地聚合物胶凝材料研究现状

陈少游

摘要：地聚合物胶凝材料是一类新型的高性能无机聚合物材料，它与水泥基胶凝材料相比具有更高的强度、更优良的耐久性、无污染等特点。本文详细介绍了地聚合物胶凝材料的发展状况、反应机理和结构、性能研究现状，以及地聚合物胶凝材料的应用前景，最后提出了研究中存在的一些问题及建议。

关键词：地聚合物，胶凝材料，聚铝硅酸盐，理化性能

中图分类号：TQ177

0 前言

地聚合物（Geopolymer）概念最早是由法国科学家Joseph Davidovits于1985年在其专利[ ]中提出来的。这类化合物与地壳中大量存在的沸石类物质结构相似，因而命名为地聚合物材料，其原意是指由地球化学作用（Geochemistry）或人工模仿地质合成作用（Geosynthesis）而制造出的铝硅酸盐矿物聚合物。地聚合材料在国内还被称为：人造矿物聚合物、高强矿物聚合物、土壤聚合物、土聚水泥等[ ]。

地聚合物胶凝材料是以烧粘土（偏高岭土）或其它以硅、铝、氧为主要元素的硅铝质材料、碱激活剂为主要原料，经适当的工艺处理，在较低的温度条件下通过化学反应得到的具有与陶瓷性能相似的一种新型胶凝材料[ ]，它具有有机高聚物、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小等优点。由于地聚合物胶凝材料性能独特，其在冶金、土木工程、环境工程等领域都有较好的应用前景，因此地聚合物胶凝材料的研究和应用已经受到的广泛关注。本文对地聚合物的研究和应用现状以及目前存在的问题进行重新梳理，以为该研究领域的发展提供参考。

1 地聚合物的发展过程

地聚合物材料属于碱激发胶凝材料，这类材料的应用可以追溯到古代，即以高岭土、白云岩或石灰岩与盐湖成分碳酸钠、草木灰成分碳酸钾以及硅石的混合物，加水拌和后产生强碱氢氧化钠和氢氧化钾，与其它组分发生反应，生成矿物聚合粘结剂而制成人造石[ ]。

地聚合物胶凝材料自诞生以来，经历了一个从初级到高级的发展过程。最初生产的地聚合物制品必须在一定温度（50℃-180℃）下养护，甚至需要压蒸工艺，所用原材料比较单一。随着研究的进展，地聚合物在常温下也能实现快硬高强的优异性能，所用原材料也比较丰富，目前一些工业废渣在地聚合物中也被广泛应用。地聚合物的碱激发剂也由单一的碱金属、碱土金属的氢氧化物扩展到氧化物、卤化物、有机基组分等。地聚合物的增韧、增强途径以及制备工艺手段也日趋发展，材料的性能得到大幅度提高[4, - ]。国外有关地聚合物胶凝材料方面的专利、论文数量每年大幅度增加，研究内容已经进入实用化阶段，而国内在这一领域的研究起步相对较晚，目前发表了一些基础性研究论文和综述[ ]，下面就国内外地聚合物形成机理与微观结构方面的研究现现状进行论述。

2 地聚合物形成机理及微观结构

地聚合物通过铝硅酸盐固体组分的溶解络合、分解迁移、浓缩聚合和脱水硬化而形成，由铝硅酸盐凝胶相形成的基本相，其化学组成与沸石相近，物理形态上呈现三维网络结构，因此其具有有机聚合物、陶瓷、水泥的优良性能。

1.1. 地聚合物的反应机理

地聚合物的形成过程分为4个阶段：（1）铝硅酸盐矿物粉体原料在碱性溶液（NaOH，KOH）中的溶解；（2）溶解的铝硅配合物由固体颗粒表面向颗粒间隙的扩散；（3）凝胶相[MX(AlO2)y(SiO2)•nMOH•mH2O]的形成，导致在碱硅酸盐溶液和铝硅配合物之间发生聚合作用；（4）凝胶相逐渐排除剩余多的水分，固结硬化成地聚合物块体[ - ]。

1.2. 地聚合物的结构

由聚合反应得出的地聚合物三维网络是由聚合的硅-氧四面体与铝-氧四面体网络结构构成，其中的硅氧四面体和铝氧四面体通过共用所有的氧原子交替键合。Davidovits[ ]将地聚合物最终产物的结构形态分为3个类别：单硅铝地聚合物，双硅铝地聚合物，三硅铝地聚合物。

硅元素存在稳定的+4价态，因此硅氧四面体呈电中性；铝氧四面体中的铝元素是+3价态，却与四个氧原子结合成键，因此铝氧四面体显电负性，需要阳离子（如K+，Na+）的出现来平衡体系中的负电荷，总的结果使体系显电中性。这些Si-O键和Al-O键分别以[SiO4]四面体和[AlO4]四面体或 [AlO6]配位多面体的形式存在，在碱溶液的作用下，共价键断裂形成三维网络结构，称为三维聚合铝酸盐结构。反应形成的铝酸盐结构水化产物不断交织、聚合，产生高强度无序的胶凝材料结构，机械强度不断提高。在网络结构中，[SiO4]四面体和[AlO4]四面体由4个角的共有氧原子相连，激发剂溶液中的碱离子填充在结构中平衡由Al3+取代Si4+后多余的负电荷。原材料的活性组分在碱性条件下，经历瓦解并再度链接从而形成以硅、铝为主要结构单元的化学键和陶瓷体结构，物质之间以离子键和共价键连接为主，氢键和范德华力为辅，不存在传统水泥水化生成的钙矾石和氢氧化钙粗大晶体，因而具有高强和耐久的结构特征[ ]。

3 地聚合物的性能和应用

2.1. 地聚合物的性能特点

地聚合物是一种无机高聚物，真正意义上的“Geopolymer”的聚合度在500-1000之间或者更高。地聚合物胶凝材料的化学组成为铝硅酸盐，其基体相呈非晶质至半晶质相，具有[SiO4]四面体和[AlO4]四面体随机分布的三维网络结构。这种无机聚合物的结构与具有三维网状结构的工程塑料具有相似的结构，后者是碳碳主链，而前者是硅氧铝主链，从主链结构上看无机高聚物应该比工程塑料具有更优异的性能，主要表现在：

1）材料强度高、硬化快。

2）耐酸碱腐蚀性优良。

3）渗透率低。

4）低收缩率和低膨胀率。

5）耐高温、导热率低。

6）耐久性优良。

7）原料来源广，成本低廉，能耗低。

8）能有效固定有毒金属离子。

9）绿色环保。

2.2. 地聚合物的应用领域

地聚合物由于具有施工性良好、反应热低、体积稳定性好、热膨胀系数低、耐高温、耐久性能好、强度高、可进行有毒物质和核废料的处理、绿色环保、可回收再利用等独特性能，可应用于以下方面：

1）地聚合物因其耐高温性能优良，不会燃烧以及放出有毒气体，因此可用于制成汽车的防热罩或飞行器的驾驶室和机舱的关键部位，提高安全系数。

2）地聚合物在高温条件下结构能保持稳定，可使其用于非铁铸造及冶金业。

3）地聚合物优良的耐酸性、耐侵蚀性能，可使其用于塑料成型的模具。

4）良好的加工性能使成性较为方便，从而制成各种艺术品和装饰用品。

5）可用于注浆加固技术、交通、抢修工程等。因其具有快硬早强的性能，可以提高施工速度，从而带来了巨大的经济效益和社会效益。

6）地聚合物具有稳定的牢笼型结构可固化有毒废弃物及核废料处理。

7）地聚合物修建的建筑物具有自调温湿的功能，且具有良好的密封性，足够的强度，适合用作粮仓储备粮食。

除此以外，地聚合物可适用于很多行业，经济效益和社会效益都非常显著，在工业、民用、军事、高科技领域都具有广阔的应用前景。

4 地聚合物研究和应用展望

虽然地聚合物胶凝材料有很多独特的优异的性能，目前也引起了研究人员的广泛关注，但其在研究过程中从原材料、制备到应用以及一些理论上的认识还存在一些问题有待解决。

首先，对地聚合物形成机理认识还不充分。目前研究者只能根据已有的有关硅酸盐水泥和碱矿渣水泥水化硬化理论对地聚合物的形成过程进行描述、探讨、分析，并利用最终产物的宏观性能进行间接验证，导致地聚合物产生优异性能的本质得不到充分揭示。

其次，需要进一步探讨微观结构的本质问题及其对材料性能的影响规律。一般认为，地聚合物的组成是沸石或长石晶体的前身，但其结构不象两种晶体一样有规律的重复，而为无序的空间三维无定形网络状键接结构。如何认识和验证这种前身态的地聚合物以及如何将地聚合物这种复杂的结构清晰地展现在人们面前，仍是尚未解决的关键技术问题。虽然国外有部分论文论述微观结构对地聚合物材料性能的影响，但只作了一些定性的探讨，还没有确切揭示微观结构对材料性能的影响规律。

再者就是需要对地聚合物的原材料进行改进。地聚合物虽然有很多优异的性能，但主要原料偏高岭土需经煅烧制得，因而增加了地聚合物的制备成本。同时，大量的工业废渣和建筑废弃物不断形成，如果将其任意堆放或掩埋，不仅占用土地、造成环境污染，而且浪费资源。如果将这些工业废渣和建筑废弃物用于地聚合物基材料的制备，不仅可以降低地聚合物的成本，也可以实现废物的再生资源化，具有深远的经济、社会和环境意义。虽然已有一些试验研究了地聚合物中掺加其它矿物掺合料后体系内部的反应机理、最终产物组成、结构和性能，但是缺乏系统性和可比性，而将废弃混凝土用于制备地聚合物基复合胶凝材料的研究很少看到。

5 结语

地聚合物胶凝材料既具有有机高分子、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原材料丰富、工艺简单、价格低廉、节约能源等优点，应用前景广阔。地聚合物材料的应用既能节约能源、保护环境，又能兼顾满足人类社会进步的需求。因此，对其形成机理、制备工艺、应用开发的进一步研究不但具有较高的学术价值，而且必将对经济建设产生深远有益的影响。

参考文献

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。