地聚物混凝土的性能特点及应用研究进展★

王 书 锐

(宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

地聚物混凝土的性能特点及应用研究进展★

王 书 锐

(宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

通过大量国内外文献，对地聚物混凝土的主要特点、制备方法、应用进展、应用意义进行了总结，通过比较地聚物混凝土与普通硅酸盐混凝土的特点，说明了其在新世纪、新要求下应运而生的原因，认为经过进一步的研究在当今社会将会有很好的发展前景。

地聚物，混凝土，聚合机理，力学性能

0 引言

地质聚合物(Geopolymer，简称地聚物)是一种新型环保无机胶凝材料。地聚物最早由法国科学家Davidovits[1，2]于1978年提出，Davidovits指出在碱性环境下能够用硅铝与地质原材料或者是副产品(如粉煤灰)来生产粘合剂。由于生产过程中所发生的化学反应是一种聚合反应，因此Davidovits将这种粘合剂称为地质聚合物。地聚物是无机聚合物中的一种，由于其二氧化碳排放量小且可消耗一定量的工业固体废弃物，所以被认为是21世纪最具发展潜力的一种水泥替代品[3]。

1 地聚物的主要特点及性能

1.1 主要特点

地聚物不存在硅酸钙的水化反应，其最终产物为类沸石相[4]，而沸石是一种具有骨架结构的材料。沸石材料可以用于核工业中来吸附和固存有毒有害的化学气体等，而普通的硅酸盐混凝土并不具备上述的特点，这也是地聚物混凝土区别于普通混凝土的一大优点。总之，地聚物兼有有机高聚物、陶瓷、水泥的特点[4]，地聚物混凝土也有独特的材料及力学性能。

1.2 理化性能

1)物理性能。由于地聚物的类沸石相，使得其具有很好的强度和耐久性，同时也有很好的耐高温的性能。

2)化学性能。地聚物的聚合度很高，同时具有很强的固定金属离子的性能。

3)其他性能。研究指出，地聚物在一些恶劣的环境中(如用硫酸处理后及大火中)是很耐用的[5]，同时，地聚物混凝土可以不损失强度以及用少量的质量损失来抵抗海水的侵蚀[6]，其他研究也表明：高温养护后的地聚物混凝土能够有效地防御氯化物的侵蚀。这使得地聚物混凝土能够应用于海水地区[7]。

2 地聚物混凝土的制备

2.1 制备地聚物材料的原料

制备地聚物的两大主要成分是原材料和碱性激发剂。地聚物的原材料应为富含硅铝的物质，这些物质可以是天然矿物，如高岭石，混凝土等。粉煤灰、硅粉、矿渣、红泥等也可以用作原材料。制备地聚物时原材料的选取要依靠可利用程度、价格、应用形式以及使用者的需求来确定。

碱性激发剂通常是来自于可溶性碱金属(如钠、钾)的溶液。应用于地聚物生产过程中最常见的碱性激发剂是NaOH与硅酸钠或者是KOH与硅酸钾的混合溶液。

2.2 地聚物聚合机理

陶文宏等[8]通过对地聚物进行分析后得出地聚物的聚合分为旧键的断裂、与Na+的结合、在一定pH条件下发生聚合反应等过程。

文献[9]指出，地聚物聚合可以分为原材料在碱性溶液中的溶解、溶解物的扩散、聚合反应的发生以及固结硬化成为聚合物块体。

总的来说，以上地聚物的聚合机理大致相同，可以归纳为：在碱性溶液的环境下，原材料旧键的断裂，通过聚合反应而形成新键从而得到地聚物。

2.3 地聚物混凝土的制备方法

因地聚物制备的主要原材料偏高岭土、粉煤灰等的理化性能并不相同，其制备方式也均有差异。

井巍等[10]以偏高领土和粉煤灰为原材料，通过煅烧高岭土、配制碱性激发剂、混合搅拌、压制成型等主要工序制备了地聚物混凝土。

龙涛等[11]利用F类低钙粉煤灰和NaOH溶液及Na2SiO3溶液配置了粉煤灰基地聚物混凝土，通过80 ℃养护的方式得到了早龄期抗压强度较高的试验结果。

简家成等[12]也对地聚物混凝土的制备流程进行了总结：首先对高岭土及煤矸石等原料进行预处理，而后配置碱性激发剂并与其他材料进行拌合，经振捣、脱模养护后即制作成型。

总体来看，地聚物混凝土的制备方法可以归纳为：偏高岭土、粉煤灰等原材料通过煅烧后与碱性溶液混合搅拌后经脱模养护后即可成型。

2.4 不同原料的用量对地聚物制备和性能的影响

王国东等[13]研究了偏高岭土、粉煤灰及水玻璃这三种硅铝源对地聚物的影响，结果表明粉煤灰和偏高岭土的不同掺比对材料的早期强度影响很大，最佳粉煤灰掺量为65%，水玻璃主要影响材料的28 d强度以及凝结时间，最佳模数为1.4。

3 地聚物混凝土的应用进展

3.1 地聚物的力学性能的比较

张海燕等[14]采用钾水玻璃激发偏高岭土和粉煤灰的方法配制地聚物，并进行了地聚物和水泥的净浆、砂浆混凝土的常温及高温后抗折和抗压强度试验，得到以下结论；配制出的地聚物净浆高温后抗折强度明显高于矿渣硅酸盐水泥净浆的抗折强度，而地聚物砂浆和混凝土的抗折强度与水泥砂浆和混凝土的抗折强度差别不大；地聚物净浆、砂浆和混凝土的高温抗压强度分别高于相应的水泥净浆、砂浆和混凝土的抗压强度。与此同时，研究还表明含钙量较低的粉煤灰地聚物混凝土有着很好的抗压强度并且很适合应用于结构中，混凝土强度等级为30的地聚物混凝土的抗压强度比同强度的普通混凝土的高17.04%，比混凝土强度等级为60的普通混凝土强度还要高5.1%[7]。由此可见，由地聚物混凝土代替水泥混凝土是完全可行的。

3.2 应用于核废料的固封

由于地聚物混凝土特有的类沸石相，且地聚物不含石灰石，在碱金属或硫酸溶液中不易发生化学反应。目前，虽然有诸如沥青法、玻璃法、水泥法、陶瓷法等核废料固封方式，但许多核电站仍然存在可能发生核废料泄露的情况。如能将地聚物混凝土类沸石相这一特点用于封存核废料，则能达到工艺简单、稳定安全的效果。目前，国外已有相关研究，而在我国尚属空白[4]。

3.3 应用于骨料与纤维的结合

普通硅酸盐混凝土水泥往往会在水泥与骨料的结合面上出现薄弱的结合面，这些薄弱的结合面会在混凝土的使用过程中对结构整体的承载力产生较大的影响，而使用了较高强度的地聚物的水泥则不会出现上述情况，地聚物水泥与骨料结合后反而会有较高的结合强度，在抗拉、抗弯强度上均有了较大程度的提高，这再一次说明了地聚物混凝土与普通硅酸盐混凝土的区别以及其独特性。

4 地聚物混凝土的应用意义及展望

环保和可再生资源利用问题是我们国家目前面临的一个比较重大的问题之一，它影响着人类健康、生态平衡以及国家的发展建设。由于普通硅酸盐混凝土的高能耗、高污染及高排放，对环境的污染尤其是温室效应的产生有着不可忽视的影响。据统计，我国每年水泥工业的二氧化碳排放量约占全国二氧化碳排放总量的10%[8]，仅从环保角度考虑，地聚物混凝土的生产过程不仅耗能少，而且利于保护有限的不可再生资源及环境。我国拥有丰富的高岭土资源，此外还储存有大量的炉渣和粉煤灰，这些都是制备地聚物的基本原材料，充分开发利用这些原材料不仅节约了大量的资源，而且还会产生巨大的环境效益。

对于地聚物混凝土的研究与开发，国外已经开展了广泛的研究并且有的国家已经应用于现实生活中，我国对地聚物混凝土的研究还不够深入，若能对地聚物混凝土的粘结机理、生产工艺、变形性能以及与钢筋结合在一起的工作效应等进行更加深入的研究，相信势必对我国的土木工程与建筑材料行业以及国家的经济建设产生不可估量的效益。

[1] J.Davidovits.Geopolymers[J].Journal of Thermal Analysis,1991,37(8):1633-1656.

[2] J.Davidovits.Geopolymers and geopolymeric materials[J].Journal of Thermal Analysis,1989,35(2):429- 441.

[3] 郭 伟,李旭东,杨南如.胶凝材料在我国的研究发展[A].第一届化学碱激发胶凝材料研讨会议文集[C].南京:东南大学出版社,2004:75-80.

[4] 郑娟荣,覃维祖.地聚物材料的研究进展[J].建筑石膏与胶凝材料,2002(4):11-12.

[5] Bakharev T.Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solutions[J].Cement and Concrete Research,2005,35(6):1233-1246.

[6] Fernandez-Jimenez A.,Garcia-Lodeiro I., Palomo A..Durability of alkali-activated fly ash cementitious materials[J].Journal of Materials Science，2007,42(9):3055-3065.

[7] Bharathi Murugan.R,Sujatha.T,Kannapiran.K,et al.Geopolymer concrete-a green concrete[J].International Journal of Earth Sciences and Engineering,2012,6(1):1738-1744.

[8] 陶文宏,付新华,孙凤金,等.地聚物胶凝材料性能与聚合机理的研究[J].硅酸盐通报,2008,27(4):730-735，739.

[9] 吴 静.新型地聚合物基建筑材料的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.

[10] 井 巍,刘剑虹,林 枫.粉煤灰地质聚合物的制备研究[J].高师理科学刊,2006(4):40- 42.

[11] 龙 涛，石宵爽，王清远，等.粉煤灰基地聚物再生混凝土的力学性能和微观结构[J].四川大学学报(工程科学版)，2013，6(45)：43- 47.

[12] 简家成,刘 铮,杨宏斌,等.地聚物胶凝材料制备及应用研究现状[J].矿产综合利用,2014(3):18-22.

[13] 王国东,樊志国,卢都友.硅铝原料对地聚物制备和性能的影响[J].硅酸盐通报,2009,28(2):239-244.

[14] 张海燕,祁术亮,曹 亮.地聚物净浆、砂浆和混凝土高温后力学性能比较[J].防灾减灾工程学报，2015,35(1):11-16.

Geopolymeric concrete properties and its application research development★

Wang Shurui

(CollegeofCivil&HydraulicEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021，China)

Based on large amount of literature at home and abroad, the article summarizes major geopolymeric concrete characteristics, fabrication methods, application development and application meaning. Through comparing geopolymeric concrete to common silicate concrete, it demonstrates the occurring causes of geopolymeric concrete in new era and new demands, which will have great application prospect for further study.

geopolymeric materials, concrete, polymerization mechanism, mechanical property

2015-04-08 ★：宁夏大学人才引进科研启动基金(项目编号：BQD2012005)

王书锐(1993- )，男，在读本科生

1009-6825(2015)17-0088-03

TU528.41

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