天然沸石是一種架狀硅酸鹽礦物，在地殼中分布非常廣泛。目前世界上已有美國、日本及俄羅斯等40多個(gè)國家發(fā)現(xiàn)了沸石礦床，礦床的總數(shù)達(dá)1000多個(gè)，已發(fā)現(xiàn)的沸石有四十多種。在我國，沸石資源也相當(dāng)豐富，且分布廣泛，價(jià)格低廉，產(chǎn)地涉及浙江、河北、山東、河南、黑龍江、遼寧、吉林、內(nèi)蒙等二十多個(gè)省區(qū)。我國已發(fā)現(xiàn)的沸石品種有大量的絲光沸石和斜發(fā)沸石礦床，另外還有方沸石、毛沸石、片沸石、鈉沸石、輝沸石及濁沸石等許多品種。由于沸石具有質(zhì)輕易碎、硬度較低、空隙度高、比表面積大等特點(diǎn)以及良好的離子交換、吸附、催化、耐熱、耐酸、耐輻射性能，目前已被廣泛應(yīng)用于建材工業(yè)、石油及化工、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)牧業(yè)、輕工業(yè)及尖端技術(shù)等諸多領(lǐng)域。本文主要論述天然沸石在水泥、混凝土、涂料、陶瓷、橡塑材料等建材工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

天然沸石的結(jié)構(gòu)與性能

天然沸石是一類硅鋁酸鹽多孔晶體材料，由SiO2、Al2O3、H2O、Na2O、K2O和CaO等主要成分組成，化學(xué)通式為：Ax/n(SiO2)(AlO2)x·mH2O，其中A為陽離子，x為陽離子個(gè)數(shù)，n為價(jià)態(tài)數(shù)，m為水分子數(shù)。硅氧四面體和鋁氧四面體是構(gòu)成沸石骨架的最基本的結(jié)構(gòu)單元，其中鋁氧四面體帶有一個(gè)負(fù)電荷，使得沸石具有陰離子骨架結(jié)構(gòu)，需要額外的陽離子來平衡。但是由于陽離子和骨架結(jié)合比較弱，因此極易與其他陽離子發(fā)生交換作用，這是沸石具有離子交換特性的原因。在沸石的骨架結(jié)構(gòu)中排列著許多空穴和孔道，這些孔道允許一定大小的分子自由移動(dòng)，陽離子和水分子便分布其中。當(dāng)由于外在條件的改變使沸石內(nèi)部的水分子脫除后，沸石的骨架結(jié)構(gòu)不會(huì)遭到破壞，而是形成空曠的空腔，可以用來吸附大量分子，使其具有吸附特性。

天然沸石在建材領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

沸石的主要應(yīng)用領(lǐng)域是建材工業(yè)，世界上超過四成的沸石資源用于水泥及其制品中。最初為了降低水泥生產(chǎn)成本，提高混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性與抗凍性，人們將沸石用于水泥或混凝土工業(yè)，而隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，沸石的應(yīng)用越來越廣泛，在建材領(lǐng)域中還涉及到涂料、陶瓷乃至橡塑材料等。

3．1在水泥、混凝土中的應(yīng)用研究

沸石作為水泥摻料可以降低成本、提高標(biāo)號(hào)、改善產(chǎn)品性能等。早在1912年，美國就將摻有沸石的水泥用于建筑之中。前蘇聯(lián)于1913年利用克里木絲光沸石(當(dāng)時(shí)稱凝灰?guī)r)作為水泥混合材生產(chǎn)水泥，大大降低了成本。1978年以來，我國在利用天然沸石作為混凝土摻合料的研究方面也取得了重要進(jìn)展，天然沸石成為近幾年來推廣應(yīng)用最廣的一種新型混凝土摻合料。

利用沸石的離子交換特性，可以通過加入沸石抑制混凝土堿-骨料反應(yīng)。清華大學(xué)的馮乃謙在這方面做了很多研究，并提出了天然沸石通過離子交換作用抑制堿-骨料反應(yīng)的機(jī)理。研究了天然沸石的加入對(duì)水泥中可溶性堿和有效堿的影響，并對(duì)沸石抑制堿-骨料反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)沸石通過離子交換降低可溶性堿量，通過離子交換和提高C-S-H凝膠對(duì)Na+和K+的吸收能力降低有效堿量，而沸石本身含有的堿量并不影響其對(duì)堿-骨料反應(yīng)的抑制作用。基于沸石的離子交換特性，摻加沸石的水泥材料用于氨氮及重金屬離子的去除也有很多報(bào)道。利用天然沸石和泥炭作為原材料，水泥作為粘結(jié)劑研制的合成材料對(duì)氨氮和總磷有很好的去除效果，對(duì)初始濃度為10mg·L-1的NH4+-N溶液的吸附量為131mg·kg-1，對(duì)初始濃度為1mg·L-1的總磷溶液的吸附量為31mg·kg-1。發(fā)明了一種可吸附重金屬離子的透水磚，由于沸石的離子交換特性和較大的比表面積，使加入沸石的透水磚在保證其原有性能的基礎(chǔ)上，提高了對(duì)Zn2+、Pb2+等重金屬離子的吸附。研究了放射性廢物水泥固化體Cs+的浸出行為，發(fā)現(xiàn)沸石對(duì)Cs+有強(qiáng)烈的吸附作用，摻加80%沸石的固化體Cs+浸出率比不加沸石的固化體Cs+浸出率小一個(gè)數(shù)量級(jí)，沸石對(duì)Cs+的選擇性吸附和沸石表面被水泥水化產(chǎn)物包覆是導(dǎo)致固化體對(duì)Cs+有持留作用的主要原因。另外，摻加沸石的水泥砂漿有很好的防氡和防輻射效果，制備的含沸石水泥砂漿，防氡率可達(dá)到60%，對(duì)輻射的屏蔽率為45%，說明沸石可以用作防氡材料。

利用沸石的吸附性能，可以將其用來制備多孔混凝土。開展了天然斜發(fā)沸石作為集料和引氣劑制備蒸壓加氣混凝土的研究，發(fā)現(xiàn)，不加鋁粉的加氣混凝土耐壓強(qiáng)度為4．6MPa，容重為0．930kg/dm3，較之摻加鋁粉的加氣混凝土強(qiáng)度更高，容重偏大。用天然沸石作為氣體載體制備多孔混凝土，干容重最低可達(dá)720kg/m3，抗凍性和隔音性能良好。沸石具有調(diào)濕功能，這是因?yàn)榉惺卸嗫住⒈缺砻娣e大和吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此可以將沸石與水泥或灰漿混合制成板材用于調(diào)節(jié)空氣濕度。日本鹿島公司和新東北化學(xué)工業(yè)公司將天然沸石、混凝土、維尼綸纖維和水混合，壓制成型開發(fā)出沸石調(diào)濕護(hù)墻板，其吸濕性約達(dá)到木材的3倍，適合于需要嚴(yán)格控制濕度的建筑物。這種板材已用于日本新開館的日黑雅敘園美術(shù)館工程中。以天然沸石為基材，加入水泥、石膏等制成調(diào)濕材料可使容器內(nèi)濕度穩(wěn)定在60%～70%之間，而作參照的沒有放置調(diào)濕材料樣品的容器內(nèi)部濕度在50%～90%之間浮動(dòng)。

此外，沸石還可以作為流化劑載體，用以控制混凝土塌落度的損失，改善混凝土的流動(dòng)性和施工性能；制備沸石抗菌劑，用于砂漿或混凝土中，使其具有一定的抑制或殺滅細(xì)菌的能力；制備低堿高強(qiáng)水泥和無堿防凍早強(qiáng)水泥等。

3．2在涂料中的應(yīng)用研究

涂料生產(chǎn)中，將沸石磨細(xì)制粉，混合乳化漆與沸石粉，可制備一種特殊水性涂料，能夠吸附空氣中的水分和有害氣體；利用沸石和珍珠巖生產(chǎn)的一種可避免建筑物水份結(jié)露的室內(nèi)吸水性涂料，可以涂在室內(nèi)墻壁和膠合板上。用沸石生產(chǎn)的特殊抗腐蝕涂料，可以有效抵制海水腐蝕，特別適用于造船業(yè)。干燥的沸石細(xì)粉還可用于生產(chǎn)防火涂料，含水沸石可用于生產(chǎn)不燃性涂料。此外，聚氨酯木地板涂料中摻加沸石成份，可大大提高其存放時(shí)間，穩(wěn)定其使用性能。

沸石在涂料中的應(yīng)用除了以上方面以外，還被大量用于抗菌涂料的研制。用天然沸石作為抗菌劑的載體制成的涂料不僅具有良好的抗菌廣譜性、持效性和穩(wěn)定性，同時(shí)具有吸附除味功能。發(fā)現(xiàn)載銀抗菌沸石的加入不僅不會(huì)對(duì)涂料的流變性能產(chǎn)生負(fù)面影響，而且可以降低涂料的稠度系數(shù)和表觀黏度。由于沸石的可調(diào)濕性，也可將其用于調(diào)濕涂料的研制。用氯化鈣組裝多孔沸石和硅藻土制成的沸石復(fù)合型調(diào)濕乳膠涂料吸濕能力達(dá)到10%，放濕能力達(dá)到9%。將沸石、硅藻土、凹凸棒土和海泡石組合起來制成的涂料在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了大、中、微孔的復(fù)合，吸濕量可達(dá)6%以上，放濕量達(dá)到5%以上。沸石還可用于制備遠(yuǎn)紅外特種涂料。用天然沸石經(jīng)脫泥、篩選等工藝處理后得到的絲光沸石精礦制成的遠(yuǎn)紅外涂料在遠(yuǎn)紅外區(qū)有較強(qiáng)的輻射特性，同時(shí)具有良好的選擇性。還有報(bào)道稱在沸石細(xì)粉中摻入載色樹脂和草酸鹽生產(chǎn)的涂料可對(duì)建筑物墻壁起保護(hù)和裝飾作用。

3．3在陶瓷材料中的應(yīng)用研究

天然沸石在現(xiàn)代陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。首先，沸石可以用來生產(chǎn)瓷磚。認(rèn)為用天然沸石生產(chǎn)陶瓷內(nèi)墻磚是可行的，但由于沸石結(jié)構(gòu)中的氣孔容易引起收縮，因此沸石摻量不宜超過20%～25%。發(fā)明的輕質(zhì)泡沫陶瓷面磚通過加入沸石解決了在燒成過程中的膨脹變形問題，此面磚具有生坯強(qiáng)度高、破損率低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。沸石還以用于抗菌陶瓷材料的研制。用載銀沸石或載銅沸石作為抗菌劑制備的陶瓷面磚具有優(yōu)良的殺菌效果，殺菌率達(dá)95%。用沸石載銀抗菌劑復(fù)合光觸媒抗菌劑TiO2制備的陶瓷面磚具有很好的抗菌效果和良好的抗菌耐久性。公開了一種用紅輝沸石制備抗菌陶瓷的方法，用這種方法制備的抗菌陶瓷抗菌效果可達(dá)95%以上，同時(shí)具有防霉、凈化空氣及遠(yuǎn)紅外效應(yīng)等功能。在國外，沸石還用于泡沫微晶玻璃的研制，并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。當(dāng)含沸石礦物具有低的熔化溫度和形成熔體的適宜粘度時(shí)就可以用于制備泡沫微晶玻璃。利用沸石的陽離子置換性能，可將沸石用于制備陶瓷顏料。此外，沸石還可以用來制備日用陶瓷和烏釉陶器。

3．4在橡塑材料中的應(yīng)用研究

天然沸石在橡塑工業(yè)中的應(yīng)用研究處于初級(jí)階段，一方面是制備抗菌塑料的研究，另一方面是改善橡膠產(chǎn)品的性能。發(fā)達(dá)國家對(duì)抗菌塑料的研究較早，現(xiàn)在已進(jìn)入實(shí)用化階段，我國起步較晚，目前也取得一定進(jìn)展。用銀鋅復(fù)合沸石抗菌劑制備的抗菌塑料對(duì)大腸桿菌的抗菌率大于99%，對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率達(dá)98%，力學(xué)性能和白度也達(dá)到應(yīng)用要求。用銅鋅復(fù)合沸石抗菌劑制備的聚丙烯抗菌塑料抗菌性較只摻銅型抗菌沸石和鋅型抗菌沸石的塑料抗菌性好，其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別為99．8%和99．1%。在橡膠制品中加入適宜量沸石可以防止橡膠老化，延長橡膠壽命。但是沸石的摻量不宜過多，否則會(huì)降低橡膠制品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率等力學(xué)性能。沸石可以作為一種橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，同時(shí)可改善橡膠制品的耐磨性，用于膠鞋生產(chǎn)中可替代部分白炭黑，用于海綿中底具有防臭、防霉的功效。在膠帶、膠布、皮輥、皮圈等橡膠制品中的應(yīng)用也有良好效果。

3．5在其他建材中的應(yīng)用研究

沸石粉可用于粉狀瀝青的制備，可作為道路、橋梁等所用瀝青的填料，也可用作改善瀝青建筑材料性能的填料；可以制備沸石多孔輕質(zhì)玻璃制品，提高玻璃的耐化學(xué)性和抗劃性；利用抗菌沸石制成具有抗菌防臭、保健、紫外線遮斷等性能的功能纖維。

天然沸石在建材領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛而且發(fā)展迅速，已凸顯出良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。但是沸石在建材領(lǐng)域中的應(yīng)用還存在一些不足：如沸石用作水泥混合材時(shí)，會(huì)因沸石的吸水性導(dǎo)致水泥的需水量大大提高，影響水泥與混凝土外加劑的適應(yīng)性；再如沸石用于橡膠材料，會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。我國應(yīng)該加強(qiáng)沸石在這些方面的研究和成果推廣，推動(dòng)沸石應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。此外，在建材領(lǐng)域中應(yīng)用較多的是斜發(fā)沸石和絲光沸石，對(duì)其他沸石的研究比較少，因此，我國還應(yīng)加強(qiáng)其他種類沸石的應(yīng)用研究，以充分利用沸石這種豐富又廉價(jià)的礦產(chǎn)資源。可以預(yù)見，天然沸石在建材領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍將更加廣泛，前景會(huì)更加廣闊。