水泥、石灰等傳統(tǒng)膠凝材料在生產(chǎn)、施工、性能方面存在許多不足，如生產(chǎn)能耗大、成本高，造成環(huán)境壓力；施工過程易泌水、離析；硬化后易產(chǎn)生裂縫，且吸濕保溫性不良。膨潤土是一種常見的工業(yè)粘土，屬于天然火山灰質(zhì)材料，其由于獨(dú)特的礦物結(jié)構(gòu)、結(jié)晶化學(xué)性質(zhì)，具有陽離子交換性、膨脹性、觸變性、穩(wěn)定性、可塑性、粘結(jié)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(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。

　　膨潤土改性膠凝材料應(yīng)用于建筑材料的研究

　　膨潤土制備水泥

　　在水泥被發(fā)明之時(shí)，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(guān)學(xué)者嘗試了用不同種類、不同地區(qū)、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(qiáng)度、耐久性等均符合標(biāo)準(zhǔn)，未經(jīng)煅燒的膨潤土不能作為火山灰質(zhì)混合材料用于生產(chǎn)水泥。但對(duì)于個(gè)別未經(jīng)熱處理的膨潤土，由于其本身具有微活性，不經(jīng)煅燒可直接摻入水泥中，但其允許摻量遠(yuǎn)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(huì)降低水泥的抗壓強(qiáng)度。膨潤土種類繁多，在用于制備水泥前應(yīng)經(jīng)充分驗(yàn)證。

　　Tironi等對(duì)阿根廷兩個(gè)不同地區(qū)的膨潤土進(jìn)行煅燒，通過火山灰性實(shí)驗(yàn)、石灰消耗、電導(dǎo)率三種火山灰活性實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)度相差不大，且均較未摻入煅燒膨潤土的對(duì)照水泥砂漿強(qiáng)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(jīng)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(qū)，夏季受副熱帶高氣壓帶控制，導(dǎo)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(zhì)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(fā)揮其火山灰活性。

　　葡萄牙學(xué)者Andrejkovicova將膨潤土作為石灰砂漿天然添加劑用于修復(fù)該國老舊的粘土坯建筑表面。用膨潤土替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的石灰制得膨潤土石灰砂漿(BAL)，通過對(duì)28d、90d、180d的BAL分別進(jìn)行X射線衍射(XＲD)分析，均未檢測(cè)到火山灰產(chǎn)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(yīng)發(fā)展水平比較低。因?yàn)?，通過掃描電鏡(SEM)對(duì)28d齡期BAL進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)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(shí)針狀物為硅鋁酸鈣。硅鋁酸鈣產(chǎn)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(chǎn)物是由于膨潤土和氫氧化鈣之間的反應(yīng)發(fā)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(chǎn)過程中，為節(jié)省水泥、減少二氧化碳排放，往往會(huì)在混凝土生產(chǎn)過程中加入粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢料作為輔助膠凝材料，進(jìn)而減少水泥的消耗。

　　早在2009年，巴基斯坦學(xué)者M(jìn)irza為降低該國的混凝土生產(chǎn)成本，嘗試將該國喀拉克地區(qū)膨潤土摻入普通硅酸鹽水泥砂漿或混凝土中，同時(shí)研究了膨潤土在砂漿和混凝土中的反應(yīng)活性，并對(duì)膨潤土在砂漿和混凝土中的最佳替代水平進(jìn)行耐久性評(píng)價(jià)。X射線衍射圖譜表明，膨潤土具有結(jié)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(jīng)過150℃煅燒的膨潤土的混凝土強(qiáng)度高于摻入未經(jīng)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(xù)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(shì)，但延性增加，地震時(shí)能夠耗散能量，利于建筑抗震。結(jié)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(shí)改善了材料的抗震性能。

　　膨潤土制備陶粒等燒結(jié)類材料

　　燒結(jié)陶粒作為一種輕集料，輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱性能好，在輕質(zhì)混凝土、輕質(zhì)磚瓦等建材領(lǐng)域、污水過濾方面都有著廣泛應(yīng)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(fā)展固廢利用，部分學(xué)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(zhì)高強(qiáng)陶粒。

　　鑒于膨潤土具有粒度細(xì)、粘結(jié)性好的特性，常被用作粘結(jié)劑或用于調(diào)節(jié)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(zhì)高強(qiáng)陶粒。李曉光等以低硅鐵尾礦、膨潤土及鋁礬土制備輕質(zhì)陶粒，其中，膨潤土作為粘結(jié)劑、輔助材料。大部分研究是通過正交試驗(yàn)得出材料的預(yù)熱溫度和時(shí)間、燒結(jié)溫度和時(shí)間、升溫速率等最佳制備條件，并對(duì)陶粒堆積密度、吸水率和顆粒強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)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(chǔ)能材料，加熱時(shí)能夠吸熱并儲(chǔ)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(jìn)行封裝用于地板及其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，調(diào)節(jié)建筑溫度，改善房屋舒適度并節(jié)約能源。膨潤土具有吸附能力強(qiáng)，與水泥、砂漿、混凝土具有良好的相容性和化學(xué)惰性等優(yōu)點(diǎn)，另外，豐富的膨潤土儲(chǔ)量使其成本低廉，故膨潤土是生產(chǎn)膨潤土基定型復(fù)合相變材料的理想基質(zhì)。

　　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(jī)相變材料與膨潤土復(fù)合，開發(fā)了四種新型膨潤土基定型復(fù)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(jī)相變材料。相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)是影響相變蓄熱系統(tǒng)蓄能和釋能功率的重要因素之一。由于傳統(tǒng)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，需要更多的時(shí)間來儲(chǔ)存和釋放熱能。這就意味著熱能存儲(chǔ)裝置在蓄放熱過程中工作的時(shí)間更長，也會(huì)導(dǎo)致更多的能源消耗，從而增加成本。此外，這一缺點(diǎn)限制了相變蓄熱系統(tǒng)在大規(guī)模熱能存儲(chǔ)應(yīng)用中的有效性。

　　Li等利用預(yù)飽和膨潤土的富水凝膠具有多尺度的孔隙結(jié)構(gòu)特性，將預(yù)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(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2021,35(05):5040-5052。本文由中國非金屬礦信息平臺(tái)編輯整理，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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