新型膠凝材料-地質(zhì)聚合物的研究進展

新型膠凝材料——地質(zhì)聚合物的研究進展

【摘要】地質(zhì)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(zhì)聚合物的反應(yīng)機理、研究進展及開發(fā)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】膠凝材料地質(zhì)聚合物堿激活反應(yīng)機理

地質(zhì)聚合物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、工業(yè)廢渣或礦渣為主要原料，經(jīng)適當?shù)墓に囂幚?，在較低溫度條件下通過化學反應(yīng)得到的一類新型無機聚合物材料。

地質(zhì)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(nèi)外材料專家的極大興趣。

1地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機理

法國J.Davidovits提出的“解聚—縮聚”機理，他認為地質(zhì)聚合物的形成過程為：鋁硅酸鹽聚合反應(yīng)是一個放熱脫水的過程，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[SiO4]中一個O的位置，最終生成Si—O—Al的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。聚合作用過程即各種鋁硅酸鹽與強堿性硅酸鹽溶液之間的化學反應(yīng)。

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。

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)機理的基礎(chǔ)。這些理論的共同點在于地質(zhì)聚合物的形成是鋁硅酸鹽在堿性條件下生成水合物后，水合物在進行縮水聚合生成聚合物。當?shù)刭|(zhì)聚合物的添加成分較復(fù)雜時，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。

2地質(zhì)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的硬化機理時發(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(yīng)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。

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(yīng)的激活劑。到了1972年，法國的教授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。之后世界許多國家的專門機構(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)機理的研究，并對其優(yōu)異性能的應(yīng)用前景進行了樂觀的預(yù)測。20世紀90年代后期，VanJaarsveld和VanDeventer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16種天然硅酸鹽礦物制備地質(zhì)聚合物進行了研究，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)聚合物抗壓強度最大。且以粉煤灰為原料合成了7d抗壓強度達的地質(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顆粒是合成高強度地質(zhì)聚合物的有利條件。國內(nèi)對人造礦物聚合物材料的研究起步較晚。

3地質(zhì)聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域

汽車及航空工業(yè)

地質(zhì)聚合物復(fù)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(yīng)用于航空飛行器的駕駛室或機艙等關(guān)鍵部位，提高飛行器的安全系數(shù)。

非鐵鑄造及冶金

地質(zhì)聚合物材料能經(jīng)受1000-1200oC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)，教授成功的利用人造礦物聚合物材料制作澆鑄了鋁制品。

土木工程

地質(zhì)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(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了巨大的社會及經(jīng)濟效益。

交通及搶修工程

地質(zhì)聚合物快硬早強，20oC條件下4h強度能達15-20MPa，由地質(zhì)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。

塑料工業(yè)

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，能滿足高精度加工的要求。

環(huán)保領(lǐng)域

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期保持優(yōu)良的結(jié)構(gòu)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(lǐng)域中。它可用于礦山的表面蓋層和基底墊層，包括剛性、半剛性和柔性高強度低滲透性蓋層，以及垂直阻擋障，包括地下截流墻、土壩內(nèi)高強度低滲透心墻。

地質(zhì)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(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。

參考文獻：

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