新型膠凝材料——地質聚合物的研究進展

1、新型膠凝材料地質聚合物的研究進展    作者：莫緒      2010-11-20 13:35:30   來源：畢業(yè)論文網    【摘 要】地質聚合物是一類新發(fā)展起來的，兼有有機物、陶瓷、水泥的特點，又具有獨特優(yōu)異性能的新型膠凝材料。本文介紹了地質聚合物的反應機理、研究進展及開發(fā)應用。 【關鍵詞】膠凝材料 地質聚合物 堿激活 反應機理 地質聚合物（Geopolymer）是近年來國際上研究非常活躍的非金屬材料之一。它是以粘土、工

2、業(yè)廢渣或礦渣為主要原料，經適當的工藝處理，在較低溫度條件下通過化學反應得到的一類新型無機聚合物材料。 地質聚合物具有強度高、硬化快、耐酸堿腐蝕等優(yōu)于普通硅酸鹽水泥的獨特性能，同時具有材料豐富、工藝簡單、價格低廉、節(jié)約能源等優(yōu)點引起了國內外材料專家的極大興趣。 1 地質聚合物的反應機理 法國J. Davidovits提出的“解聚縮聚”機理，他認為地質聚合物的形成過程為：鋁硅酸鹽聚合反應是一個放熱脫水的過程，反應以水為傳質，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；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，少量水則以結構水的形式取代SiO4中一個O

3、的位置，最終生成SiOAl的網絡結構。聚合作用過程即各種鋁硅酸鹽（Al3+呈或次配位）與強堿性硅酸鹽溶液之間的化學反應。 以上聚合反應表明，任何硅鋁物質都可作為制備人造礦物聚合物材料的原料。 現(xiàn)在大多數的研究者的理論都以J. Davidovits的理論作為地質聚合物反應機理的基礎。這些理論的共同點在于地質聚合物的形成是鋁硅酸鹽在堿性條件下生成水合物后，水合物在進行縮水聚合生成聚合物。當地質聚合物的添加成分較復雜時，則添加成分的離子在硅鋁網絡結構中所占據的位置不同而得到不同性質的地質聚合物。 2 地質聚合物研究進展 20世紀30年代，美國的Purdon在研究了波特蘭水泥（普通硅酸鹽水泥）的硬化機

4、理時發(fā)現(xiàn)，少量的NaOH在水泥硬化過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，再進一步與Ca(OH)2反應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，因此他提出了所謂的“堿激活”理論。 在這以后，前蘇聯(lián)投入了大量的人力、物力對堿激活材料進行了系統(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的激活劑。到了1972年，法國的J.Davidovits教授申請了地聚合物歷史上的第一篇關于用高嶺土通過堿激活反應制備建筑板材的專利。之后世界許多國家的專門機構都在

5、致力于地質聚合物材料內部結構和反應機理的研究，并對其優(yōu)異性能的應用前景進行了樂觀的預測。20世紀90年代后期，Van Jaarsveld和Van Deventer等致力于由粉煤灰等工業(yè)固體廢物制備地質聚合物及其應用的研究，包括固化有毒金屬及化合物等。他們也對16種天然硅酸鹽礦物制備地質聚合物進行了研究，結果表明：架狀和島狀結構的硅酸鹽，并且鈣含量較高者形成的地質聚合物抗壓強度最大。且以粉煤灰為原料合成了7d抗壓強度達58.6MPa的地質聚合物，并證明了粉煤灰中較高的CaO含量和含有部分超細顆粒是合成高強度地質聚合物的有利條件。國內對人造礦物聚合物材料的研究起步較晚。3 地質聚合物的應用領域 3

6、.1汽車及航空工業(yè) 地質聚合物復合材料因高溫性能優(yōu)良，且不會燃燒或在高溫下釋放有毒氣體及煙霧。因此，被應用于航空飛行器的駕駛室或機艙等關鍵部位，提高飛行器的安全系數。 3.2非鐵鑄造及冶金 地質聚合物材料能經受1000-1200oC的高溫而保持較好的結構性能，所以能廣泛應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。 3.3土木工程 地質聚合物是目前膠凝材料中快硬早強性能最為突出的一類材料，用于土木工程能縮短脫模時間，加快模板周轉，提高施工速度。地質聚合物具備的優(yōu)良耐久性也為土木建筑帶來了巨大的社會及經濟效益。 3.4交通及搶修工程 地質聚合

7、物快硬早強，20oC條件下4h強度能達15-20MPa，由地質聚合物搶修的公路或機場等，1h即可步行，4h即可通車，6h即可供飛機起飛或降落。 3.5塑料工業(yè) 地質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，且具有較高的精度和表面光滑度，能滿足高精度加工的要求。 3.6環(huán)保領域 地質聚合物材料聚合后的終產物具有牢籠型的結構，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期保持優(yōu)良的結構性能，因而能長期的固定核廢料。地聚合物可以用在處理礦山尾礦的領域中。它可用于礦山的表面蓋層和基底墊層，包括剛性、半剛性

8、和柔性高強度低滲透性蓋（墊）層，以及垂直阻擋障，包括地下截流墻、土壩內高強度低滲透心墻。 地質聚合物的研究越來越受到人們的重視。人們將對其形成機理繼續(xù)進行更系統(tǒng)的研究，同時人們也在致力于通過改變原料的配比、制備工藝以獲取性能更優(yōu)性能的地質聚合物材料，這必將使地質聚合物具有更廣泛的應用前景。 參考文獻： 1J. Davidovits, Geopolymers and Geopolymeric Materials. Journal of ThermalAnalysis. 1989,(35): 429-441. 2鄭娟榮,覃維祖.地聚物材料的研究進展.新型建筑材料, 2002,(4): 11-12.

9、 3李海宏.地質聚合物的制備及機理研究.西安建筑科技大學, 2007: 11-12. 4H.Xu, J.S.J.Van Devevter. The Geopolymerization of Alu-mino-silicate Minerals. Int J Miner Process, 2000,(59): 247-266. 5J.G.S.Van Jaarsveld, J.S.J.Van Devevter, L. Lorenzen. The Potential Use of Geopolymeric Materials to Immobolise Toxic Metals: Part I. Theory and Applications. Mi ner Eng, 1997,(10): 659-669. 6A.O.Purdn. Soc. Chem. Ind. 1940,(59): 191-202. 7Glukovski, V.D. Pashkov. Gidroteknicheskve Strotel, 1967: 14-16. 8J. Davidovits, Patent ZA 7308380-740808, FR72138746.