粘土是一种重要的矿物原料.doc

粘土是一种重要的矿物原料。由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。粘土矿物的颗粒细小，常在胶体尺寸范围内，呈晶体或非晶体，大多数是片状，少数为管状、棒状。粘土矿物用水湿润后具有可塑性，在较小压力下可以变形并能长久保持原状，而且比表面积大，颗粒上带有负电性，因此有很好的物理吸附性和表面化学活性，具有与其他阳离子交换的能力。 工业用粘土矿有高岭土、膨润土（主要组成为蒙脱石）、活性白土（组成不定）等。高岭土最早由中国在江西高岭村开采，用来制造陶瓷。膨润土于1888年在美怀俄明州开始开采，活性白土于1906年在美国得克萨斯州首次开采。 粘土矿广泛分布于世界各地的岩石和土壤中。世界膨润土矿资源为 1.3Gt以上，主要分布于美国和加拿大。高岭土矿储量约 1.6Gt，主要分布于中国、美国、苏联、墨西哥、西班牙等国。中国是高岭土资源十分丰富的国家,矿质优良、成因类型齐全,主要产地有江苏苏州、湖北均县、四川叙永县等地。活性白土主要产于美国和加拿大。 高岭土的加工大多采用湿法。矿石经破碎、洗矿、浆化、除砂、分级、精选、漂白、过滤，最后经喷雾干燥得产品。膨润土矿的加工仅需简单的粉碎技术以及除去水分等挥发物，先将矿石粉碎、浆化，然后采用沸腾床干燥器干燥，再经粉碎、筛分得产品。活性白土是将膨润土脱水，加入硫酸活化、分离、水洗、过滤、干燥、粉碎后制得产品。 高岭土主要用于制造陶瓷和耐火材料。造纸工业中使用大量高岭土作造纸填料和涂层，以提高纸张强度并降低透明度，还用于制造无碳纸。膨润土主要用作石油钻井泥浆成分。活性白土用于动植物油、工业用油、机械润滑油、石脑油等的漂白。在金属加工中大量的膨润土用作金属铸造翻砂粘合剂。另外，高岭石和多水高岭石粘土矿还可用作生产汽油的催化剂。 粘土是配制钻井液的重要原材料，它的主体矿物为粘土矿物，粘土矿物的结构和基本特性是钻井液的性能及其控制与调整密切相关。 粘土这种柔可绕指的泥土在我国远古时期就被人们广泛使用，至仰韶文化时代制陶工艺技术就已达到相当成熟的水平。先民们利用粘土的塑性、焙烧性得到具有实用效果的抗水性的石质性器物陶瓷器，它对人类的古代文明与文化发展曾起到相当大的作用。 粘土是一种含水铝硅酸盐产物，是由地壳中含长石类岩石经过长期风化和地质的作用而生成的，在自然界中分成广泛，种类繁多，藏量丰富，是一种宝贵的天然资源。 粘土具有颗粒细、可塑性强、结合性好，触变性过度，收缩适宜，耐火度高等工艺性能，因而，粘土是成为瓷器的基础。它主要有瓷土、陶土和耐火土粘土等三类，据矿物的结构与组成的不同，陶瓷工业所用粘土中的主要粘土矿物有高岭石类、蒙脱石类和伊利石（水云母）等三种，另外还有较少见的水铝石。 粘土矿物的主体化学成分是硅铝氧化物和水，其特征是与适量水结合可调成柔可绕指的软泥，具有可塑性，将塑性成形的泥团烧后会变成具有一定湿度的坚硬烧结体。正是由于这种特性使它与人类生活发生了联系。从久远的制瓷经历数万年的发展直到今天，仍是制瓷胎的最基本的原料。 粘土在引进制瓷胎体过程中起了重要的作用是粘土的可塑性使陶瓷坯泥赖以成形的基础；是粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性；粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性；粘土的出现使其成为陶瓷坯体烧结时的主体，形成瓷器中莫来石晶体的主要来源。 根据粘土中的主要矿物类型，可以分为高岭土族粘土、蒙脱石族粘土及伊利石族粘土。 根据生成情况，粘土可分为原生粘土（Primary clay）和次生粘土（Secondary clay），原生粘土是指长石经风化后生成高岭土及其他含水硅酸盐矿物、石英等，未完全风化的碎屑残留原地，而可溶性盐类则被溶解；次生粘土是由原生粘土在自然动力条件下转移到其他地方再次结晶的粘土。 根据可塑性可将粘土分为软质粘土（强可塑性粘土）、半软质粘土（中可塑性粘土）和硬质粘土（弱可塑性粘土），软质粘土多属次生粘土，因其颗粒细、分散度大，故可塑性大；硬质粘土多经古界成岩作用，自由水不易进入而缺少浸散性，可塑性较差。 西方一些工业化国家通常把粘土归结为6大类，分别是高岭土Kaolin，耐火粘土Fire clay、球粘土Ball clay、膨润土Bentonite、漂白土Fuller,s earth和普通粘土（Common）。其中膨润土、漂白土和普通粘土主要由蒙脱石、伊利石和绿泥石等组成，耐火性能较差。综合国内外分类情况与习惯，将耐火材料用粘土分类高岭土、球粘土和耐火粘土。 粘土的种类多，功能也各有不同 1. 树脂粘土 树脂粘土有两种，一种是面包花（面粉粘土）。面包花起源于拉丁美洲的一种说法，当地人用吃剩的面包碎屑，收集起来，烘干磨成粉，加入白胶浆，制成「面粉粘土」。可是用这种面粉粘土延伸性不够，也不够结实，造出的作品在风干后，很容易碎裂，不能长久摆放。后来这种朴素的手艺传至日本，日本人将它改良，加入防腐剂及其它化学品，制成现在的「面粉粘土」。这种面粉粘土本身是半透明色，性质柔软，可延展至很薄又不会裂开，可自由的做出纤细作品，制作时只需加入油画颜色，便可以随个人喜好做出各种东西，用此粘土最适合是做花，能够伸展至很薄，做出很轻巧自然的感觉，但做出来的作品，比较哑色，作品干后必须在表面薄薄的扫上油彩以增加它的美感及立体感。 还有一种树脂粘土取出时非常干硬，还觉得碎，不过加入颜色后，越搓越柔软，做出来的作品非常坚硬，适合做一些迷你器皿，如碗、碟、花盆。 2. 超轻粘土 超轻粘土分为胶质轻粘土和纸质轻粘土（纸粘土）。胶质轻粘土做出来的作品是很光滑的，适合做雪糕，公仔等；而纸粘土是市面上应用最广，最宜被大众所接受的一种粘土，这和它经济实惠的价格有关，其塑造的作品略显粗糙，适合初学者使用。 不过，目前市面上可以购买到结合两者优点的粘土了，比如由上海海森兰贸易有限公司开发的海森蓝梦幻轻粘土，此种粘土很轻很软，手感细腻，干燥后具有良好的柔韧性，表面质感优越，目前国内越来越多的生产厂家致力研究粘土的改良，乃广大粘土爱好者的福音 3. 磁粉器粘土 又叫作麻石粘土，颜色就像石头，塑造时可沾水的，容易掌握，适合做独一无二的迷你花盆，或是韩式石头锅饭的那个大碗，效果也相当好 4. 油粘土 这种粘土一般是在作品完成后辅助使用的，比如说做粘土花盆景上盆时候，只需取出适量粘土放入盆中，将作品插上，目的使作品能稳固。油粘土的特性是 软/硬油泥即使暴露于空气中，都不会变硬的，一般情况下只需按自己的喜好选择软油泥或硬油泥便可。 天然粘土矿并不总是按以上分类而截然区分，有时一个粘土中可以包含多种粘土，而且在性能上也有相互叠加，例如许多硬质粘土的矿物组成和化学成分与高岭土非常接近；许多球粘土与软质耐火粘土由相同的物理性质。不管粘土的种类如何，决定粘土性能的是它的性能。 高岭土、球粘土和耐火粘土的特征 粘土种类 高岭土 球粘土 耐火粘土 生成时代 多为新生代 新生代 多为古生代 高岭石有序度 （覆盖层厚度） 多为无序 （薄或无） 多为无序 （很薄） 多为有序 （很厚） 高岭石晶形 （水流搬运） 常自形、半自形 （未搬运） 常不规则 （搬运很长） 常不规则 （搬运较长） 结晶粒度/μm 多为5 多小于2 多为2～5 可塑性 较差 很好 较好（软质） 粘结性 较差 很好 较好（软质） 含伊利石/％ 常5～45 常5～45 常小于5％ 耐火度/℃ 可大于也可小于1580 可大于也可小于1580 大于1580 烧结温度范围 （举例/℃） 窄 （1500～1570） 宽 （1320～1550） 稍宽 （1300～1390） 铁、钛含量 （白度） 常较少 （大于70～80） 常较多 （小于50～80） 常较多 （小于50～70） 有机质 （可塑性） 不含 常含少量 （能提高） 常含少量 （不能提高） 主要成因 残积 沉积 沉积 第一阶段 粉煤在开始燃烧时，其中气化温度低的挥发分，首先自矿物质与固体碳连接的缝隙间不断逸出，使粉煤灰变成多孔型炭粒。此时的煤灰，颗粒状态基本保持原煤粉的不规则碎屑状，但因多孔型性，使其表面积更大。 第二阶段 伴随着多孔性炭粒中的有机质完全燃烧和温度的升高，其中的矿物质也将脱水、分解、氧化变成无机氧化物，此时的煤灰颗粒变成多孔玻璃体，尽管其形态大体上仍维持与多孔炭粒相同，但比表面积明显地小于多孔炭粒。 第三阶段 随着燃烧的进行，多孔玻璃体逐渐融收缩而形成颗粒，其孔隙率不断降低，圆度不断提高，粒径不断变小，最终由多孔玻璃转变为一密度较高、粒径较小的密实球体，颗粒比表面积下降为最小。不同粒度和密度的灰粒具有显著的化学和矿物学方面的特征差别，小颗粒一般比大颗粒更具玻璃性和化学活性。 最后形成的粉煤灰其中80～90为飞灰，10～20为炉底灰是外观相似，颗粒教细而不均匀的复杂多变的多相物质。飞灰是进入烟道气灰尘中最细的部分，炉底灰是分离出来的比较粗的颗粒，或是炉渣。这些东西有足够的重量，燃烧带跑到炉子的底部。 粉煤灰的化学组成 我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、 MgO 、K2O、 Na2O、SO3、MnO2等，此外还有P2O5等。其中氧化硅、氧化钛来自黏土，岩页；氧化铁主要来自黄铁矿；氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。 粉煤灰的元素组成质量分数为O 47.83，Si 11.48～31.14，Al 6.40～22.91，Fe 1.90～18.51， Ca 0.30～25.10，K 0.22～3.10，Mg 0.05～1.92，Ti 0.40～1.80，S 0.03～4.75，Na 0.05～1.40，P 0.00～0.90，Cl 0.00～0.12，其他0.50～29.12。 粉煤灰的活性主要来自活性SiO2玻璃体SiO2和活性A12O3 玻璃体A12O3 在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性A12O3和f-CaO游离氧化钙都是活性的的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏CaSO4的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在3左右，它对胶凝体的形成是有利的。国外把CaO含量超过10的粉煤灰称为C类灰，而低与10的粉煤灰称为F类灰。C类灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F类灰常作混凝土掺和料，它比C类灰使用时的水化热要低。 粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成较多玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应。但MgO含量过高时，对安定性带来不利影响。 粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一种惰性物质不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也不利。过量的Fe2O3对粉煤灰的活性也不利。 粉煤灰的矿物组成 由于煤粉各颗粒间的化学成分并不完全一致，因此燃烧过程中形成的粉煤灰在排出的冷却过程中，形成了不同的物相。比如氧化硅及氧化铝含量较高的玻璃珠在铁矿，另外，粉煤灰中晶体矿物的含量与粉煤灰冷却速度有关。一般来说，冷却速度较快时，玻璃体含量较多反之，玻璃体容易析晶。可见，从物相上讲，粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物。其矿物组成的波动范围较大。一般晶体矿物为石英、莫来石、磁铁矿、氧化镁、生石灰及无水石膏等，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50以上。 粉煤灰的结构是在煤粉燃烧和排出过程中形成的，比较复杂。在显微镜下观察，粉煤灰是晶体、玻璃体及少量未燃炭组成的一个复合结构的混合体。混合体中这三者的比例随着煤燃烧所选用的技术及操作手法不同而不同。其中结晶体包括石英、莫来石、磁铁矿等；玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则孔隙少的小颗粒、疏松多孔且形状不规则的玻璃体球等；未燃炭多呈疏松多孔形式。 粉煤灰的物理性质包括密度、堆积密度、细度、比表面积、需水量等，这些性质是化学成分及矿物组成的宏观反映。由于粉煤灰的组成波动范围很大，这就决定了其物理性质的差异也很大。 粉煤灰的基本物理性质见表。 粉煤灰的基本物理特性 项 目 范 围 均 值 密度/（g/cm3） 1.9～2.9 2.1 堆积密度/（g/cm3） 0.531～1.261 0.780 比表面积（cm2/g） 氮吸附法 800～19500 3400 透气法 1180～6530 3300 原灰标准稠度/ 27.3～66.7 48.0 需水量/ 89～130 106 28d抗压强度比/ 37～85 66 粉煤灰的物理性质中，细度和粒度是比较重要的项目。它直接影响着粉煤灰的其他性质，粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，而化学成分影响后期的反应。 粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理蒸汽养护条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。粉煤灰是以颗粒形态存在的，且这些颗粒的矿物组成、粒径大小、形态各不相同。人们通常将其形状分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。根据北京科技大学宋存义等用扫描式电子显微镜的观察表明，粉煤灰由多种粒子构成，其中珠状颗粒包括空心玻珠漂珠、厚壁及实心微珠沉珠、铁珠磁珠、炭粒、不规则玻璃体和多孔玻璃体等五大品种。其中不规则玻璃体是粉煤灰中较多的颗粒之一，大多是由似球和非球形的各种浑圆度不同的粘连体颗粒组成。有的粘连体断开后，其外观和性质与各种玻璃球形体相同，其化学成分则略有不同。多孔玻璃体形似蜂窝，具有较大的表面积，易黏附其他碎屑，密度较小，熔点比其他微珠偏低，其颜色由乳白至灰色不等。在扫描式电子显微镜下可以比较容易地观察到不规则玻璃体的存在。渣状颗粒包括海绵状玻璃渣粒、炭粒、钝角颗粒、碎屑和粘聚颗粒等五大品种。正是由于这些颗粒各自组成上的变化，组合上的比例不同，才直接影响到粉煤灰质量的优劣。 在混凝土中掺加粉煤灰节约了大量的水泥和细骨料；减少了用水量；改善了混凝土拌和物的和易性；增强混凝土的可泵性；减少了混凝土的徐变；减少水化热、热能膨胀性；提高混凝土抗渗能力；增加混凝土地修饰性。 国标一级采用优质粉煤灰和高效减水剂复合技术生产高标号混凝土的现代混凝土新技术正在全国迅速发展。 国标二级优质粉煤灰特别适用于配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗结构混凝土、抗硫酸盐混凝土和抗软水侵蚀混凝土及地下、水下工程混凝土、压浆混凝土和碾压混凝土。 国标三级粉煤灰混凝土具有和易性好、可泵性强、终饰性改善、抗冲击能力提高、抗冻性增强等优点。 粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质混合材料。它是燃烧煤的发电厂将煤磨成100微米以下的煤粉，用预热空气喷入炉膛成悬浮状态燃烧，产生混杂有大量不燃物的高温烟气，经集尘装置捕集就得到了粉煤灰。粉煤灰的化学组成与粘土质相似，主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙和未燃尽碳。目前，粉煤灰主要用来生产粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰加气混凝土及其他建筑材料，还可用作农业肥料和土壤改良剂，回收工业原料和作环境材料。粉煤灰在水泥工业和混凝土工程中的应用粉煤灰代替粘土原料生产水泥，由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰加入适量石膏磨细制成的水硬胶凝材料，水泥工业采用粉煤灰配料可利用其中的未燃尽炭；粉煤灰作水泥混合材；粉煤灰生产低温合成水泥，生产原理是将配合料先蒸汽养护生成水化物，然后经脱水和低温固相反应形成水泥矿物；粉煤灰制作无熟料水泥，包括石灰粉煤灰水泥和纯粉煤灰水泥，石灰粉煤灰水泥是将干燥的粉煤灰掺入1030的生石灰或消石灰和少量石膏混合粉磨，或分别磨细后再混合均匀制成的水硬性胶凝材料；粉煤灰作砂浆或混凝土的掺和料，在混凝土中掺加粉煤灰代替部分水泥或细骨料，不仅能降低成本，而且能提高混凝土的和易性、提高不透水、气性、抗硫酸盐性能和耐化学侵蚀性能、降低水化热、改善混凝土的耐高温性能、减轻颗粒分离和析水现象、减少混凝土的收缩和开裂以及抑制杂散电流对混凝土中钢筋的腐蚀。粉煤灰在建筑制品中的应用蒸制粉煤灰砖，以电厂粉煤灰和生石灰或其他碱性激发剂为主要原料，也可掺入适量的石膏，并加入一定量的煤渣或水淬矿渣等骨料，经过加工、搅拌、消化、轮碾、压制成型、常压或高压蒸汽养护后而形成的一种墙体材料；烧结粉煤灰砖，以粉煤灰、粘土及其他工业废料为原料，经原料加工、搅拌、成型、干燥、培烧制成砖；蒸压生产泡沫粉煤灰保温砖，以粉煤灰为主要原料，加入一定量的石灰和泡沫剂，经过配料、搅拌、烧注成型和蒸压而成的一种新型保温砖；粉煤灰硅酸盐砌块，以粉煤灰、石灰、石膏为胶凝材料，煤渣、高炉矿渣等为骨料，加水搅拌、振动成型、蒸汽养护而成的墙体材料；粉煤灰加气混凝土，以粉煤灰为原料，适量加入生石灰、水泥、石膏及铝粉，加水搅拌呈浆，注入模具蒸养而成的一种多孔轻质建筑材料；粉煤灰陶粒，以粉煤灰为主要原料，掺入少量粘结剂和固体燃料，经混合、成球、高温培烧而制的一种人造轻质骨料；粉煤灰轻质耐热保温砖，是用粉煤灰、烧石、软质土及木屑进行配料而成，具有保温效率高，耐火度搞，热导率小，能减轻炉墙厚度、缩短烧成时间、降低燃料消耗、提高热效率、降低成本。粉煤灰作农业肥料和土壤改良剂粉煤灰具有良好的物理化学性质，能广泛应用于改造重粘土、生土、酸性土和盐碱土，弥补其酸瘦板粘的缺陷，粉煤灰中含有大量枸溶性硅钙镁磷等农作物所必需的营养元素，故可作农业肥料用。回收工业原料回收煤炭资源，利用浮选法在含煤炭粉煤灰的灰浆水中加入浮选药剂，然后采用气浮技术，使煤粒粘附于气泡上浮与灰渣分离；回收金属物质粉煤灰中含有Fe2O3、Al2O3、和大量稀有金属；分选空心微珠，空心微珠具有质量小、高强度、耐高温和绝缘性好，可以用于塑料的理想填料，用于轻质耐火材料和高效保温材料，用于石油化学工业，用于军工领域，坦克刹车。作环保材料利用粉煤灰可制造分子筛、絮凝剂和吸附材料等环保材料；粉煤灰还可用于处理含氟废水、电镀废水与含重金属例子废水和含油废水，粉煤灰中含有的Al2O3、CaO等活性组分，能与氟生产配合物或生产对氟有絮凝作用的胶体离子，还含有沸石、莫来石、炭粒和硅胶等，具有无机离子交换特性和吸附脱色作用。 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