偏高岭土

高活性矿物掺合料

偏高岭土（metakaolin，简称MK）是以高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O , 简称AS2H2）为原料，在适当温度下（600～900 ℃）经脱水形成的无水硅酸铝（Al2O3 · 2SiO2 ，简称AS2）。高岭土属于层状硅酸盐结构，层与层之间由范德华键结合，OH- 离子在其中结合得较牢固。高岭土在空气中受热时，会发生几次结构变化，加热到大约600 ℃时，高岭土的层状结构因脱水而破坏，形成结晶度很差的过渡相-偏高岭土。由于偏高岭土的分子排列是不规则的，呈现热力学介稳状态，在适当激发下具有胶凝性。

简介

偏高岭土中的活性成分有水硅酸铝与水泥水化析出的氢氧化钙反应生成具有凝胶性质的水化钙铝黄长石和二次C-S-H凝胶，这些水化产物不仅使混凝土的抗压、抗弯和劈裂抗拉强度增强，而且增加纤维混凝土抗弯韧性。这些由偏高岭土水化生成的产物后期强度仍不断增长，甚至和硅灰的增强作用相当。

掺偏高岭土不影响混凝土的和易性及流动性，在相同掺量且保持同坍落度情况下，掺偏高岭土的混凝土黏稠性较掺硅灰的小，表面易于抹平，比后者可节约25%的高效减水剂。同时掺偏高岭土和粉煤灰的混凝土流动性比单掺的明显增大。当偏高岭土掺量达到水泥量的20%时，能有效地抑制碱一集料反应。

反应机理

偏高岭土是一种高活性的人工火山灰材料，可与Ca(OH)2 (CH)和水发生火山灰反应，生成与水泥类似的水化产物。利用这一特点，在用作水泥的掺合料时，与水泥水化过程中产生的CH 反应，可改善水泥的某些性能。偏高岭土用作混凝土矿物掺合料时，主要是AS2 、CH 与水的反应，随AS2/ CH 的比率及反应温度的不同，会生成不同的水化产物，包括托勃莫来石、水化钙铝黄长石(C2ASH8) 、水化铝酸四钙(C4AH13) 和水化铝酸三钙(C3AH6) 。

处于介稳状态的偏高岭土无定形硅铝化合物，经碱性或硫酸盐等激活剂及促硬剂的作用,硅铝化合物由解聚到再聚合后，会形成类似于地壳中一些天然矿物的铝硅酸盐网络状结构。其在成型反应过程中由水作传质介质及反应媒介，最终产物不像传统的水泥那样以范德华键和氢键为主，而是以离子键和共价键为主、范德华键为辅，因而具有更优越的性能。根据这一矿物特征，将这种经激发得到的类似于水泥的产物称为麦特林水泥(Metakaolin Cement) 。该水泥具有早期强度高的特点，20 ℃养护4 h 的抗压强度达15～20 MPa，而且具有较强的耐腐蚀性和良好的耐久性，在5 %酸性条件下,其强度损失仅为硅酸盐水泥的1/ 13 。

合成

采用Goldon et al(2005)中的化学合成方法来合成偏高岭土，制备工艺过程如下：

(1)用去离子水配制质量分数为5%的聚乙烯醇(PVA)溶液，在热浴炉上加热搅拌24h后待用。

(2)用去离子水和纯度为98%的硝酸铝配制质量分数为50%的Al(NO3)3·9H2O溶液。加热搅拌24h。

(3)将质量分数为50%的Al(NO3)3·9H2O加入到质量分数为24.5%的硅溶胶溶液中加热至90℃搅拌1h后，再加入到步骤(1)中所配置的质量分数为5%的PVA溶液中，使混合溶液的配比为Al2O3·2SiO2·3.5PVA。

(4)将配置好的混合溶液在红外灯下照射并同时加热搅拌12h。最后，干燥12h后混合溶液变成蛋黄色块体，然后将其转至氧化铝研钵中，研磨成粉末。

(5)获得的粉末在800℃下煅烧4 h，升温速率为5°/min。煅烧后粉末的颜色变成白色：理想粉末的化学组成为Al2O3·2SiO2。

(6)以无水乙醇为介质，将粉末球磨10h；经干燥后，最后在800℃下煅烧4h去除偏高岭土中的有机物质，获得偏高岭土。

(7)偏高岭土过100目筛，即获得所需偏高岭土粉体。

应用举例

用于混凝土的偏高岭土是一些经粉磨的细粉材料，即约有一半的颗粒尺寸为2μm，其比表面积约为25000m2/kg。由于其疏水特性，偏高岭土会很容易地被分散到混凝土混合料中。掺入量较低时(约5%)，偏高岭土会增加混凝土的触变性，但不会影响其流动特性。这可以减少泌水，改善自流平特性，并提供较好的平整面。偏高岭土的掺入量可达20%-25%，但这时需要掺入高效减水剂，否则会有过高的水灰比。偏高岭土的掺入会减小水泥浆体初凝和终凝时间，但并不很显著。有研究表明掺量为15%时，初凝时间可由145min缩短至95min，而终凝时间则由200min缩短至180min。偏高岭土的掺入还会加速混凝上早期及后期强度的发展。水灰比较低、胶凝材料用量较高时，偏高岭土的掺入使强度的增加更为明显。

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