偏高嶺土（metakaolin，簡稱MK）是以高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O , 簡稱AS2H2）為原料，在適當溫度下（600～900 ℃）經脫水形成的無水矽酸鋁（Al2O3 · 2SiO2 ， 簡稱AS2）。高嶺土屬於層狀矽酸鹽結構，層與層之間由范德華鍵結合，OH- 離子在其中結合得較牢固。高嶺土在空氣中受熱時，會發生幾次結構變化，加熱到大約600 ℃時，高嶺土的層狀結構因脫水而破壞，形成結晶度很差的過渡相-偏高嶺土。由於偏高嶺土的分子排列是不規則的，呈現熱力學介穩狀態，在適當激發下具有膠凝性。
偏高嶺土是一種高活性礦物摻合料，是超細高嶺土經過低溫煅燒而形成的無定型矽酸鋁，具有很高的火山灰活性，主要用作混凝土外加劑，也可製作高性能的地質聚合物。
基本介紹
- 中文名：偏高嶺土
- 外文名：metakaolin
- 簡稱：MK
- 類型：高活性礦物摻合料
- 結構：層狀矽酸鹽結構
- 套用舉例：混凝土
簡介,反應機理,合成,套用舉例,
簡介
偏高嶺土中的活性成分有水矽酸鋁與水泥水化析出的氫氧化鈣反應生成具有凝膠性質的水化鈣鋁黃長石和二次C-S-H凝膠，這些水化產物不僅使混凝土的抗壓、抗彎和劈裂抗拉強度增強，而且增加纖維混凝土抗彎韌性。這些由偏高嶺土水化生成的產物後期強度仍不斷增長，甚至和矽灰的增強作用相當。
摻偏高嶺土不影響混凝土的和易性及流動性，在相同摻量且保持同坍落度情況下，摻偏高嶺土的混凝土黏稠性較摻矽灰的小，表面易於抹平，比後者可節約25%的高效減水劑。同時摻偏高嶺土和粉煤灰的混凝土流動性比單摻的明顯增大。當偏高嶺土摻量達到水泥量的20%時，能有效地抑制鹼一集料反應。
摻偏高嶺土不影響混凝土的和易性及流動性，在相同摻量且保持同坍落度情況下，摻偏高嶺土的混凝土黏稠性較摻矽灰的小，表面易於抹平，比後者可節約25%的高效減水劑。同時摻偏高嶺土和粉煤灰的混凝土流動性比單摻的明顯增大。當偏高嶺土摻量達到水泥量的20%時，能有效地抑制鹼一集料反應。
反應機理
偏高嶺土是一種高活性的人工火山灰材料，可與Ca(OH)2 (CH)和水發生火山灰反應，生成與水泥類似的水化產物。利用這一特點，在用作水泥的摻合料時，與水泥水化過程中產生的CH 反應，可改善水泥的某些性能。偏高嶺土用作混凝土礦物摻合料時，主要是AS2 、CH 與水的反應，隨AS2/ CH 的比率及反應溫度的不同，會生成不同的水化產物，包括托勃莫來石 、水化鈣鋁黃長石(C2ASH8) 、水化鋁酸四鈣(C4AH13) 和水化鋁酸三鈣(C3AH6) 。
處於介穩狀態的偏高嶺土無定形矽鋁化合物，經鹼性或硫酸鹽等激活劑及促硬劑的作用,矽鋁化合物由解聚到再聚合後，會形成類似於地殼中一些天然礦物的鋁矽酸鹽網路狀結構。其在成型反應過程中由水作傳質介質及反應媒介，最終產物不像傳統的水泥那樣以范德華鍵和氫鍵為主，而是以離子鍵和共價鍵為主、范德華鍵為輔，因而具有更優越的性能。根據這一礦物特徵，將這種經激發得到的類似於水泥的產物稱為麥特林水泥(Metakaolin Cement) 。該水泥具有早期強度高的特點，20 ℃養護4 h 的抗壓強度達15～20 MPa，而且具有較強的耐腐蝕性和良好的耐久性，在5 %酸性條件下,其強度損失僅為矽酸鹽水泥的1/ 13 。
合成
採用Goldon et al(2005)中的化學合成方法來合成偏高嶺土，製備工藝過程如下：
(1)用去離子水配製質量分數為5%的聚乙烯醇(PVA)溶液，在熱浴爐上加熱攪拌24h後待用。
(2)用去離子水和純度為98%的硝酸鋁配製質量分數為50%的Al(NO3)3·9H2O溶液。加熱攪拌24h。
(3)將質量分數為50%的Al(NO3)3·9H2O加入到質量分數為24.5%的矽溶膠溶液中 加熱至90℃攪拌1h後，再加入到步驟(1)中所配置的質量分數為5%的PVA溶液中，使混合溶液的配比為Al2O3·2SiO2·3.5PVA。
(4)將配置好的混合溶液在紅外燈下照射並同時加熱攪拌12h。最後，乾燥12h後混合溶液變成蛋黃色塊體，然後將其轉至氧化鋁研缽中，研磨成粉末。
(5)獲得的粉末在800℃下煅燒4 h，升溫速率為5°/min。煅燒後粉末的顏色變成白色：理想粉末的化學組成為Al2O3·2SiO2。
(6)以無水乙醇為介質，將粉末球磨10h；經乾燥後，最後在800℃下煅燒4h去除偏高嶺土中的有機物質，獲得偏高嶺土。
(7)偏高嶺土過100目篩，即獲得所需偏高嶺土粉體。
套用舉例
用於混凝土的偏高嶺土是一些經粉磨的細粉材料，即約有一半的顆粒尺寸為2μm，其比表面積約為25000m3/kg。由於其疏水特性，偏高嶺土會很容易地被分散到混凝土混合料中。摻入量較低時(約5%)，偏高嶺土會增加混凝土的觸變性，但不會影響其流動特性。這可以減少泌水，改善自流平特性，並提供較好的平整面。偏高嶺土的摻入量可達20%-25%，但這時需要摻入高效減水劑，否則會有過高的水灰比。偏高嶺土的摻入會減小水泥漿體初凝和終凝時間，但並不很顯著。有研究表明摻量為15%時，初凝時間可由145min縮短至95min，而終凝時間則由200min縮短至180min。偏高嶺土的摻入還會加速混凝上早期及後期強度的發展。水灰比較低、膠凝材料用量較高時，偏高嶺土的摻入使強度的增加更為明顯。
