關于地質(zhì)聚合物的綜述

劉路路 范鳳英 郭鑫鑫

（華北理工大學 材料科學與工程學院）

0 前言

地質(zhì)聚合物是在堿性或酸性條件下由硅鋁酸鹽形成的無機高聚合物膠凝材料。最初由法國科學家 Joseph Davidovits[1]在1970年代發(fā)現(xiàn)并命名，國內(nèi)稱為土壤聚合物，地質(zhì)聚合物，土壤聚合物，礦物粘合材料，礦物聚合物材料等。我們通常簡稱為地聚物。它是通過地球化學或人工模仿地質(zhì)合成產(chǎn)生的。通過酸或堿激發(fā)的作用，可以在常溫下形成具有-Si-O-Al-O-作為基本結(jié)構(gòu)單元的三維網(wǎng)狀凝膠材料。工業(yè)廢物不僅使用良好，而且制備地質(zhì)聚合物的成本也大大降低。從而在工程材料的中成為發(fā)展活躍的材料之一。

1 研究現(xiàn)狀

Wei-Hao Lee 等[2]地聚合物:沙子：礫=1：2.5:2.4 的比配制地聚合物混凝土。研究了鋁酸鈉、硅灰石的添加量和氫氧化鈉的濃度對其組織、物理力學性能的影響。室內(nèi)養(yǎng)護和室外養(yǎng)護180 天后，地聚合物混凝土的抗壓強度分別達到67 MPa 和53 MPa。快速氯離子滲透試驗表明，地聚物混凝土具有良好的抗氯離子腐蝕性。地聚合物混凝土經(jīng)過180 天的加速濕-干循環(huán)后，抗壓強度的持續(xù)增長表明其具有良好的耐候性。此次研究主要是以混凝土制備過程中將水泥以地聚化合物代替，探討其在民用建筑中的作用與潛力。

M.Zribi,B.等[3]實驗結(jié)果表明，隨著固化溫度的升高，偏高嶺土的反硝化活性增強，不同地質(zhì)聚合物的反應步驟加快。事實上，溫度的升高導致地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)富含磷酸鋁相，從而增加了材料的抗壓強度。

通常可將堿激活偏高嶺土膠凝材料的水合過程分為初始、誘導、加速與加速，以及穩(wěn)定五個階段[4]。但在實際應用中由于每個水合階段與傳統(tǒng)水泥基材料的不同，其初始階段基本是偏高嶺土吸附溶液組分表面的過程；而誘導期則主要以溶解活性硅與氧化鋁的過程；加速階段是關于四面體群；反之，在減速階段則主要是以減低水合的速度增加其阻力的擴散，對于偏高嶺土來講則主要體現(xiàn)在反應面積與液相中堿含量的同步降低。

2 性能

2.1 原料廣、制備簡單、綠色環(huán)保

地聚物主要使用固體廢物，如煤基高嶺土，粉煤灰，礦物廢料和煤矸石。另外在其生產(chǎn)期間無需高溫進行煅燒，從而實現(xiàn)生產(chǎn)能耗的節(jié)約；而對于硅酸鹽水泥則由于在生產(chǎn)地質(zhì)聚合物時可大幅度減少二氧化碳的排放，因此關于地質(zhì)聚合物的生產(chǎn)可有效降低對于生態(tài)平衡與環(huán)境協(xié)調(diào)的影響。

2.2 早強快硬，力學性能好。

地聚合物材料中的聚合速率非常快，易于形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有良好的早期強度性能。結(jié)構(gòu)單元主要通過共價鍵連接。依據(jù) Barbosa.文獻研究顯示[5]，關于堿性活化劑的應用主要是以激發(fā)偏高嶺土中的地質(zhì)聚合物，如巴西高嶺土則主要是在700℃的環(huán)境下，并經(jīng)過持續(xù)6h 的煅燒方可實現(xiàn)對地質(zhì)聚合物的激發(fā)。同時應注意可在65℃時并在干燥持續(xù)1h 后其抗壓強度可達到48MPa 左右。另依據(jù)吳怡婷[6]研究關于地質(zhì)聚合物的影響分析中，在蘇州高嶺土經(jīng)堿性活化劑激發(fā)煅燒過程中，以氟硅酸鈉可在其應用28d 后使其抗壓強度達到55.6MPa 左右。以及根據(jù)Palomo,等.[7]研究發(fā)現(xiàn)以煅燒高嶺石為原料，同時加入硅砂在經(jīng)24h 固化后，其地質(zhì)聚合物的強度可達到84.3MPa。

2.3 界面結(jié)合能力強。

通常以傳統(tǒng)硅酸鹽水泥與骨料結(jié)合過程中，其界面極易形成相應的過渡區(qū)，并且由于富集大晶粒的氫氧化鈣和鈣礬石；并且空隙率大，大孔徑的孔多；存在大量微裂紋，致使其結(jié)合力相對比較薄弱。而相較之下地質(zhì)聚合物則無硅酸鈣的水合反應，基本則主要是以共價鍵為特征三維網(wǎng)絡凝膠體為最終產(chǎn)物，在與骨料結(jié)合期間保持一定的緊密性，從而可避免界面過渡區(qū)的形成。而相較與常規(guī)水泥基材料，在具有相同抗壓強度的情況下則地質(zhì)聚合物的抗折強度更高。

2.4 固定有毒金屬離子能力強。

依據(jù)Davidovits 文獻研究表明[8]，其地質(zhì)聚合物基質(zhì)對包括：Mn.Ar、Hg、與Pb 等的固定率可達到90%以上。此外，即使在核輻射的作用下，“籠型”網(wǎng)絡骨架也相對穩(wěn)定。而Mallowc 研究則認為[9]，由于地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)中也含有一定的金屬離子，對此可發(fā)揮有效固話的作用。另以Van Jaarsveld 研究認為[10]，在目前關于地質(zhì)聚合物主要是以工業(yè)固體廢料進行制備，如粉煤灰，以及有毒金屬與化合物的固化。因此地質(zhì)聚合物基本可用于密封有毒金屬和放射性核廢料，并有望用作分子篩。

2.5 耐高溫，隔熱效果好。

地質(zhì)聚合物在高溫下可以穩(wěn)定存在，不會發(fā)生氧化或者分解反應。通常在＜400℃時其線性收縮率可維持在0.2%-1%之間，而在＜800℃時其線性收縮率可保持在0.2%-2%的范圍內(nèi)，由此可保障地質(zhì)聚合物具備60%或更高的原始強度。它表現(xiàn)出比傳統(tǒng)硅酸鹽水泥更好的高溫機械強度和更好的耐火性。它與輕質(zhì)耐火粘土磚相當，具有良好的保溫性。而對于致密的氧化物，其在與空氣隔離的狀態(tài)下網(wǎng)絡系統(tǒng)可實現(xiàn)對內(nèi)部材料免受氧化的保護。

2.6 耐腐蝕性，耐久性好。

通過抑制硅酸鹽水泥的堿金屬離子與聚集體的反應，地質(zhì)聚合物具有良好的堿度反應，因此具有良好的耐久性。同時，由于在酸性或機溶劑中地質(zhì)聚合物具有一定的穩(wěn)定性，經(jīng)試驗若在5%的硫酸溶液中，其分解速度僅是硅酸鹽的1/13，而在鹽酸溶液中其分解速度則是硅酸鹽的1/12。相較于有機聚合物，地質(zhì)聚合物具有抗老化，不易燃燒與耐久性強等特征；而相較于破特蘭水泥，地質(zhì)聚合物則具有不受環(huán)境的影響的優(yōu)勢。

3 應用[11]

（1）地聚物可用作新型膠凝材料，取代傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥，可用于水泥制品，砂漿，紙漿，混凝土等材料的制備；

（2）同時可作為一種高強度的金屬板材，通常用于冶金管道、隔熱材料與復合板材，以及建筑GRC 板材的制造；

（3）另外應用工業(yè)有毒廢物和核廢料固體密封等材料的制造。

4 結(jié)語

地聚物是一種綠色環(huán)保材料，具有優(yōu)良的有機聚合物，陶瓷和水泥性能。但地質(zhì)聚合物依舊存在一些局限性。 提出以下問題：

（1）地聚物的研究時間相對短而脆，沒有關于如何抵抗地聚物脆性的研究實驗。

（2）堿性活化劑如NaOH 和Na2SiO3 價格昂貴，產(chǎn)生的副產(chǎn)物對環(huán)境不利。 （3）地質(zhì)聚合物在更多方面的應用有待提高。