聚合物膠凝材料——地聚合物（蘇濤

1、聚合物膠凝材料地聚合物（蘇濤） #TRS_AUTOADD_50 MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋體#TRS_AUTOADD_50 P MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋體#TRS_AUTOADD_50 TD MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LIN

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3、rgin-top:0,margin-bottom:0,p:line-height:1.5,font-family:宋體,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,td:line-height:1.5,font-family:宋體,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,div:line-height:1.5,font-family:宋體,font-size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0,li:line-height:1.5,font-family:宋體,font-

4、size:12pt,margin-top:0,margin-bottom:0-*/摘 要：地聚合物是一類新型的，高性能無機(jī)聚合物材料，它與水泥基材料相比具有更高的強(qiáng)度、更優(yōu)良的耐久性、無污染等特點。它在工業(yè)、民用、軍事、高科技等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。本文詳細(xì)介紹了地聚合物的性能、發(fā)展?fàn)顩r以及應(yīng)用前景，分析和討論了其主要優(yōu)缺點和適用范圍，并指出這一領(lǐng)域中值得進(jìn)一步研究的一些問題和可能發(fā)展的方向。關(guān)鍵詞：地聚合物 微觀結(jié)構(gòu) 理化性能 研究現(xiàn)狀A(yù)bstract：Geopolymer is a new inorganic polymer material, it has higher perfor

5、mances 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

6、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、地聚合物的簡述法國教授Joseph Davidovits1

7、在對古建筑研究的過程中發(fā)現(xiàn)，建筑物中存在網(wǎng)絡(luò)狀的硅鋁酸鹽化合物，這類物質(zhì)與構(gòu)成地殼的物質(zhì)相似，并在1985年的美國專利2中稱之Geopolymer地聚合物 。我國建筑行業(yè)消耗大量的資源與能源，與各種產(chǎn)業(yè)相比，建筑行業(yè)對環(huán)境的影響超過12%3。由此可見，采用廉價且儲備量豐富的原材料制備高性能、高耐久、無污染的膠凝材料是材料發(fā)展的必然趨勢，對可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重要的意義。而地聚合物優(yōu)良的性能不僅延長了建筑物的使用壽命，更使地球上資源短缺現(xiàn)狀得到有效地緩解。二、地聚合物原材料及工藝流程地聚合物是以SiO2和Al2O3為主要化學(xué)成分的礦物材料，利用堿激發(fā)的方法制備的。其工藝簡單明了，不同于水泥的兩磨一

8、燒的復(fù)雜的工序。地聚合物材料的工藝流程。三、地聚合物的反應(yīng)機(jī)理及微觀結(jié)構(gòu)影響硅鋁質(zhì)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，原料含有大量無定形的SiO2和Al2O3，在堿性溶液中，極易發(fā)生解聚縮聚反應(yīng)，即地聚合反應(yīng)。地聚合物的聚合反應(yīng)不同于硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)，不同于有機(jī)高分子聚合物的聚合反應(yīng)，地聚合反應(yīng)前不存在絕對意義上的單體。地聚合物的硅氧四面體可以與硅氧四面體和鋁氧四面體連接，而鋁氧四面體只能與硅氧四面體相連，根據(jù)這個規(guī)律，基本單元通過不飽和的氧與硅氧四面體或鋁氧四面體結(jié)合，架構(gòu)向三維方向延伸，具有一定的結(jié)晶形態(tài)。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)可以在原材料中添加不等

9、數(shù)量的SiO2即可改變體系中硅氧四面體與鋁氧四面體的相對數(shù)量，即Z可以等于4、5.，因此，圖2的結(jié)構(gòu)分類并不完整，但是極具代表性。硅元素與鋁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來說明四面體的配位狀態(tài)，相對數(shù)量5，6，隨即可說明硅氧四面體與鋁氧四面體存在不同的狀態(tài)。四、地聚合物與陶瓷、水泥性能對比有研究表明7，硅橋氧鍵要比硅端氧鍵穩(wěn)定，特殊的是，在鋁硅酸鹽中，硅橋氧鍵的鍵能要高于硅酸鹽，同時也大大高于同體系中的鋁橋氧鍵。地聚合物正是鋁硅酸鹽膠凝材料，很明顯，作為離子鍵的AlO鍵的鍵能要高于有機(jī)高分子材料中的CO鍵，CN鍵以及CC鍵。因此地聚合物材料具有比高分子材料更優(yōu)秀

10、的強(qiáng)度、硬度、熱穩(wěn)定性以及抗氧化能力，但也由于硅氧鍵與鋁氧鍵具有方向性、不易轉(zhuǎn)動，因而韌性方面無法與在高分子材料比擬。與陶瓷材料相比，地聚合物材料為聚鋁硅氧大分子鏈的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有“類晶態(tài)”和“玻璃態(tài)”兩種結(jié)構(gòu)，不存在完全的晶體和晶界，材料的性能來自于SiO、AlO鍵骨架;陶瓷是多晶體系，晶粒之間通過晶界之間相互咬合支撐，晶界是陶瓷的重要結(jié)構(gòu)相，也是最薄弱的環(huán)節(jié)，晶界的性質(zhì)決定了陶瓷的整體性能，地聚合物接近陶瓷或具有比陶瓷更高的性能。陶瓷生產(chǎn)需要消耗大量的能源，在我國，用于燃料的平均成本費用更高達(dá)40。居各項成本的首位8.與水泥相比，地聚合物具有較高的聚合度。普通硅酸鹽水泥中高活性物質(zhì)在水的

11、作用下生成氫氧化鈣晶體和硅酸鈣晶體，晶體之間相互交織并與無定型物質(zhì)粘結(jié)在一起，這是硬化水泥強(qiáng)度的重要來源，這也是水泥硬化后難以經(jīng)受400以XX溫的原因。在堿激活水泥體系中，分子聚合度要高于水泥、低于地聚合物，當(dāng)堿激活體系中鋁元素與其他陽離子比高于1.5時，有利于提高鋁氧四面體的數(shù)量并與硅氧四面體縮聚成大分子鏈，從而可以很好的吸附其他陽離子，低于這個數(shù)值，則陽離子進(jìn)入縮聚鏈中降低了聚合度。正是因為堿激活水泥體系中存在大量的氧化鈣，使得堿激活水泥體系聚合度大大降低7，性能不及地聚合物，但卻高于普通水泥。五、地聚合物研究史二十世紀(jì)三十年代至六十年代，美國的purdon9、前蘇聯(lián)的Glukhovski

12、10等人為地聚合物的后期發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)，七十年代初，Joseph Davidovits申請了地聚合物歷史上的第一篇關(guān)于用高嶺土通過堿激活反應(yīng)制備建筑板材的專利，八十年代初，Dr.Bengt Fross11利用火山灰原料制備了膠凝材料，隨后，Joseph Davidovits利用玻璃纖維、碳纖維，碳化硅纖維進(jìn)行地聚合物改性，效果顯著12，13。六、地聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域地聚合物具有如下優(yōu)點：施工性良好、反應(yīng)熱低、體積穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐久性能好2 、強(qiáng)度高、可進(jìn)行有毒物質(zhì)和核廢料的處理、綠色環(huán)保、可回收再利用。依靠其獨特的性能，可應(yīng)用于以下方面：1.地聚合物因其耐高溫性能優(yōu)良，不

13、會燃燒以及放出有毒氣體，因此可用于制成汽車的防熱罩或飛行器的駕駛室和機(jī)艙的關(guān)鍵部位，提高安全系數(shù)。2.地聚合物在高溫條件下結(jié)構(gòu)能夠保持穩(wěn)定，可用于非鐵鑄造及冶金業(yè)。3.地聚合物高度的耐酸性、耐侵蝕性能，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種藝術(shù)品和裝飾用品。5.可用于注漿加固技術(shù)、交通、搶修工程14，15，16。因為具有快硬早強(qiáng)的性能，提高了施工速度，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。6地聚合物具有穩(wěn)定的牢籠型結(jié)構(gòu)，可固化有毒廢棄物及核廢料處理。7.地聚合物修建的建筑物具有自調(diào)溫濕的功能，且具有良好的密封性、足夠的強(qiáng)度，適合用作糧倉儲備糧食。除此之外，地聚合物可適用

14、與其他各行各業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益社會效益都非常顯著，它在工業(yè)、民用、軍事、高科技領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，研發(fā)地聚合物具有重要的理論價值和實際意義。七、結(jié)語工業(yè)生產(chǎn)和礦山開采所留下的廢棄物粉煤灰、礦粉等工業(yè)廢渣，其回收利用率并不怎么高，例如粉煤灰，雖然它可以在混凝土的拌制成型過程起到一定的作用，但是使用效率確是相當(dāng)?shù)汀Ｈ绻I(yè)廢渣能夠在建筑行業(yè)上得到充分利用，這無疑在資源回收利用方面有著深刻的影響。制備地聚合物是既能治理廢棄物又能讓廢棄物服務(wù)社會的一種手段，在市政、橋梁、道路、水利、地下、海洋以及軍事領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景，這不僅為國家的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供物質(zhì)上的支持，更對優(yōu)化地球上的資源和環(huán)境

15、具有深遠(yuǎn)的影響。參考文獻(xiàn)1Davidovits J.the ancient egyptian pyramids -concrete or rock concrete international,1987,9(12):28-372J.Davidovits.Early high-strength mineral polymerP.USP.,No.4,509,985,April 9,19853張勁.淺論可持續(xù)建筑.云南水電技術(shù).XX.21-244李克亮等。高活性偏高領(lǐng)土的研究.混凝土.XX.49-515張書政，龔克成.地聚合物.材料科學(xué)與工程學(xué)報.XX(3).430-4366潘鋼華等人.K-PSS型

16、地聚合物的制備及其結(jié)構(gòu)特征.硅酸鹽學(xué)報.XX.420-4247尹周瀾,高孝恢.硅酸鹽中金屬離子對SiO鍵影響的量子化學(xué)研究.礦物學(xué)報.1990.348-3558陶瓷生產(chǎn)過程的特點。福建陶瓷資源網(wǎng)9Purdn A O,JJ.Soc.Chem.Ind，1940，59：191-20210 Glukovski.Bausoffindostic，1974.B3：9-1211Bengt Fross.US Patent.No.12J.Davidovits.Process for obtaining a geopolymeric alumino-silicate and products thus obtained SUP.No.5,342,595.,August 30 199413J.D