粉煤灰地質聚合物的制備及研究現狀綜述

韋旭朋 孫健婕 趙雙權 張圓圓

（寧夏大學土木與水利工程學院 寧夏 銀川 750021）

粉煤灰地質聚合物的制備及研究現狀綜述

韋旭朋 孫健婕 趙雙權 張圓圓

（寧夏大學土木與水利工程學院 寧夏 銀川 750021）

本文簡要綜述了地質聚合物的概念、分類、性能、制備原理以及目前國內外的研究現狀等，現在各國科學家對粉煤灰地聚物的形成機理和結構進行了深入地研究，并取得了豐碩的成果和廣泛認可，如粉煤灰地聚物在許多方面都有優異的性能—較高的強度、較強的界面結合力及抗熱性能等等，但是仍然存在很多有待克服的難點。

粉煤灰地聚物；分類；制備原理；研究現狀；

1 引言

“Geopolymer”一詞是法國化學家J.Davidovits[1]教授于上世紀70年代提出的。近年來，國際上對地質聚合物(Geopolymer)的研究非常活躍。偏高嶺土、鋼渣、粉煤灰、硅灰、沸石等都可作為合成地質聚合物的原材料。其制備工藝簡易，原料易得，可充分利用工業廢渣，基本無C02排放，僅將適量的原料和少量堿性激發劑溶液混合，在常溫條件下養護，就可制備不同強度等級的地質聚合物材料[2]。

2 地質聚合物的分類、性能

2.1 地質聚合物的分類

地聚物是一類新型的具有三維氧化物網絡結構的高性能無機聚合材料。根據地質聚合反應中所使用激發劑種類的不同將地質聚合物分為堿激發地質聚合物材料、酸激發地質聚合物材料、鹽激發地質聚合物材料[3]。

(1)堿激發地質聚合物材料使用工業水玻璃，氫氧化鈉，氫氧化鋰或者它們之間的混合物作為地質聚合反應的堿激發劑。

(2)酸激發地質聚合物材料一般使用磷酸等作為地質聚合反應的酸激發劑[3]。(3)鹽激發地質聚合物材料一般使用硫酸鹽、氟化物、硅酸鹽與鋁酸鹽等作為地質聚合反應的鹽激發劑。

2.2 地質聚合物材料的性能

地質聚合物材料具有在許多方面優于普通硅酸鹽混凝土的性能，根據地質聚合物材料的基本定義可以判定其屬于一種無機高分子材料[4]，它涵蓋了水泥、陶瓷、高強混凝土等一些無機材料的優點，主要有以下三個方面：（1）原材料來源豐富、價格低廉。大自然中硅鋁質材料來源廣泛，隨著社會工業化進程的不斷加速，礦山尾礦、粉煤灰、煤殲石等工業廢渣的堆放問題顯得尤為突出，如果將其作為地質聚合物的原料，那么不僅可以很好的解決這些工業廢棄物堆放問題，而且還可以起到保護環境、變廢為寶的作用。（2）具有較高的強度。濟南大學的黃風會[5]利用鋼渣-粉煤灰-礦渣-砂子作為原料制備出28d抗壓強度高達78.8MPa的地質聚合物混凝土，吸水率為8.30%。（3）具有較強的界面結合力。粉煤灰地質聚合物混凝土中含有大量的粉煤灰，在與其它骨料、堿激發劑反應的過程中會生成大量的凝膠體，致使其有較強的界面結合力，不會出現如硅酸鹽水泥與骨料反應時的氫氧化鈣富集和擇優取向的過渡區，因此強度隨之得到大幅度的提升。

3 粉煤灰地質聚合物的制備原理

3.1 實驗原料

實驗原料主要有粉煤灰，水玻璃，中砂，石子，減水劑，工業硅酸鈉以及氫氧化鈉等。減水劑的作用可以通過減少用水量來降低地聚物混凝土的水灰比，從而提高其強度。

3.2 實驗流程

（1）研磨粉煤灰；（2）將NaoH溶液與水玻璃攪拌均勻制成堿激發劑溶液；（3）裝石子、中砂、粉煤灰入攪拌機中充分攪拌；（4）將之前攪拌均勻的堿激發劑溶液倒入攪拌機中繼續攪拌；（5）裝模振搗抹平；（6）對成型試件進行標準養護；（7）對成型試件進行強度測試。

3.3 反應機理

粉煤灰地質聚合物的反應機理比較復雜，主要可分為以下四個方面[6]： (1)粉煤灰中的鋁硅酸鹽礦物粉體原料在氫氧化鈉溶液中的溶解； (2)溶解的鋁硅配合物由固體顆粒表面向顆粒間隙擴散； (3)凝膠相鋁化氧化物的形成，導致在堿硅酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發生了聚合作用；(4)凝膠相逐漸排除剩余的水分，固結硬化形成地聚合物塊體。

4 粉煤灰生產水泥的研究現狀

粉煤灰生產地聚水泥現在已成了許多國內外專家的研究熱點[7]。

(1)東南大學的沙健芳等人[8]研究了偏高嶺土和粉煤灰不同摻量比制備地聚水泥，在粉煤灰摻量為30%時，產生的抗壓強度和抗折強度分別為23.4MPa和4.60MPa，證明適宜的粉煤灰摻量有助于地聚水泥達到較高的抗壓強度和抗折強度。

（2）范飛林等[9]通過粉煤灰和礦渣為原料，以液體硅酸鈉水玻璃和氫氧化鈉作為堿激發劑，在標準養護條件下制備出28d抗壓強度達56.4MPa以上的地質聚合物混凝土，強度特性穩定。

（3）P.V.Krivenko和G.Yu.Kovalchuk[10]指出與粉煤灰相比較，利用高嶺土或偏高嶺土生產地聚水泥最大的缺點就是高能耗；而利用粉煤灰生產地聚水泥需水量較少，具有較高的抗熱性能等多方面優越性。

綜合以上各位學者對地質聚合物混凝土的研究發現，在制備地質聚合物混凝土的過程中其原料之一都含有粉煤灰，有的還加入了礦渣或偏高嶺土，但最終制備的地聚物混凝土其抗壓強度、抗折強度都較高，且抗熱性能優異。分析其原因，可能是粉煤灰等膠凝材料在與骨料、堿激發劑反應的過程中，生成了C-S-H凝膠，填充了混凝土中的空隙，改善了混凝土的孔結構，堵塞了漿體中毛細孔的通道，致使其強度得到大幅度提高[11]。

5 展望

（1）地聚物混凝土雖然具有強度高、耐酸堿腐蝕等優異性能，但是其粘聚性較強，對于施工還存在一定的困難，因此如何制備出高強度自流動性的地聚物混凝土成為今后研究的方向。

（2）粉煤灰地聚物混凝土反應過程中堿激發劑可以選用LiOH、KOH、NaOH、Na2CO3、K2CO3和Na2SiO3其中一種，但是如果分析不同離子的性質選用其中兩種或兩種以上作為堿激發劑，且在這些堿激發劑中同時加入適量的纖維、硅粉、沸石，改變其中一種的摻量來研究強度增長情況具有很大的可行性。

[1]Davidovits J. Mineral polymers and methods of making them [R].US Pat,4349386.1980.

[2]李圣.有機樹脂強化增韌偏高嶺土—礦渣基地質聚合物的性能研究[D].西安建筑科技大學碩士論文，材料學，2014：1-2.

[3]鞏思宇.養護溫度和時間對堿基發偏高齡土基地質聚合物反應過程及性能的影響[D].廣西大學碩士論文，材料化工，2012：1-2.

[4]朱國振.粉煤灰/偏高嶺土地質聚合物材料的制備及其性能研究[D].景德鎮陶瓷學院碩士論文，材料物理與化學，2014∶34.

[5]黃鳳會. 廢棄物基地質聚合物材料的制備及性能研究[D].濟南大學,2014.

[6]龍伏梅. 粉煤灰地聚合物材料及性能研究[D].南昌大學,2006.

[7]趙海軍.嚴云.胡志華等.粉煤灰生產地聚水泥的研究現狀及效益展望[J].水泥工程，2007,3∶23.

[8]沙建芳，孫偉，張云升.地聚合物一粉煤灰復合材料的制備及力學性能.粉煤灰科學研究[M]，2004

[9]范飛林,許金余,李為民,陳勇,李慶. 地質聚合物混凝土的制備及工程應用前景[A]. 中國巖石力學與工程學會工程安全與防護分會.第一屆全國工程安全與防護學術會議論文集[C].中國巖石力學與工程學會工程安全與防護分會,2008∶5.

[10]P.V.Krivenko and G.Yu.Kovalchuk. Heat-Resistant Fly Ash Based Geocements.GEOPOLYMERS[J]，2002.

[11]水中和，魏小勝，王棟民.現代混凝土科學技術[M].科學出版社.2014.

TQ172

B

1007-6344（2017）01-0013-01

寧夏科技支撐計劃項目（2013ZYG30）

韋旭朋（1992-），男，漢族，河南洛陽人，碩士研究生，主要研究方向為混凝土結構。