摘要：地聚合物(Geopolymer)是一種以無機(jī)[SiO4]、[AlO4]四面體為主要組成，結(jié)構(gòu)上具有空間三維網(wǎng)絡(luò)狀鍵接結(jié)構(gòu)的新型無機(jī)硅鋁膠凝材料。地聚合物的原材料來源廣泛、制備方便、能耗小、基本不排放CO2，同時具有較高的力學(xué)性能和非常優(yōu)異的耐高溫性能。工程應(yīng)用前景非常廣泛。
　　關(guān)鍵詞：地聚合物，結(jié)構(gòu)，性能
　　
　　隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，混凝土建筑物的使用環(huán)境日益惡化，人們對無機(jī)膠凝材料的力學(xué)性能和耐久性能提出了更高的要求，尤其是那些建設(shè)周期長、投資巨大、關(guān)系到國計民生的混凝土工程，需要比現(xiàn)有硅酸鹽水泥混凝土更為長久的使用壽命[1-5]。另外，傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥的燒制消耗大量不可再生的煤、石油、天然氣等能源，同時還排放大量的CO2氣體。與此同時，人們發(fā)現(xiàn)天然低鈣Si-Al質(zhì)材料，如各類粘土，沸石，長石等礦產(chǎn)資源非常豐富，占地殼巖石的80％以上；人造Si-Al質(zhì)工業(yè)廢渣大量積壓，占用大片土地，嚴(yán)重污染環(huán)境，急待開發(fā)利用。因此，如何利用天然或人造低鈣Si-Al質(zhì)材料研究制備出一種適于建筑結(jié)構(gòu)使用的低能耗，低CO2排放量并且力學(xué)性能和耐久性能優(yōu)異的新型節(jié)能環(huán)保膠凝材料具有極大的現(xiàn)實意義。
　　1地聚合物膠凝材料
　　1978年法國材料科學(xué)家J.Davidovits利用活性低鈣Si-Al質(zhì)材料與高堿溶液反應(yīng)首次制備出一種具有有機(jī)高分子聚合物空間三維網(wǎng)狀鍵接結(jié)構(gòu)的新型無機(jī)Si-Al質(zhì)膠凝材料，取名為地聚合物（geopolymer）[6]。與以往的無機(jī)Si-Al質(zhì)膠凝材料相比，地聚合物的優(yōu)勢在于：它具有與古埃及、古羅馬混凝土建筑物相似的優(yōu)異耐久性能；同時在制備工藝中不采用消耗資源和能源的“兩磨一燒”煅燒工藝，而且基本不排放CO2，并且采用資源豐富，價格低廉的低鈣Si-Al質(zhì)材料，突破了傳統(tǒng)硅酸鹽水泥和堿礦渣水泥的使用范圍。由于地聚合物的獨特性質(zhì)，它在我國公路、鐵路、橋梁、房建、礦山、港口、機(jī)場等工程領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　2地聚合物的形成過程
　　無鈣體系的地聚合物的形成過程主要分為4個階段：(1)鋁硅酸鹽礦物粉體原料在堿性溶液(NaOH，KOH)中的溶解；(2)溶解的鋁硅配合物由固體顆粒表面向顆粒間隙的擴(kuò)散；(3)凝膠相[Mx(AlO2)y(SiO2)z•nMOH•mH2O]的形成，導(dǎo)致在堿硅酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發(fā)生聚合作用；(4)凝膠相逐漸排除剩余的水分，固結(jié)硬化成地聚合物塊體[7]。其聚合機(jī)理[8]可以表示如下
　　
　　
　　3地聚合物的結(jié)構(gòu)
　　Davidovits教授將地聚合物的結(jié)構(gòu)形態(tài)分為三種類型：單硅鋁地聚合物Poly(sialate)、雙硅鋁地聚合物Poly(sialate-siloxo)及三硅鋁地聚合物Poly(sialate-disiloxo)。由聚合反應(yīng)得出的地聚合物三維網(wǎng)絡(luò)是由聚合的硅-氧四面體與鋁-氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中硅氧四面體和鋁氧四面體通過共用所有的氧原子交替鍵合。
　　地聚合物是一種無機(jī)高聚物，真正意義上的“geopolymer”的聚合度應(yīng)該在500～1000之間或者更高。地聚合物材料的化學(xué)組成為鋁硅酸鹽，其基體相呈非晶質(zhì)至半晶質(zhì)相，具有[SiO4]和[AlO4]四面體隨機(jī)分布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)單元為硅鋁氧鏈(-Si-O-Al-O-)硅鋁硅、氧鏈(-Si-O-Al-O-Si-O-)和硅鋁二硅氧鏈(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)等。這種結(jié)構(gòu)主鏈由Si-O-Si和Si-O-Al組成，主鏈中由于Al代替Si引起的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的電價不平衡，由K+、Na+離子在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中也變成受電價約束的非自由離子(牢籠結(jié)構(gòu))。地聚合物的結(jié)構(gòu)[9]見圖1。
　　
　　圖1地聚合物的結(jié)構(gòu)圖
　　4地聚合物的性能
　　地聚合物具有優(yōu)異的工程應(yīng)用性能，J.Davidovits等人的研究結(jié)果[10]表明：地聚合物除具有常規(guī)硅酸鹽水泥混凝土所具備的較高力學(xué)性能外，還具有一下優(yōu)異的性能：
　　1）耐酸堿腐蝕性優(yōu)良。地聚合物能經(jīng)受硫酸鹽侵蝕，且在各種酸、堿溶液、鹽水以及各種有機(jī)溶劑中都表現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性，但在濃鹽酸中穩(wěn)定性差。表1給出了地聚合物、普通硅酸鹽水泥和鈣鋁硅酸鹽水泥在濃度為5%的硫酸和鹽酸溶液中質(zhì)量損失率比較
　　表1酸性條件下質(zhì)量損失率比較

　　2）滲透率低。若以氯離子擴(kuò)散系數(shù)來表征混凝土的抗?jié)B性，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)為10-9cm2/s，與花崗巖相近(10-10cm2/s)。地聚合物能長期經(jīng)受輻射及水熱作用而不老化，這是有機(jī)高分子聚合物及硅酸鹽水泥所無法達(dá)到的性能[7,11]。
　　3）低收縮率和低膨脹率。與硅酸鹽水泥相比，地聚合物材料的收縮率要低得多。鉀鋁硅酸鹽聚合物在400℃下的收縮率為0.2%～1%，800℃下為0.2%～2%。其線膨脹系數(shù)在0～1000℃為(2.1～4.5)×10-6。
　　4）耐高溫和低導(dǎo)熱率[12]。地聚合物耐高溫，隔熱效果好，而且不燃燒，不會在高溫下分解放出有毒氣體，地聚合物材料的耐火度>1000℃，熔融溫度達(dá)1050～1250℃，在高溫下能保持較高的結(jié)構(gòu)性能，導(dǎo)熱系數(shù)為0.24～0.38W/m•K，可與輕質(zhì)耐火粘土磚(0.3～0.438W/m)相媲美[13].作為建筑結(jié)構(gòu)材料，可滿足防火阻燃的消防要求。
　　5))耐久性優(yōu)良。地聚合物具有無機(jī)物的特征，與有機(jī)高分子相比，不老化，耐久性好;與硅酸鹽水泥相比，能經(jīng)受環(huán)境的影響，耐久性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅酸鹽水泥，還具有優(yōu)良的抗氧化性能，抗碳化性能。地聚合物的優(yōu)良性能一方面源于其穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，另一方面是因為可以完全避免普通水泥因金屬離子遷移與骨料反應(yīng)而引起的堿集料反應(yīng)，因而抵抗自然破壞的能力很強(qiáng)。
　　6）生產(chǎn)工藝簡單，能耗較低。地聚合物材料生產(chǎn)過程無需普通粘土磚常用的燒制工序，也無需加氣棍凝土制品的蒸氣養(yǎng)護(hù)工序，材料的固化溫度一般在常溫至180℃，依靠各種物料之間的低溫化學(xué)反應(yīng)，即可使凝膠相固化，因而其生產(chǎn)能耗極低。其能耗只有陶瓷的1/20、鋼的1/70、塑料的1/150。
　　7）原料來源廣，成本低廉。地聚合物所用的主要原材料[14]是地表廣泛存在的硅鋁氧化物等低鈣Si-AI質(zhì)材料；堿激發(fā)劑主要采用硅酸鈉或硅酸鉀水玻璃溶液，以及NaOH或KOH溶液等，價格低廉，資源豐富。
　　8）綠色環(huán)保。地聚合物的成分接近于天然礦物，不像許多有機(jī)聚合物造成二次污染。與硅酸鹽水泥的生產(chǎn)相比，地聚合物制備工藝簡單，不使用如生產(chǎn)硅酸鹽水泥那樣大量消耗資源和能源的“兩磨一燒”工藝，因而低能耗，基本不排放CO2，能有效減輕環(huán)境的負(fù)荷[15]
　　表2列出了地聚合物膠凝材料的一些工程性能。
　　表2地聚合物的工程性能
　
　　
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