膨潤土改性膠凝材料在建筑材料中的應用

　　水泥、石灰等傳統膠凝材料在生產、施工、性能方面存在許多不足，如生產能耗大、成本高，造成環境壓力；施工過程易泌水、離析；硬化后易產生裂縫，且吸濕保溫性不良。膨潤土是一種常見的工業粘土，屬于天然火山灰質材料，其由于獨特的礦物結構、結晶化學性質，具有陽離子交換性、膨脹性、觸變性、穩定性、可塑性、粘結性、吸附性、分散性。膨潤土改性水泥、石灰等膠凝材料在土木工程、巖土工程、水利工程、礦山充填等領域的應用越來越多。

　　膨潤土改性膠凝材料應用于建筑材料的研究

　　膨潤土制備水泥

　　在水泥被發明之時，人們就懂得在原材料中加入粘土來提高水泥的水化硬化性能，兩百年以來，相關學者嘗試了用不同種類、不同地區、不同摻量、不同活化方式的粘土來制備水泥。

　　通常情況下，煅燒膨潤土具有火山灰活性，可以用來制備水泥，且水泥的強度、耐久性等均符合標準，未經煅燒的膨潤土不能作為火山灰質混合材料用于生產水泥。但對于個別未經熱處理的膨潤土，由于其本身具有微活性，不經煅燒可直接摻入水泥中，但其允許摻量遠小于煅燒膨潤土。此外，某些煅燒膨潤土具有火山灰活性，但其摻入水泥中反而會降低水泥的抗壓強度。膨潤土種類繁多，在用于制備水泥前應經充分驗證。

　　Tironi等對阿根廷兩個不同地區的膨潤土進行煅燒，通過火山灰性實驗、石灰消耗、電導率三種火山灰活性實驗，均表明兩種煅燒膨潤土具有火山灰活性。將兩種煅燒膨潤土作為活性添加劑替代30%水泥，并分別制備兩種砂漿，兩種砂漿相同齡期(7d、28d、90d)的抗壓強度相差不大，且均較未摻入煅燒膨潤土的對照水泥砂漿強度低10%以上。

　　膨潤土改性砂漿類材料

　　葡萄牙的土制建筑歷史悠久，目前還存在大量土制建筑，但是材料退化已經影響了土制建筑的外飾面。葡萄牙屬于伊比利亞半島，是典型的亞熱帶地中海氣候區，夏季受副熱帶高氣壓帶控制，導致夏季陸地上炎熱干燥，缺乏濕度。而膨潤土是一種天然火山灰質礦物材料，成本較低，具有高吸附能力和保水能力，能夠在低濕度條件下發揮其火山灰活性。

　　葡萄牙學者Andrejkovicova將膨潤土作為石灰砂漿天然添加劑用于修復該國老舊的粘土坯建筑表面。用膨潤土替代質量分數為5%的石灰制得膨潤土石灰砂漿(BAL)，通過對28d、90d、180d的BAL分別進行X射線衍射(XＲD)分析，均未檢測到火山灰產物，但這并不能證明膨潤土沒有火山灰活性，只能說明膨潤土和氫氧化鈣之間的反應發展水平比較低。因為，通過掃描電鏡(SEM)對28d齡期BAL進行觀察，發現有針狀硅鋁酸鈣顆粒形成，并通過X射線能譜分析(EDS)可知，存在Ca、Si、Al、Mg、O等元素，證實針狀物為硅鋁酸鈣。硅鋁酸鈣產物表明膨潤土具有火山灰活性，X射線衍射未分析出火山灰活性產物是由于膨潤土和氫氧化鈣之間的反應發展水平較低造成的。

　　膨潤土改性混凝土類材料

　　在混凝土生產過程中，為節省水泥、減少二氧化碳排放，往往會在混凝土生產過程中加入粉煤灰、高爐礦渣等工業廢料作為輔助膠凝材料，進而減少水泥的消耗。

　　早在2009年，巴基斯坦學者Mirza為降低該國的混凝土生產成本，嘗試將該國喀拉克地區膨潤土摻入普通硅酸鹽水泥砂漿或混凝土中，同時研究了膨潤土在砂漿和混凝土中的反應活性，并對膨潤土在砂漿和混凝土中的最佳替代水平進行耐久性評價。X射線衍射圖譜表明，膨潤土具有結晶相和非晶相，非晶相成分使膨潤土具有火山灰活性。摻入經過150℃煅燒的膨潤土的混凝土強度高于摻入未經過煅燒的膨潤土的混凝土。摻入膨潤土，砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性得到了持續的改善。隨著膨潤土取代率由20%提高到40%，混凝土的斷裂模量均呈下降趨勢，但延性增加，地震時能夠耗散能量，利于建筑抗震。結果表明，將膨潤土作為水泥的替代品摻入砂漿和混凝土中，降低了成本、能源消耗、溫室氣體排放，將自然資源的消耗降到最低，同時改善了材料的抗震性能。

　　膨潤土制備陶粒等燒結類材料

　　燒結陶粒作為一種輕集料，輕質高強、保溫隔熱性能好，在輕質混凝土、輕質磚瓦等建材領域、污水過濾方面都有著廣泛應用。目前主要采用粉煤灰、頁巖、廢水污泥等與粘土混合制備陶粒。隨著國家大力發展固廢利用，部分學者開始研究以金屬尾礦材料、廢玻璃、珍珠巖、膨潤土等制備輕質高強陶粒。

　　鑒于膨潤土具有粒度細、粘結性好的特性，常被用作粘結劑或用于調節拌合物的硅鋁比，保證了混合料具有足夠的塑性制粒。張雪華等以珍珠巖尾礦、高嶺土、膨潤土和廢玻璃為主要原料，制備了輕質高強陶粒。李曉光等以低硅鐵尾礦、膨潤土及鋁礬土制備輕質陶粒，其中，膨潤土作為粘結劑、輔助材料。大部分研究是通過正交試驗得出材料的預熱溫度和時間、燒結溫度和時間、升溫速率等最佳制備條件，并對陶粒堆積密度、吸水率和顆粒強度等結構及性能進行了表征。

　　膨潤土改性相變材料和保溫材料

　　相變材料是一種儲能材料，加熱時能夠吸熱并儲存熱量，停止加熱后又能釋放熱量。最初用在建筑中的相變材料是作為一種墻體材料來吸收太陽能，后來又將相變材料進行封裝用于地板及其他圍護結構中，調節建筑溫度，改善房屋舒適度并節約能源。膨潤土具有吸附能力強，與水泥、砂漿、混凝土具有良好的相容性和化學惰性等優點，另外，豐富的膨潤土儲量使其成本低廉，故膨潤土是生產膨潤土基定型復合相變材料的理想基質。

　　Sar 選取癸酸(CA)、聚乙二醇-600(PEG600)、十二烷醇(DD)和十七烷(HD)四種有機相變材料與膨潤土復合，開發了四種新型膨潤土基定型復合相變材料(Bb-FSPCMs)，由熱重分析(圖9)可知，四種膨潤土基相變材料的耐熱性明顯高于不含膨潤土成分的純有機相變材料。相變材料的導熱系數是影響相變蓄熱系統蓄能和釋能功率的重要因素之一。由于傳統相變材料的導熱系數較低，需要更多的時間來儲存和釋放熱能。這就意味著熱能存儲裝置在蓄放熱過程中工作的時間更長，也會導致更多的能源消耗，從而增加成本。此外，這一缺點限制了相變蓄熱系統在大規模熱能存儲應用中的有效性。

　　Li等利用預飽和膨潤土的富水凝膠具有多尺度的孔隙結構特性，將預飽和膨潤土作為孔隙重整劑，在不需要任何增氣劑的情況下制備超輕聚苯乙烯(EPS)多孔混凝土，在相同密度下，超輕EPS多孔混凝土的保溫性能比普通泡沫混凝土提高了14.31%。

　　來源：劉益良,蘇幼坡,殷堯,趙江山,王碩,莫宗云.膨潤土改性膠凝材料的研究進展[J].材料導報,2021,35(05):5040-5052。本文由中國非金屬礦信息平臺編輯整理，轉載請注明出處。

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