地聚物研究进展

秦潇亮

【摘 要】地聚物是新出现的一种新型非水泥基绿色无机胶泥材料，它的原材料为工业废弃物（如矿渣、粉煤灰等），符合国家绿色建筑发展的原则。地聚物具有快硬早强、耐高温效果好及耐腐蚀性能强等优点。文章总结了近年来国内外学者关于地聚物力学性能的研究成果，为地聚物在土木工程中的应用提供参考。

【关键词】地聚物;耐高温;耐腐蚀;力学性能

【中图分类号】TQ323.41 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）11-0079-04

0 引言

地质聚合物（Geopolymer，简称地聚物），是近年来研究热点中新出现的一种新型非水泥基绿色无机胶泥材料，它被视作是最有前景的水泥替代品之一[1]。地聚物这一概念最早在1978年由法国教授Joseph Davidovits提出[2]，它是由富含硅、铝酸盐类的天然矿物或工业废弃物（如偏高岭土、矿渣、粉煤灰等）在碱性激发剂（如NaOH、硅酸钠、碳酸钠等）作用下经化学反应制备而成，因此地聚物又称碱激发胶凝材料。地聚物对于建筑业实现可持续发展与绿色建造具有重要意义。地聚物来源广、获取成本低并且实现工业废弃物（如粉煤灰、高炉矿渣粉等）的循环利用，因此不需要大量消耗矿产资源。地聚物生产工艺简单，不需要高温煅烧，因而能耗大幅度降低。地聚物生产的碳排放量约为水泥的20%，而且几乎不产生有害气体，基本上实现污染物零排放。

1 地聚物力学性能的研究

1.1 快硬早强性能的研究

Li Q等人[3]进行了以龄期、碱激发剂类型为主要试验参数研究地聚物的抗压强度。试验表明，以水玻璃作为碱激发剂的碱激发混凝土快速凝结且早期强度高，而且强度迅速发展。1 d抗压强度可以达到68 MPa，3 d后抗压强度就能够迅速提高到96 MPa，2 d抗压强度增幅达到30%左右。

常利等人[4]研究了地聚物和10%的普通硅酸盐水泥混合并在激发剂为10%的复合碱作用下，制备而成地聚物水泥混凝土，它的8 h抗压强度及抗折强度分别达到30.5 MPa及3.1 MPa，同时强度随着龄期的增加都不断增长，它的28 d抗压强度达到50.1 MPa且抗折强度为5.1 MPa。

吴怡婷等人[5]研究分析了地聚物抗压强度关于养护制度、促硬剂、碱性激发剂种类等为试验因素的影响规律。研究发现，在采用氟硅酸钠作为促硬剂的条件下，偏高岭土采用钠水玻璃激发制得的地聚物标准养护3 d、7 d、28 d的抗压强度分别达36.5 MPa、49.8 MPa、55.6 MPa。

1.2 黏结性能的研究

王爱国等人[6]通过抗折试验对地聚物砂浆的黏结性能进行研究，分别采用地聚物砂浆与普通硅酸盐水泥砂浆将预先进行抗折试验而断裂的水泥砂浆抗折试件重新黏结起来，然后进行二次抗折试验。研究表明，与普通硅酸盐水泥砂浆黏结修补试件相比较，地聚物砂浆黏结修补试件的抗折强度均较大，并且其抗折强度更接近于水泥砂浆抗折试件未经修补而进行首次抗折试验的抗折强度。

郑文忠等人[7]以用水量及水玻璃模数为研究因素通过面内剪切试验对地聚物与碳纤维布之间的黏接性能进行研究。结果表明，当用水量是高炉矿渣粉质量的0.35或0.42并且水玻璃模数是1.0时，地聚物与碳纤维布之间的3 d面内剪切强度为1.38 MPa，基本上和环氧树脂与碳纤维布之间的面内剪切强度相同，此时地聚物作胶结剂具有良好的和易性，施工方便快捷。

曹亮等人[8]研究了地聚物砂浆分别与旧水泥砂浆、旧混凝土及纤维编织网的黏结强度试验。结果表明，地聚物砂浆与旧混凝土和旧水泥砂浆基体分别在常温及300 ℃下的黏结强度均能满足相关规范对修复或加固砂浆应达到的拉伸黏结强度，所以地聚物砂浆可以应用于300 ℃以下高温环修复境加固混凝土结构;常温下地聚物砂浆与碳纤维网的黏结强度略低于环氧树脂与碳纤维网的黏结强度，但温度不高于300 ℃时，地聚物砂浆的黏结强度几乎不降低，而环氧树脂的黏结强度大幅降低。

1.3 耐高温性能的研究

Davidovits等人[9]发明地聚物的主要目的是想解决建材中采用有机建筑材料常遇到的建筑物防火问题，因此他们进行了地聚物高温后性能研究。研究表明，在1 200 ℃高温下对地聚物碳纤维复合材料煅烧2 h后，仍然能够达到原基体强度的61%，可以和其他的陶瓷/碳纤维材料的高温力学性能相媲美。

王恩等人[10]研究发现地聚物具有的优异耐高温性能取决于其微观结构。一方面是由硅氧四面体及铝氧四面体聚合而成的三维网状空间链结构具有十分优异的稳定性;另一方面是它致密的三维网状空间链结构能够隔绝空气，从而保护内部物质不易被氧化。

翁履谦和曹海琳等人[11]研究比较了水泥胶砂与碱激发高炉矿渣粉制备的地质聚合物高温后的抗折强度。经250 ℃煅烧2 h后，地质聚合物胶砂与水泥胶砂抗折强度损失分别为9.7%与31.3%;经650 ℃煅烧2 h后，水泥试样已断裂，而地聚物胶砂抗折强度损失为62.5%，且外观整体完整。结果表明：相较于水泥，高温煅烧后地聚物强度损失明显更小。这是因为地质聚合物微观结构在高温环境中由原来的非晶态结构转变为结晶的沸石结构，所以地质聚合物具有优异的耐高温性能。

1.4 耐腐蚀性能的研究

Bakharev等人[12]分别将硅酸盐水泥试块及碱激发矿渣试块同时放入硫酸镁溶液中进行腐蚀，经过1年后观察得硅酸盐水泥试块产生大量的贯穿裂缝及发生剥落现象;但是碱激发矿渣试块的抗压强度反而提高，并且试块表面只出现少量的表层裂缝。

焦向科等人[13]将同等强度的地质聚合物试块与硅酸盐水泥试块分别放入5%wt的硫酸钠、硫酸、氯化镁及盐酸溶液中浸泡30 d，地质聚合物试块的质量损失平均为10%左右，抗壓强度降低幅度最小为2.1%且最大为42%;相反，普通硅酸盐水泥试块的质量损失分别为-2.5%、35%、3.2、40%，而且抗压强度降低幅度为35%、100%、12%、100%。

施惠生等人[14]以酸的种类及酸的浓度为主要试验因素对地质聚合物的耐酸性进行研究。研究表明，地聚物耐酸性的强弱取决于地聚物材料化学成分与酸的浓度，原材料钙含量与酸的浓度越高则地聚物越容易受到侵蚀，这是因为钙容易被酸溶出;地聚物的耐酸侵蚀性受酸的种类影响不大，地聚物的侵蚀程度在pH或浓度相近的情况下相差不大，分析原因为在受酸侵蚀时，地聚物中不稳定Al-OH结构主要受H+破坏，并且H+也可能替换溶出平衡离子如Na+。

2 地聚物的强化增韧研究

地聚物的微观结构及组成特性一方面使它具有较高的力学性能，但是另一方面也导致它具有延性小、韧性低、脆性大的缺点。分析原因是地聚物微观结构即三维网状空间链结构中原子互相之间存在较多间隙，当地聚物受荷载作用时，它并不能像金属材料般能够通过原子间的错位移动而具有优良的延展性，并且原子共价键具有方向性，致使共价键及离子键断裂时基本上不产生任何变形[15]。为了解决地聚物延性小、韧性低、脆性大的缺点，近些年来国内外学者结合混凝土领域中普遍应用的纤维增韧技术与有机聚合物增韧技术对地聚物进行复合强化增韧改性研究。

Shaikh等人[16-17]研究比较了在碱激发地聚物混凝土中分别掺入不同纤维对其性能特点的影响。通过比较分别掺入PVA纤维与钢纤维作用于粉煤灰基地聚物混凝土对其韧性的影响，可从试验结果中发现在受荷载作用下，PVA纤维强化增韧的粉煤灰基地聚物混凝土裂缝发展转变为“细而密”及发生弯曲变形硬化的特点。

Natali等人[18]系统地探讨了地质聚合物受PVA纤维、碳纤维、PVC纤维、玻璃纤维强化增韧后的改善效果，研究发现PVC纤维与碳纤维相较于其他纤维具有更好的增韧效果。

Dias等人[19]在地聚物混凝土中掺入了矿物纤维并对其增韧效果进行研究，研究表明地聚物混凝土的断裂韧性因矿物纤维的掺入得到有效改善。

Zhang等人[20]系统地研究了地质聚合物受聚丙烯酸（PAA）系列有机物复合强化增韧后的韧性性能，研究发现受聚丙烯酸钠（PAANa）增韧后地聚物在最大抗压强度仅为25.4 MPa的情况下，能够明显增大基体的韧性，使其抗折强度达到6.1 MPa。

Saafia等人[21]研究了碱激发粉煤灰地聚物受多壁碳纳米管（MWCNTs）强化增韧后的改性效果，结果表明多壁碳纳米管（MWCNTs）既能够增大试件的抗折韧性、杨氏模量及抗折强度，也能够提高电导率及增加断裂能。

3 地聚物的发展方向及应用

地聚物优秀的力学性能使其具有巨大的工程应用价值且具有多方面的用途，从而可以应用于多个行业，例如可以作为土木工程抢险修复材料、建筑结构胶结剂、耐火耐高温材料及固废材料等。

3.1 土木工程抢险修复材料

快速凝结及硬化、早期强度高是地聚物无机胶泥材料最为突出的优点之一，被视作为一种理想的土木工程搶险修复加固材料并且得到应用。海湾战争期间，美国使用地聚物胶凝材料修建的临时飞机场便以极高的建造效率和质量在全世界范围内引起极大轰动，采用地聚物建造的飞机跑道1 h后便可在其上步行，4 h后便可通行机动车辆，6 h后飞机便可在其上进行起降[22]。彭小芹等人[23]研发了一种加入普通硅酸盐水泥的地聚物混凝土，并且将这种地聚物混凝土运用到实际工程即桂柳高速公路修复加固工程之中，施工过程方便快捷，施工后不需要进行专项养护，修复加固1 d后便可通车且路面状况良好。

3.2 建筑结构胶结剂

地聚物无机胶泥材料的黏结性能极强，使其能够成为建筑结构胶结剂，从而代替环氧树脂有机胶与纤维片材复合并应用于土木工程修复加固领域[24]。Kurtz等人[25]针对钢筋混凝土梁分别采用环氧树脂有机胶与地聚物无机胶凝材料粘贴CFRP布进行加固并研究其加固效应。试验表明，采用地聚物无机胶泥材料粘贴CFRP布加固钢筋混凝土梁的加固效果（即刚度和强度）和环氧树脂有机胶粘贴CFRP布加固钢筋混凝土梁的效果相当。房帅[26]以胶结剂类型（地聚物、环氧树脂）和CFRP布层数为研究因素进行了钢筋混凝土加固梁的四点弯曲试验。结果表明，钢筋混凝土梁经地聚物粘贴CFRP布加固后其力学性能即承载能力及变形能力显著提高。祁术亮[27]通过四点弯曲试验研究分析了胶结剂类型和FRP布类型对地聚物粘贴FRP布加固梁的力学性能影响。结果表明，地聚物作胶结剂的加固梁的刚度及承载力均不低于环氧树脂做胶结剂的加固梁，但是延性降低。

3.3 耐火耐高温材料

地聚物微观结构的致密性使其具备优异的耐火耐高温性能。段静等人[28]研制了一种以稻壳灰和偏高岭土为原材料的地聚物，并且采用这种地聚物涂抹组合楼板进行明火试验。研究表明，在荷载比为0.19时即使不设防火保护，组合楼板的耐火耐高温性能也能满足规范中一级楼板的要求;在荷载比为0.5时，涂抹厚度为10 mm的地聚物涂料于组合楼板表面，则组合楼板的耐火耐高温性能极限大大超过规范中规定的1.5 h，故在土木工程领域中地聚物可以作为一种新型耐火耐高温涂料。

3.4 固定重金属离子

地聚物的微观结构即三维网状空间链结构具有牢笼状空腔，Pb、Co、Ar、Mn、Fe、As、Hg等重金属离子和有害物质能够被地聚物包裹固定于空腔之内[29]。Mallow的研究表明地聚物之所以能够固定金属离子是因为金属离子被地聚物包裹吸附之后加入地聚物微观结构的形成过程之中。因此，地聚物可以应用到核废料及有毒废料处理[30-33]的实际工程。

4 结语

水泥生产不仅会大量排放造成全球气候变暖的CO2，还会伴随排放出二氧化硫及氮的氧化物等有害气体，形成酸雨破坏生态环境，并且生产水泥消耗的能源占建材消耗总能源的75%[34]。因此，寻找一种绿色环保的水泥替代品，减少水泥生产对环境的污染，是建筑行业迫在眉睫的问题。地质聚合物（简称地聚物）是近年来新出现的一种新型非水泥基绿色胶凝材料，它是由工业废渣（粉煤灰、高炉矿渣粉等）和碱溶液（NaOH2、NaSiO3等配置）拌和激发下生成的，生产碳排放量为水泥的20%[35]。地聚物具有以下特点：初凝时间短，早期强度高;与旧混凝土界面相容性好;耐火性及耐腐蚀性好，在氯盐、硫酸盐等环境中具有较好的耐久性能[36-38]。因此，地聚物被认为是最有前景的水泥替代物之一[39]。

参 考 文 献

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