新型膠凝材料——地質(zhì)聚合物的研究進(jìn)展

1、<p>　　新型膠凝材料——地質(zhì)聚合物的研究進(jìn)展</p><p>　　【摘 要】地質(zhì)聚合物是一類(lèi)新發(fā)展起來(lái)的，兼有有機(jī)物、陶瓷、水泥的特點(diǎn)，又具有獨(dú)特優(yōu)異性能的新型膠凝材料。本文介紹了地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)理、研究進(jìn)展及開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】膠凝材料 地質(zhì)聚合物 堿激活 反應(yīng)機(jī)理 </p><p>　　地質(zhì)聚合物（Geopolymer）是

2、近年來(lái)國(guó)際上研究非?；钴S的非金屬材料之一。它是以粘土、工業(yè)廢渣或礦渣為主要原料，經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に囂幚?，在較低溫度條件下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)得到的一類(lèi)新型無(wú)機(jī)聚合物材料。 </p><p>　　地質(zhì)聚合物具有強(qiáng)度高、硬化快、耐酸堿腐蝕等優(yōu)于普通硅酸鹽水泥的獨(dú)特性能，同時(shí)具有材料豐富、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)引起了國(guó)內(nèi)外材料專(zhuān)家的極大興趣。 </p><p>　　1 地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)理 <

3、;/p><p>　　法國(guó)J. Davidovits提出的“解聚—縮聚”機(jī)理，他認(rèn)為地質(zhì)聚合物的形成過(guò)程為：鋁硅酸鹽聚合反應(yīng)是一個(gè)放熱脫水的過(guò)程，反應(yīng)以水為傳質(zhì)，在堿性催化劑的作用下鋁硅酸鹽礦物的的硅氧鍵和鋁氧鍵斷裂，發(fā)生斷裂—重組反應(yīng)；形成一系列的低聚硅（鋁）四面體單元，聚合后又將大部分水排除，少量水則以結(jié)構(gòu)水的形式取代[SiO4]中一個(gè)O的位置，最終生成Si—O—Al的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。聚合作用過(guò)程即各種鋁硅酸鹽（A

4、l3+呈Ⅳ或Ⅴ次配位）與強(qiáng)堿性硅酸鹽溶液之間的化學(xué)反應(yīng)。 </p><p>　　以上聚合反應(yīng)表明，任何硅鋁物質(zhì)都可作為制備人造礦物聚合物材料的原料。 </p><p>　　現(xiàn)在大多數(shù)的研究者的理論都以J. Davidovits的理論作為地質(zhì)聚合物反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)。這些理論的共同點(diǎn)在于地質(zhì)聚合物的形成是鋁硅酸鹽在堿性條件下生成水合物后，水合物在進(jìn)行縮水聚合生成聚合物。當(dāng)?shù)刭|(zhì)聚合物的添加成

5、分較復(fù)雜時(shí)，則添加成分的離子在硅鋁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所占據(jù)的位置不同而得到不同性質(zhì)的地質(zhì)聚合物。 </p><p>　　2 地質(zhì)聚合物研究進(jìn)展 </p><p>　　20世紀(jì)30年代，美國(guó)的Purdon在研究了波特蘭水泥（普通硅酸鹽水泥）的硬化機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，少量的NaOH在水泥硬化過(guò)程中可以起催化劑的作用，使得水泥中的硅、鋁化合物比較容易溶解而形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉，再進(jìn)一步與Ca(OH)2反應(yīng)

6、形成硅酸鈣和鋁酸鈣礦物，使水泥硬化并且重新生成Na(OH)再催化下一輪反應(yīng)，因此他提出了所謂的“堿激活”理論。 </p><p>　　在這以后，前蘇聯(lián)投入了大量的人力、物力對(duì)堿激活材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。他們發(fā)現(xiàn)除了氫氧化鈉以外，堿金屬的氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、氟化物、硅酸鹽和鋁硅酸鹽等都可以作為反應(yīng)的激活劑。到了1972年，法國(guó)的J.Davidovits教授申請(qǐng)了地聚合物歷史上的第一篇關(guān)于用高嶺土通過(guò)堿

7、激活反應(yīng)制備建筑板材的專(zhuān)利。之后世界許多國(guó)家的專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)都在致力于地質(zhì)聚合物材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理的研究，并對(duì)其優(yōu)異性能的應(yīng)用前景進(jìn)行了樂(lè)觀的預(yù)測(cè)。20世紀(jì)90年代后期，Van Jaarsveld和Van Deventer等致力于由粉煤灰等工業(yè)固體廢物制備地質(zhì)聚合物及其應(yīng)用的研究，包括固化有毒金屬及化合物等。他們也對(duì)16種天然硅酸鹽礦物制備地質(zhì)聚合物進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：架狀和島狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，并且鈣含量較高者形成的地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度最大

8、。且以粉煤灰為原料合成了7d抗壓強(qiáng)度達(dá)58.6MPa的地質(zhì)聚合物，并證明了粉煤灰中較高的CaO含量和含有部分超細(xì)顆粒是合成高強(qiáng)度地質(zhì)聚合物的有利條件。國(guó)內(nèi)對(duì)人造礦物聚合物材料的研究起步較晚。 </p><p>　　3 地質(zhì)聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域 </p><p>　　3.1汽車(chē)及航空工業(yè) </p><p>　　地質(zhì)聚合物復(fù)合材料因高溫性能優(yōu)良，且不會(huì)燃燒或在高溫下釋放有毒

9、氣體及煙霧。因此，被應(yīng)用于航空飛行器的駕駛室或機(jī)艙等關(guān)鍵部位，提高飛行器的安全系數(shù)。 </p><p>　　3.2非鐵鑄造及冶金 </p><p>　　地質(zhì)聚合物材料能經(jīng)受1000-1200oC的高溫而保持較好的結(jié)構(gòu)性能，所以能廣泛應(yīng)用于非鐵鑄造及冶金行業(yè)，J.Davidovits教授成功的利用人造礦物聚合物材料制作澆鑄了鋁制品。 </p><p><b

10、>　　3.3土木工程 </b></p><p>　　地質(zhì)聚合物是目前膠凝材料中快硬早強(qiáng)性能最為突出的一類(lèi)材料，用于土木工程能縮短脫模時(shí)間，加快模板周轉(zhuǎn)，提高施工速度。地質(zhì)聚合物具備的優(yōu)良耐久性也為土木建筑帶來(lái)了巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。 </p><p>　　3.4交通及搶修工程 </p><p>　　地質(zhì)聚合物快硬早強(qiáng)，20oC條件下4h強(qiáng)度能

11、達(dá)15-20MPa，由地質(zhì)聚合物搶修的公路或機(jī)場(chǎng)等，1h即可步行，4h即可通車(chē)，6h即可供飛機(jī)起飛或降落。 </p><p><b>　　3.5塑料工業(yè) </b></p><p>　　地質(zhì)聚合物材料可制作塑料成型的模具，由人造礦物聚合物材料制作的模具耐酸堿及各種侵蝕性介質(zhì)，且具有較高的精度和表面光滑度，能滿(mǎn)足高精度加工的要求。 </p><p>

12、;<b>　　3.6環(huán)保領(lǐng)域 </b></p><p>　　地質(zhì)聚合物材料聚合后的終產(chǎn)物具有牢籠型的結(jié)構(gòu)，能有效的固定幾乎所有重金屬離子；人造礦物聚合物材料因具備優(yōu)良的耐水熱性能，在核廢料的水熱作用下能長(zhǎng)期保持優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，因而能長(zhǎng)期的固定核廢料。地聚合物可以用在處理礦山尾礦的領(lǐng)域中。它可用于礦山的表面蓋層和基底墊層，包括剛性、半剛性和柔性高強(qiáng)度低滲透性蓋（墊）層，以及垂直阻擋障，包括地下

13、截流墻、土壩內(nèi)高強(qiáng)度低滲透心墻。 </p><p>　　地質(zhì)聚合物的研究越來(lái)越受到人們的重視。人們將對(duì)其形成機(jī)理繼續(xù)進(jìn)行更系統(tǒng)的研究，同時(shí)人們也在致力于通過(guò)改變?cè)系呐浔?、制備工藝以獲取性能更優(yōu)性能的地質(zhì)聚合物材料，這必將使地質(zhì)聚合物具有更廣泛的應(yīng)用前景。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]J. Da

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