关于地质聚合物的综述

刘路路 范凤英 郭鑫鑫

（华北理工大学 材料科学与工程学院）

0 前言

地质聚合物是在碱性或酸性条件下由硅铝酸盐形成的无机高聚合物胶凝材料。最初由法国科学家 Joseph Davidovits[1]在1970年代发现并命名，国内称为土壤聚合物，地质聚合物，土壤聚合物，矿物粘合材料，矿物聚合物材料等。我们通常简称为地聚物。它是通过地球化学或人工模仿地质合成产生的。通过酸或碱激发的作用，可以在常温下形成具有-Si-O-Al-O-作为基本结构单元的三维网状凝胶材料。工业废物不仅使用良好，而且制备地质聚合物的成本也大大降低。从而在工程材料的中成为发展活跃的材料之一。

1 研究现状

Wei-Hao Lee 等[2]地聚合物:沙子：砾=1：2.5:2.4 的比配制地聚合物混凝土。研究了铝酸钠、硅灰石的添加量和氢氧化钠的浓度对其组织、物理力学性能的影响。室内养护和室外养护180 天后，地聚合物混凝土的抗压强度分别达到67 MPa 和53 MPa。快速氯离子渗透试验表明，地聚物混凝土具有良好的抗氯离子腐蚀性。地聚合物混凝土经过180 天的加速湿-干循环后，抗压强度的持续增长表明其具有良好的耐候性。此次研究主要是以混凝土制备过程中将水泥以地聚化合物代替，探讨其在民用建筑中的作用与潜力。

M.Zribi,B.等[3]实验结果表明，随着固化温度的升高，偏高岭土的反硝化活性增强，不同地质聚合物的反应步骤加快。事实上，温度的升高导致地质聚合物结构富含磷酸铝相，从而增加了材料的抗压强度。

通常可将碱激活偏高岭土胶凝材料的水合过程分为初始、诱导、加速与加速，以及稳定五个阶段[4]。但在实际应用中由于每个水合阶段与传统水泥基材料的不同，其初始阶段基本是偏高岭土吸附溶液组分表面的过程；而诱导期则主要以溶解活性硅与氧化铝的过程；加速阶段是关于四面体群；反之，在减速阶段则主要是以减低水合的速度增加其阻力的扩散，对于偏高岭土来讲则主要体现在反应面积与液相中碱含量的同步降低。

2 性能

2.1 原料广、制备简单、绿色环保

地聚物主要使用固体废物，如煤基高岭土，粉煤灰，矿物废料和煤矸石。另外在其生产期间无需高温进行煅烧，从而实现生产能耗的节约；而对于硅酸盐水泥则由于在生产地质聚合物时可大幅度减少二氧化碳的排放，因此关于地质聚合物的生产可有效降低对于生态平衡与环境协调的影响。

2.2 早强快硬，力学性能好。

地聚合物材料中的聚合速率非常快，易于形成三维网状结构，具有良好的早期强度性能。结构单元主要通过共价键连接。依据 Barbosa.文献研究显示[5]，关于碱性活化剂的应用主要是以激发偏高岭土中的地质聚合物，如巴西高岭土则主要是在700℃的环境下，并经过持续6h 的煅烧方可实现对地质聚合物的激发。同时应注意可在65℃时并在干燥持续1h 后其抗压强度可达到48MPa 左右。另依据吴怡婷[6]研究关于地质聚合物的影响分析中，在苏州高岭土经碱性活化剂激发煅烧过程中，以氟硅酸钠可在其应用28d 后使其抗压强度达到55.6MPa 左右。以及根据Palomo,等.[7]研究发现以煅烧高岭石为原料，同时加入硅砂在经24h 固化后，其地质聚合物的强度可达到84.3MPa。

2.3 界面结合能力强。

通常以传统硅酸盐水泥与骨料结合过程中，其界面极易形成相应的过渡区，并且由于富集大晶粒的氢氧化钙和钙矾石；并且空隙率大，大孔径的孔多；存在大量微裂纹，致使其结合力相对比较薄弱。而相较之下地质聚合物则无硅酸钙的水合反应，基本则主要是以共价键为特征三维网络凝胶体为最终产物，在与骨料结合期间保持一定的紧密性，从而可避免界面过渡区的形成。而相较与常规水泥基材料，在具有相同抗压强度的情况下则地质聚合物的抗折强度更高。

2.4 固定有毒金属离子能力强。

依据Davidovits 文献研究表明[8]，其地质聚合物基质对包括：Mn.Ar、Hg、与Pb 等的固定率可达到90%以上。此外，即使在核辐射的作用下，“笼型”网络骨架也相对稳定。而Mallowc 研究则认为[9]，由于地质聚合物结构中也含有一定的金属离子，对此可发挥有效固话的作用。另以Van Jaarsveld 研究认为[10]，在目前关于地质聚合物主要是以工业固体废料进行制备，如粉煤灰，以及有毒金属与化合物的固化。因此地质聚合物基本可用于密封有毒金属和放射性核废料，并有望用作分子筛。

2.5 耐高温，隔热效果好。

地质聚合物在高温下可以稳定存在，不会发生氧化或者分解反应。通常在＜400℃时其线性收缩率可维持在0.2%-1%之间，而在＜800℃时其线性收缩率可保持在0.2%-2%的范围内，由此可保障地质聚合物具备60%或更高的原始强度。它表现出比传统硅酸盐水泥更好的高温机械强度和更好的耐火性。它与轻质耐火粘土砖相当，具有良好的保温性。而对于致密的氧化物，其在与空气隔离的状态下网络系统可实现对内部材料免受氧化的保护。

2.6 耐腐蚀性，耐久性好。

通过抑制硅酸盐水泥的碱金属离子与聚集体的反应，地质聚合物具有良好的碱度反应，因此具有良好的耐久性。同时，由于在酸性或机溶剂中地质聚合物具有一定的稳定性，经试验若在5%的硫酸溶液中，其分解速度仅是硅酸盐的1/13，而在盐酸溶液中其分解速度则是硅酸盐的1/12。相较于有机聚合物，地质聚合物具有抗老化，不易燃烧与耐久性强等特征；而相较于破特兰水泥，地质聚合物则具有不受环境的影响的优势。

3 应用[11]

（1）地聚物可用作新型胶凝材料，取代传统的硅酸盐水泥，可用于水泥制品，砂浆，纸浆，混凝土等材料的制备；

（2）同时可作为一种高强度的金属板材，通常用于冶金管道、隔热材料与复合板材，以及建筑GRC 板材的制造；

（3）另外应用工业有毒废物和核废料固体密封等材料的制造。

4 结语

地聚物是一种绿色环保材料，具有优良的有机聚合物，陶瓷和水泥性能。但地质聚合物依旧存在一些局限性。 提出以下问题：

（1）地聚物的研究时间相对短而脆，没有关于如何抵抗地聚物脆性的研究实验。

（2）碱性活化剂如NaOH 和Na2SiO3 价格昂贵，产生的副产物对环境不利。 （3）地质聚合物在更多方面的应用有待提高。