聚合物胶凝材料——地聚合物（苏涛）

摘 要：地聚合物是一类新型的，高性能无机聚合物材料，它与水泥基材料相比具有更高的强度、更优良的耐久性、无污染等特点。它在工业、民用、军事、高科技等领域都具有广阔的应用前景。本文详细介绍了地聚合物的性能、发展状况以及应用前景，分析和讨论了其主要优缺点和适用范围，并指出这一领域中值得进一步研究的一些问题和可能发展的方向。

关键词：地聚合物 微观结构 理化性能 研究现状

Abstract：Geopolymer is a new inorganic polymer material, it has higher performances compared with the cement based materials, such as higher intensity, better durability and free from pollution. It has wide application prospect in industry, civil, military affairs, high-tech fields and so on. In this passage, properties, development and application prospect are reviewed，and their primary virtues and deficiencies are also analyzed and discussed .on the other hand ,some problems worthy of further study and probably developing trends in the field are presented.

Key words：Geopolymer Microstructure Physical and chemical properties developmental

一、地聚合物的简述

法国教授Joseph Davidovits[1]在对古建筑研究的过程中发现，建筑物中存在网络状的硅铝酸盐化合物，这类物质与构成地壳的物质相似，并在1985年的美国专利[2]中称之Geopolymer—地聚合物 。

我国建筑行业消耗大量的资源与能源，与各种产业相比，建筑行业对环境的影响超过12%[3]。由此可见，采用廉价且储备量丰富的原材料制备高性能、高耐久、无污染的胶凝材料是材料发展的必然趋势，对可持续发展战略有着重要的意义。而地聚合物优良的性能不仅延长了建筑物的使用寿命，更使地球上资源短缺现状得到有效地缓解。

二、地聚合物原材料及工艺流程

地聚合物是以SiO2和Al2O3为主要化学成分的矿物材料，利用碱激发的方法制备的。其工艺简单明了，不同于水泥的两磨一烧的复杂的工序。地聚合物材料的工艺流程。

三、地聚合物的反应机理及微观结构

影响硅铝质原料性能的因素主要是SiO2和Al2O3的含量[4]，含量越高火山灰活性越大，原料含有大量无定形的SiO2和Al2O3，在碱性溶液中，极易发生解聚—缩聚反应，即地聚合反应。地聚合物的聚合反应不同于硅酸盐水泥的水化反应，不同于有机高分子聚合物的聚合反应，地聚合反应前不存在绝对意义上的单体。

地聚合物的硅氧四面体可以与硅氧四面体和铝氧四面体连接，而铝氧四面体只能与硅氧四面体相连，根据这个规律，基本单元通过不饱和的氧与硅氧四面体或铝氧四面体结合，架构向三维方向延伸，具有一定的结晶形态。

随着研究的深入，发现可以在原材料中添加不等数量的SiO2即可改变体系中硅氧四面体与铝氧四面体的相对数量，即Z可以等于4、5....，因此，图2的结构分类并不完整，但是极具代表性。硅元素与铝元素在幻角核磁共振普上具有不同的共振峰，可以利用幻角核磁共振普来说明四面体的配位状态，相对数量[5，6]，随即可说明硅氧四面体与铝氧四面体存在不同的状态。

四、地聚合物与陶瓷、水泥性能对比

有研究表明[7]，硅桥氧键要比硅端氧键稳定，特殊的是，在铝硅酸盐中，硅桥氧键的键能要高于硅酸盐，同时也大大高于同体系中的铝桥氧键。地聚合物正是铝硅酸盐胶凝材料，很明显，作为离子键的Al—O键的键能要高于有机高分子材料中的C—O键，C—N键以及C—C键。因此地聚合物材料具有比高分子材料更优秀的强度、硬度、热稳定性以及抗氧化能力，但也由于硅氧键与铝氧键具有方向性、不易转动，因而韧性方面无法与在高分子材料比拟。

与陶瓷材料相比，地聚合物材料为聚铝硅氧大分子链的三维网络结构，有“类晶态”和“玻璃态”两种结构，不存在完全的晶体和晶界，材料的性能来自于Si—O、Al—O键骨架;陶瓷是多晶体系，晶粒之间通过晶界之间相互咬合支撑，晶界是陶瓷的重要结构相，也是最薄弱的环节（多包含无定型物质），晶界的性质决定了陶瓷的整体性能，地聚合物接近陶瓷或具有比陶瓷更高的性能。陶瓷生产需要消耗大量的能源，在我国，用于燃料的平均成本费用更高达40％。居各项成本的首位[8].

与水泥相比，地聚合物具有较高的聚合度。普通硅酸盐水泥中高活性物质在水的作用下生成氢氧化钙晶体和硅酸钙晶体，晶体之间相互交织并与无定型物质粘结在一起，这是硬化水泥强度的重要来源，这也是水泥硬化后难以经受400℃以上高温的原因。在碱激活水泥体系中，分子聚合度要高于水泥、低于地聚合物，当碱激活体系中铝元素与其他阳离子比高于1.5时，有利于提高铝氧四面体的数量并与硅氧四面体缩聚成大分子链，从而可以很好的吸附其他阳离子，低于这个数值，则阳离子进入缩聚链中降低了聚合度。正是因为碱激活水泥体系中存在大量的氧化钙，使得碱激活水泥体系聚合度大大降低[7]，性能不及地聚合物，但却高于普通水泥。

五、地聚合物研究史

二十世纪三十年代至六十年代，美国的purdon[9]、前苏联的Glukhovski[10]等人为地聚合物的后期发展奠定了一定的基础，七十年代初，Joseph Davidovits申请了地聚合物历史上的第一篇关于用高岭土通过碱激活反应制备建筑板材的专利，八十年代初，Dr.Bengt Fross[11]利用火山灰原料制备了胶凝材料，随后，Joseph Davidovits利用玻璃纤维、碳纤维，碳化硅纤维进行地聚合物改性，效果显著[12，13]。

六、地聚合物的应用领域

地聚合物具有如下优点：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[2] 、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。

依靠其独特的性能，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够保持稳定，可用于非铁铸造及冶金业。

3.地聚合物高度的耐酸性、耐侵蚀性能，可使其用于塑料成型的模具。

4.良好的加工性能使得便于成型以及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[14，15，16]。因为具有快硬早强的性能，提高了施工速度，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。

除此之外，地聚合物可适用与其他各行各业，经济效益社会效益都非常显著，它在工业、民用、军事、高科技领域都具有广阔的应用前景，研发地聚合物具有重要的理论价值和实际意义。

七、结语

工业生产和矿山开采所留下的废弃物粉煤灰、矿粉等工业废渣，其回收利用率并不怎么高，例如粉煤灰，虽然它可以在混凝土的拌制成型过程起到一定的作用，但是使用效率确是相当低。如果工业废渣能够在建筑行业上得到充分利用，这无疑在资源回收利用方面有着深刻的影响。制备地聚合物是既能治理废弃物又能让废弃物服务社会的一种手段，在市政、桥梁、道路、水利、地下、海洋以及军事领域具有较为广阔的应用前景，这不仅为国家的建设和经济的发展提供物质上的支持，更对优化地球上的资源和环境具有深远的影响。

参考文献

[1]Davidovits J.the ancient egyptian pyramids -concrete or rock concrete international,1987,9(12):28-37

[2]J.Davidovits.Early high-strength mineral polymer[P].USP.,No.4,509,985,April 9,1985

[3]张劲.浅论可持续建筑.云南水电技术.2004（1）.21-24

[4]李克亮等。高活性偏高领土的研究.混凝土.2005（11）.49-51

[5]张书政，龚克成.地聚合物.材料科学与工程学报.2003(3).430-436

[6]潘钢华等人.K-PSS型地聚合物的制备及其结构特征.硅酸盐学报.2007（4）.420-424

[7]尹周澜,高孝恢.硅酸盐中金属离子对Si—O键影响的量子化学研究.矿物学报.1990（4）.348-355

[8]陶瓷生产过程的特点。福建陶瓷资源网

[9]Purdn A O,J[J].Soc.Chem.Ind，1940，59：191-202

[10] Glukovski.Bausoffindostic，1974.B3：9-12

[11]Bengt Fross.US Patent.No.4306912

[12]J.Davidovits.Process for obtaining a geopolymeric alumino-silicate and products thus obtained SUP.No.5,342,595.,August 30 1994

[13]J.Davidovits.Ceramic-ceramic composite materials and production metod，USP.No.4，888，311，December 19 ，1989

[14]芮志平等.SD型地聚合物道路注浆加固应用技术的试验与研究.2007(2)3-6

[15]孙家瑛.地聚合物与粉煤灰复合灌浆材料的物理力学性能研究.化学建材.2004（3）.7-8

[16]林鲜.对新型地聚合物材料性能的研究探讨.石油工程建设

作者简介

苏涛，男，1983年2月出生于吉林省安图县，硕士研究生，研究方向：水工结构工程。