地聚合物胶凝材料研究现状

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1、地聚合物胶凝材料研究现状　　：地聚合物胶凝材料是一类新型的高性能无机聚合物材料，它与水泥基胶凝材料相比具有更高的强度、更优良的耐久性、无污染等特点。本文详细介绍了地聚合物胶凝材料的发展状况、反应机理和结构、性能研究现状，以及地聚合物胶凝材料的应用前景，最后提出了研究中存在的一些问题及建议。　　关键词：地聚合物，胶凝材料，聚铝硅酸盐，理化性能　　：TQ177　　0前言　　地聚合物（Geopolymer）概念最早是由法国科学家JosephDavidovits于1985年在其专利[]中提出来的。这类化合物与地壳中大量存在的沸石类

2、物质结构相似，因而命名为地聚合物材料，其原意是指由地球化学作用（Geochemistry）或人工模仿地质合成作用（Geosynthesis）而制造出的铝硅酸盐矿物聚合物。地聚合材料在国内还被称为：人造矿物聚合物、高强矿物聚合物、土壤聚合物、土聚水泥等[]。　　地聚合物胶凝材料是以烧粘土（偏高岭土）或其它以硅、铝、氧为主要元素的硅铝质材料、碱激活剂为主要原料，经适当的工艺处理，在较低的温度条件下通过化学反应得到的具有与陶瓷性能相似的一种新型胶凝材料[]，它具有有机高聚物、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原料广泛、工艺简单、能耗少

3、、环境污染小等优点。由于地聚合物胶凝材料性能独特，其在冶金、土木工程、环境工程等领域都有较好的应用前景，因此地聚合物胶凝材料的研究和应用已经受到的广泛关注。本文对地聚合物的研究和应用现状以及目前存在的问题进行重新梳理，以为该研究领域的发展提供参考。　　1地聚合物的发展过程　　地聚合物材料属于碱激发胶凝材料，这类材料的应用可以追溯到古代，即以高岭土、白云岩或石灰岩与盐湖成分碳酸钠、草木灰成分碳酸钾以及硅石的混合物，加水拌和后产生强碱氢氧化钠和氢氧化钾，与其它组分发生反应，生成矿物聚合粘结剂而制成人造石[]。　　地聚合物胶凝材

4、料自诞生以来，经历了一个从初级到高级的发展过程。最初生产的地聚合物制品必须在一定温度（50℃-180℃）下养护，甚至需要压蒸工艺，所用原材料比较单一。随着研究的进展，地聚合物在常温下也能实现快硬高强的优异性能，所用原材料也比较丰富，目前一些工业废渣在地聚合物中也被广泛应用。地聚合物的碱激发剂也由单一的碱金属、碱土金属的氢氧化物扩展到氧化物、卤化物、有机基组分等。地聚合物的增韧、增强途径以及制备工艺手段也日趋发展，材料的性能得到大幅度提高[4,-]。国外有关地聚合物胶凝材料方面的专利、论文数量每年大幅度增加，研究内容已经进入

5、实用化阶段，而国内在这一领域的研究起步相对较晚，目前发表了一些基础性研究论文和综述[]，下面就国内外地聚合物形成机理与微观结构方面的研究现现状进行论述。　　2地聚合物形成机理及微观结构　　地聚合物通过铝硅酸盐固体组分的溶解络合、分解迁移、浓缩聚合和脱水硬化而形成，由铝硅酸盐凝胶相形成的基本相，其化学组成与沸石相近，物理形态上呈现三维X络结构，因此其具有有机聚合物、陶瓷、水泥的优良性能。　　1.1.地聚合物的反应机理　　地聚合物的形成过程分为4个阶段：（1）铝硅酸盐矿物粉体原料在碱性溶液（NaOH，KOH）中的溶解；（2）溶

6、解的铝硅配合物由固体颗粒表面向颗粒间隙的扩散；（3）凝胶相[MX(AlO2)y(SiO2)·nMOH·mH2O]的形成，导致在碱硅酸盐溶液和铝硅配合物之间发生聚合作用；（4）凝胶相逐渐排除剩余多的水分，固结硬化成地聚合物块体[-]。　　1.2.地聚合物的结构　　由聚合反应得出的地聚合物三维X络是由聚合的硅-氧四面体与铝-氧四面体X络结构构成，其中的硅氧四面体和铝氧四面体通过共用所有的氧原子交替键合。Davidovits[]将地聚合物最终产物的结构形态分为3个类别：单硅铝地聚合物，双硅铝地聚合物，三硅铝地聚合物。　　硅元素存

7、在稳定的+4价态，因此硅氧四面体呈电中性；铝氧四面体中的铝元素是+3价态，却与四个氧原子结合成键，因此铝氧四面体显电负性，需要阳离子（如K+，Na+）的出现来平衡体系中的负电荷，总的结果使体系显电中性。这些Si-O键和Al-O键分别以[SiO4]四面体和[AlO4]四面体或[AlO6]配位多面体的形式存在，在碱溶液的作用下，共价键断裂形成三维X络结构，称为三维聚合铝酸盐结构。反应形成的铝酸盐结构水化产物不断交织、聚合，产生高强度无序的胶凝材料结构，机械强度不断提高。在X络结构中，[SiO4]四面体和[AlO4]四面体由4个

8、角的共有氧原子相连，激发剂溶液中的碱离子填充在结构中平衡由Al3+取代Si4+后多余的负电荷。原材料的活性组分在碱性条件下，经历瓦解并再度链接从而形成以硅、铝为主要结构单元的化学键和陶瓷体结构，物质之间以离子键和共价键连接为主，氢键和范德华力为辅，不存在传统水泥水化生成的钙矾石和氢氧化钙粗大晶体，因而具