米 级 颗 粒 的微 细 粉 体 ，又具 有 较高 的反 应 活性 ，它 可 以像 硅 灰 一样 ， 用 于建 筑 混 凝 土 中作 为微 细 活性 矿 物 填 料 ，配 制 国l才 盔 李寺 匀 2 0 1 0 -ff - g 期 高性 能混 凝 土 。用 于 耐 火材 料 ，尤 其 是 耐 火 浇 注 料 中 ，可 以部 分 代 替 硅 灰 或 仅一 A I ： 0 微 粉 ，配 置 高 性 能低水 泥 耐火 浇 注料 。 1 6 优 良 的 涂 抹 性 能 具 有 微 米 级 颗 粒 的高 活 性 偏 高岭 土 对 OH一 基 有 良好 的亲 合 力 ，在 配 制 砂 浆 或 涂抹 料 时 ，加 入 少量 偏高 岭 土 ，可 以 明显 改 善施 工性 能 。 1 7 耐 热 和 防 火 性 能 偏 高 岭 土 的 主 要 成 分 是 无 定 形 Al ： o。 和 S i O ， 其 耐火 度 大于 等 于 1 5 8 0 ： C，而 且 在加 热 过 程 中不 会 发 生诸 如 因 晶形转 化 引起 的体 积 变化 。 用 碱 激 发 的 偏 高 岭 土 。具 有 低 的 导 热 系 数 0 2 4 0 3 8 W ( m k) 】和 优 良 的涂 抹 性 ，开 发 绿 色 无 机 防 火 涂 料 前 景 可 观 。 2 偏 高 岭 土 在 水 泥 混 凝 土 中的 应 用 2 1 偏 高 岭 土 与 硅 酸 盐 水 泥 的 反 应 偏 高 岭 土 加 入 硅 酸盐 水 泥 中 ，与水 泥水 化产 物 Ca ( OH) ： 发 生 反 应 ，生成 的水 化 产 物 与 水 泥 的 水 化产 物类 似 ，起 辅 助胶凝 材 料 的作用 ，M Mu r a t 等 研 究 了偏 高岭 土作 为混凝 土 矿物 掺合 料 时 的水 化 反 应 ，随着 偏 高 岭 土 ( AS ： ) 与 C a( OH) ： ( C H) 的 比 例 不 同和 温 度 不 同 ，会 生 成 不 同 的水 化 产 物 ， 包 括 托勃 莫 来 石 ( C S H一1 ) ， 水 化 钙 黄 长石 ( c 2 AS H。 ) 及 少 量水 化铝 酸 钙。 当 AS J CH= 0 5， AS 2 +6 CH+9H C4 AHI3 +2 CS H 当 AS J CH= 0 6， AS 2 +5 CH+3 H C， AH 6 +2CS H 当 AS J CH=1 0， AS 2 +3 CH +6 H- C2 AH 8 +CS H 2 2 偏 高 岭土水 泥 混凝 土 中 的作用 ( 1 )加 速 水 泥水 化 反 应 ：由于 偏 高 岭 土 中的 活 性 S i O： 和 Al 2 0 ， 能 迅 速 与 硅 酸 盐 水 泥 水 化 产 生 的 C a ( OH) ： 于 反应 ，使 液 相 中 Ca ( OH) 浓度 迅 速 降低 从 而 促 进 了 硅酸 盐 水 泥 的进 一 步 水 化 。所 以 ，加 入 偏 高 岭 土 的硅 酸盐 水 泥 具 有