偏高岭土的特性与应用

李凯琦^*、陆银平^*、谌世英^*、宋中华^**、史洪涛^**

（^*河南理工大学，河南焦作    ^**焦作市煜坤矿业有限公司，河南焦作）

摘  要: 介绍了偏高岭土的概念、作用、用途和偏高岭土的作用机理，重点介绍了一种早强高强型偏高岭土新产品的试验情况。

关键词: 偏高岭土、高活性偏高岭土、砂浆、早强

1.偏高岭土的概念

偏高岭土——偏高岭土(Metakaolinite，简称MK)是高岭土在适当温度下脱水的产物。在煅烧过程中，当温度达到550℃～950℃时，高岭石中的结构水逃逸，硅氧骨架结构依然保留，Al-OH八面体中的Al³⁺扩散并重新排列，组成Al-O键，由六次配位变成四次配位，形成在常温常压下具有化学反应活性的无定型态物质，既偏高岭土。

高活性偏高岭土——国内有多个生产偏高岭土的厂家，由于各厂家的原料、设备、工艺和生产技术不同，使得偏高岭土的火山灰活性差别很大，严重影响了偏高岭土下游产品的性能和推广应用，所以，我们把依据国标GB/t18736—2002方法测试，活性指数大于110的偏高岭土叫做高活性偏高岭土。焦作市煜坤矿业有限公司和德国巴斯夫的偏高岭土都属于高活性偏高岭土。

2.偏高岭土的作用和用途

偏高岭土中的Al₂O₃和SiO₂可以和水泥水化时产生的Ca(OH)₂反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水泥石矿物，从而具有如下作用：（1）显著提高砂浆的强度和早期强度；（2）拟制碱骨料反应，提高砂浆的抗渗性和抗冻性；（3）拟制砂浆泛碱；（4）减小砂浆收缩；（5）提高砂浆的悬浮性、稳定性和灌浆料的结石率；（6）改善砂浆的保水性，抵抗制品开裂；（7）降低喷射砂浆的喷射回弹率，提高抹面砂浆的可施工性，提高水泥基板材的成型性。

由于偏高岭土的诸多优点，使其在下列产品中具有明显的优势：防水砂浆、粘结砂浆、保温砂浆、抹面砂浆、修复砂浆、自流平砂浆、防水腻子、耐磨地坪、瓷砖胶、填缝剂、石材背胶和灌浆料等。

3.偏高岭土的作用机理

3.1 增强机理

3.1.1改变混凝土矿物组成的增强原理

普通硅酸盐水泥是制备混凝土的主要材料，它的主要矿物成分是硅酸三钙（3CaO·SiO₂，简写成C₃S）、硅酸二钙（2CaO·SiO₂，简写成C₂S）、铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃，简写成C₃A）和铁铝三钙（2CaO·Fe₂O₃-8CaO·3Al₂O₃·Fe₂O₃，简写成C₂F-C₈A₃F）,其中前三个成分是主要的，他们的水化反应如下：

2(3CaO·SiO₂)+6H₂O=3CaO·2 SiO₂·3H₂O + Ca(OH)₂

2(2CaO·SiO₂)+4H₂O =3CaO·2 SiO₂·3H₂O + Ca(OH)₂

3CaO·Al₂O₃+6H₂O = Al₂O₃·3H₂O +3Ca(OH)₂

由上述化学反应方程式可以看出，水泥水化以后，要产生一部分Ca(OH)₂，所以，水泥水化产物可以看作是水泥石（水化硅酸钙和水化铝酸钙）和熟石灰的混合物。

偏高岭土的主要成分Al₂O₃和SiO₂，它们可以和水泥水化时产生的Ca(OH)₂反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，提高混凝土强度，反应方程式如下：

Al₂O₃+nCaO+mH₂O → nCaO﹒Al₂O₃﹒mH₂O（水化铝酸钙）

xCaO+SiO₂+yH₂O → xCaO﹒SiO₂﹒yH₂O+(3-x)Ca(OH)₂(水化硅酸钙)

3.1.2改善混凝土结构的增强原理

在多数混凝土中，粗骨料为石灰岩石子，成分是碳酸钙， Ca(OH)₂在粗骨料周围集中，形成一个力学薄弱界面，影响混凝土强度；偏高岭土大量地消耗了Ca(OH)₂，粗骨料周围的力学薄弱界面减少或消失，混凝土强度提高。

3.2 抗渗机理

3.2.1填充抗渗机理

混凝土主要由砂、石子和水泥组成，从结构上分析，石子的空隙由砂充填，砂的空隙由水泥填充，但是，水泥的细度是250目左右，颗粒直径为80μm，它的空隙相对于水分子而言仍然是很大的，是水渗透的良好通道；偏高岭土的粒径是10μm，对水泥颗粒形成的空隙进一步充填，提高密实性，抗渗性增强。

3.2.2消除次生通道的抗渗机理

在普通混凝土中，约有水泥总量20-30%的空间由Ca(OH)₂占据，它溶于水后形成渗水通道，即次生通道，影响混凝土的密实性。偏高岭土与Ca(OH)₂反应生成不溶于水的水泥石，减少或消除了水的次生通道，抗渗性增强。

3.3 抗泛碱机理

泛碱是水泥基制品表面出现一层白色的粉状物体。主要成分是碳酸钙、碳酸钠、硫酸钙和硫酸钠等，所以又叫泛霜、泛白或泛盐。泛碱在彩色砂浆、抹面砂浆、耐火浇注料、柔性瓷砖和混凝土预制件等产品中普遍存在。

碱的来源主要是普通硅酸盐水泥或高铝水泥和有机配料。碱从砂浆（或其它产品）内部向外运移的方式主要是钠盐、钙盐或氢氧化钠、氢氧化钙等，既泛碱的物质在溶液状态时主要有钠盐（碱）和钙盐（碱）两种形式。

偏高岭土可以和钙盐（碱）形成水化硅酸钙和水化铝酸钙，使其沉淀，所以，偏高岭土可以有效地拟制钙盐（碱）的运移和泛碱现象的发生。在浇注耐火材料、粘结砂浆、腻子和瓷砖胶等领域的配方实践都证明偏高岭土抗泛碱效果是显著的。钠和钾的盐（碱）在常温常压下的溶解度都非常大，很难找到一种在常温常压下使钾钠沉淀的物质，偏高岭土也做不到这一点。也就是说，如果我们把泛碱分成泛钙和泛钠两种类型，偏高岭土具有抗泛钙的作用，而没有抗泛钠的效果。因此，抗泛钠技术只能另辟新径或从控制配料中可溶性钾钠含量入手解决。

4.早强高强型偏高岭土的应用

最近几年来，我们一直致力于偏高岭土新产品开发，初步研制了两款偏高岭土新产品，现将它们的性能和应用情况介绍如下。

4.1 早强高强型偏高岭土

早强高强型偏高岭土用于粘结砂浆和自流平砂浆，也可用于其它砂浆及水泥基新材料中，建议用量3%。它的主要作用是提高制品的强度和早期强度。该产品特别有利于改善粘结砂浆与EPS板或聚丙泡沫板的粘结性，从而显著提高拉拔强度。我们做的抗折抗压强度对比试验见表1。

表1 早强高强型偏高岭土在粘结砂浆中的对比试验

注释：（1）基本配方：P.O 42.5水泥45%，河砂44%，重质碳酸钙8%，纤维素醚0.5%，胶粉2.5%；（2）用外加剂等量替代重质碳酸钙。

4.2 早强型偏高岭土

早强型偏高岭土用于瓷砖胶和填缝剂，也可用于其它砂浆及水泥基新材料中，建议用量1%。它的主要作用是提高制品的早期强度。我们做的抗折抗压强度对比试验见表2。

表2 早强型偏高岭土在瓷砖胶中的对比试验

注释：（1）基本配方：P.O 42.5水泥43%，河砂35%，重质碳酸钙20%，纤维素醚0.5%，胶粉1.5%；（2）用外加剂等量替代重质碳酸钙。

5.结论

（1）偏高岭土是一种性能优良的高活性矿物掺合料，对砂浆及其他水泥基制品的强度、耐久性、抗渗性、抗开裂性、保水性、悬浮性、抗泛碱性都有很好的改善作用。

（2）国内的偏高岭土鱼目混珠，应该选择正规厂家生产的质量稳定的高活性偏高岭土，否则，很难达到预期效果。

（3）早强高强型偏高岭土具有特殊的功效，建议在瓷砖胶、勾缝剂、防水砂浆、自流平砂浆等产品中使用，特别是在粘结砂浆中使用该款产品时，可能会得到更为显著的增强效果。