摘要：本文通过对低品位高岭土简单加工，来研究低品位高岭土用于土聚物抢修补材料的可行性，表明低品位高岭土经过优化后是完全可用于抢修补材料中的。 关键词：土聚物、抢修补材料、低品位、高岭土
土壤聚物的概念来源于法国教授Davidovits。Davidovits教授在对古建筑物的研究过程中发现，耐久性的古建筑物中有架状的硅铝酸盐化合物的存在，这类化合物与地壳中大量存在的佛石类物质结构相似，被称为土聚物[1-3]。
世界高岭土总产量约为4000万t，但精制高岭土不到50%。随着社会的进步和科技的发展，需要的高岭土(尤其是优质高岭土)会越来越多。今后若干年，国内外高岭土市场将保持稳定发展，贸易量将呈不断增长的趋势，尤其是优质高岭土，因而我国高岭土工业应着眼于国内外两大市场，重点发展深加工，开发新产品，尽快改变目前产品结构不合理的状况，从传统的应用领域转向高科技、高效益的领域。
本研究的目标是研发出一种用低品位高岭土激发的土聚物抢修补材料，其砂浆常温养护下一天的抗压强度>20MPa,28天抗压强度>60MPa；砂浆28天抗渗压力>1.0MPa；与混凝土的界面有高的粘结强度（＞1.5MPa）；初凝时间3-5小时，终凝聚时间4-6小时并且砂浆流动度>180mm的抢修补材料。
1 试验
1.1 试验用原材料
(1)高岭土本试验采用二种高岭土进行比对试验,优质高岭土采用广东湛江华鼎矿业生产的高纯度高岭土粉,低品位高岭土采用取自清远，直接在地面采集。其化学成分如下：
从表1―2中可知，这种低品位的高岭土的二氧化硅含量为74.31%,氧化铝的含量仅为17.38%，而氧化镁和氧化铁的含量都小于1.0%。而从表1-1中优质高岭土的化学成分可以看到二氧化硅的含量仅为47.90%，氧化铝含量为36.17%，而氧化铁和氧化镁的含量相差不大。对比这二种高岭土的化学成分可知，低品位的高岭土二氧化硅的含量比优质高岭土的含量多多出了高达25%，而氧化铝的含量则少了接近20%，可以猜测到这种低品位高岭土的主要问题是杂质石英砂的含量过高，导致其中可用的高岭石等有用成分含量降低。由于高岭土中掺入的铝的杂质是基本上是没有的，因此可以根据化学式和化学分析中氧化铝的含量来推导二氧化硅中非石英砂的含量。低品位高岭土中氧化铝的含量为17.38%,根据化学式推导出来的二氧化硅中非石英砂的含量为20.45%，则石英砂的含量则为53.86%；优质高岭土中氧化铝的含量为36.17%，根据化学式推导出来的二氧化硅中非石英砂的含量为42.55%，则石英砂的含量则为5.35%。这种低品位的高岭土是直接在地面上采集的，没有经过任何加工，而地面上的石英砂是非常多的，因而掺杂在其中。
(2) 矿渣：本研究均采用韶关钢铁集团公司产的同批粒化高炉矿渣。化学成份如表3―1。
(3) 水泥：采用珠江水泥厂生产的越秀牌P.Ⅱ.42.5水泥。
(4) 水玻璃：模数为1.0,浓度为35%的水玻璃。
1.2 试验方法
(1) 胶砂试体的制备：强度性能用胶砂试体的制备参照GB/T 17671进行。
(2) 强度性能的测定：试体为40mm×40mm×160mm的棱柱体。按照GB/T 17671测定胶砂试体的抗折、抗压强度。胶砂试体的养护龄期为1d、3d和28d。
(3) 胶砂流动度试验：参照GB2419《水泥胶砂流动度测定方法》。
(4) 粘结强度试验：参照《普通混凝土力学性能试验方法》GBJ81。
(5) 凝结时间的测定：按照配比称取一定质量的偏高岭土（或矿渣粉）和硅酸钠溶液后，把材料共同搅拌，搅拌方法参照GB/T1346《硅酸盐水泥的标准稠度、凝结时间和安定性检验》，搅拌好的浆液做凝结时间试验。
1.3低品位高岭土的加工
1 原矿的打散
由于低品位高岭土是从高岭土矿直接装袋运回来的，因此高岭土中有大量的杂质，且颗粒较大，不可能直接煅烧成偏高岭土。所以先把所有的低品位高岭土混均匀后，把树枝等杂物挑出来，然后用锤子把大块的颗粒敲成小块的，再在实验室小磨中打散5分钟。把这种高岭土命名为DY。
2 原矿的淘洗
参照陶瓷工业中淘洗高岭土的方法，利用石英砂和偏高岭土密度的差异，让它们在水中静置分层。把DY放在水箱里，然后加水并且搅拌，使低品位高岭土充分分散，然后让它静置分层。由于石英砂的密度较高岭土大，所以石英砂沉降到水箱的底部，而中间则为高岭土，上层则为水。然后把上层的水倒掉，再把中层的高岭土放在托盘里放到烘箱在105℃下烘干，而下层的砂就倒掉。烘干后的高岭土冷却后把它放在球磨机里打散5分钟。把这种高岭土命名为DT。
3 原矿的湿磨
要湿磨高岭土，必须加入一定的水，使高岭土粉变成浆体并且使其有一定的流动度才能把磨完的浆体从湿磨机里面倒出来。经过试验，在1.2的水灰比下配成的低品位高岭土浆体的流动度较好，所以我们把高岭土DY以1.2的水灰比放在湿磨机里面，湿磨300分钟，倒出后放在托盘里在105℃的烘箱里面烘干，等它冷却后放在球磨机里面打散5分钟。把这种高岭土命名为DYS。
4 淘洗后湿磨
参照三中的方法，把DT以1.2的水灰比放在湿磨机里面，湿磨300分钟，倒出后放在托盘里在105℃的烘箱里面烘干，等它冷却后放在球磨机里面打散5分钟。把种高岭土命名为DTS。
然后放在实验电炉中在800℃保温2h，烧成偏高岭土。
2 结果
2.1 凝结时间
将上述的四种低品位的高岭土及优质高岭土烧成的偏高岭土按下配方测定其凝结时间，结果如表2―1：
表2―1 配比及凝结时间结果(W%)
注：Y为优质高岭土
从表中可以看到，掺入了30%的高活性矿渣后，碱激发低品位偏高岭土及优质高岭土的凝结时间均能控制在6h以内，基本上达到要求。
2.2 抗压抗折强度
按上配方制成的土聚物的胶砂流动度及抗压抗折强度结果如下。
1 胶砂工作性能
胶砂流动度结果如表2―2。
表2―2 胶砂流动度结果
从表2―2中可以看到胶砂流动度的规律为DY>DT>DYS>DTS。原因之一是DY和DT颗粒分布比较宽，原因二就是含砂率的差异，含砂率越高，其流动度越大，这是因为砂和偏高岭土的颗粒形状不同，因此砂的需水量较偏高岭土的需水量少，所以含石英砂量多的偏高岭土制成的砂浆的胶砂流动度较大，而石英砂量少的胶砂流动度变小。而优质偏高岭土在相同的配方中的流动度为195mm，比由这四种低品位偏高岭土成型的流动度都要差，这是因为这四种偏高岭土的含砂量比优质高岭土的要大；而经过湿磨的低品位偏高岭土虽然级配较差，但是由于砂含量的因素，在相同配比下其流动度还是比优质偏高岭土的要好。
2 抗压抗折强度
抗压强度结果见表2-3。
表2―3 抗压抗折强度结果
从表中可以看到，随着龄期的增长，各配方的抗压和抗折强度不断增大。在1d的时候，各配方中的抗压强度均相差不大，在20MPa左右浮动，这是由于掺了30%的矿渣，矿渣是一种高活性的矿物，所以在1d的时候，由于矿渣和偏高岭土的活性差异，反应的原料应该大部分是矿渣，偏高岭土反应量比较小。1d的时候抗折强度差别相对来说较大，DT和Y差别不大，比DY的大了1MPa左右，又比DYS和DTS大了约0.5MPa左右
低品位高岭土中3d的抗压强度DT仍然为最高，超过了44MPa，和Y差别不大，比最低的DYS高出了8MPa左右，而DY和DTS居中大约40MPa，可以看见，在这个龄期矿渣还是发挥绝大部分的作用，偏高岭土的活性作用还不明显，所以颗粒的堆积效应还是发挥较大的作用。抗折强度和抗压强度的规律相一致，最大的还是DT，最小的是DYS。
低品位高岭土中28d的抗压强度规律比较复杂，DT>DY>DYS>DTS。和1d和3d相同的是DT的抗压强度仍然是最大的。但是经过湿磨磨细的料做出来的抗压强度比没有经过磨细的料的抗压强度要低。在这龄期的抗折强度数据都在7MPa以上，但是DT是最低的，而DTS最好，DYS次之。抗折与抗压不同步，相差很远。而在这龄期无论是抗压强度还是抗折强度，优质高岭土均好于低品位高岭土，说明到达28d的时候，优质高岭土的品位优势才能显现出来。
3 抗渗强度
结果如表2―4。
表2―4 抗渗强度结果
从表中可见，这五个配方的抗渗强度均大于1.6MPa，超过了试验机量程（1.6MPa），在达到了抗渗机能达到的最大的抗渗强度后仍没有被击穿渗水，说明它们都有很好的抗渗能力。
4 与混凝土界面的粘结能力
结果如表2―5。
表2―5 界面粘结强度结果
从表中可以看到，各配方中的劈裂抗拉强度差别不大，均大于2.3MPa。
3结论
（1）掺入30%的矿渣后，以低品位高岭土为原料的配方的凝结时间均能控制在6h以内；而以DYS为原料的配方终凝时间更是缩短到4.28h。从凝结时间的要求来看符合抢修补材料凝结时间的要求，而且具有较好的胶砂流动性。
（2）掺入30%矿渣后，四个配方的1d抗压强度均在20MPa左右，而最高的为DT为原料的配方1d达到20.2MPa，28d达到66.4 MPa。从抗压强度的要求来看达到了抢修补材料的要求。
（3）上述四个配方均有较好的抗渗能力和粘结能力，也能达到抢修补材料的要求。
（4）掺入30%矿渣后，优质高岭土到达28d的龄期时候的品位优势才能显现出来。
参考文献
Margie Morris. Archaeology and Technology. Concrete International.1987, Vol.9, No.12:28~35
Campbell, Donald H.; Folk, Robert L. Ancient Egyptian pyramids � concrete or rock? Concrete International; Design and Consruction. 1991. 13(8):28,30~38
Morris, Margie.Cast-in-place theory of pyramid construction. Concrete International; Design and Construction 1991, Vol. 8, No.13:29,39~44
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。