碱激发地质聚合物的研究进展

碱激发地质聚合物的研究进展指导老师：学生姓名：专业班级：材料工程801摘要碱激发胶凝材料是近年来发展的新型胶凝材料．许多固体废弃物均可作为它的原料．这将为充分利用工业固体废弃物开辟一条新的途径。

本文主要介绍了碱激发胶凝材料的制备、应用及研究现状。

从国内、国外两方面了介绍了碱激发胶凝材料的发展现状及理论科研成果。

阐述了碱激发地质聚合物胶凝材料的优点，同时指出在该领域中存在的问题以及对未来的展望。

关键词：碱激发，地质聚合物，胶凝材料Research progress on Alkali stimulategeological polymerName: Longtao chenInstructor : Xiping leiAbstractAlkali stimulate cementitious material is the recent development of new cementious material. Many solid waste could be used as its raw material. It will to make full use of industrial solid wastes opened up a new way. This article mainly introduced the alkali stimulate cementitious material preparation, application and research actuality. Both from domestic and overseas are introduced alkali stimulate cementitious material development present situation and the theory of scientific research. Expounds the alkali stimulate geological polymer cementitious material advantages, in this field is also pointed out the existing problems and outlook for the future.Keywords: alkali inspired, geological polymer, gelled material目录1.碱激发地质聚合物 (5)1.1 碱激发地质聚合物胶凝材料的由来 (5)1.2 碱激发地质聚合物的特点 (6)2.减激发地质聚合物的研究发展现状 (7)2.1 国外研究发展现状 (7)2.2国内研究发展现状 (8)2.3碱激发胶凝材料的理论研究成果 (8)2.4碱激发水泥存在的问题和研究中的不足之处 (10)2.4.1.碱矿渣水泥的快凝问题 (10)2.4.2.碱骨料反应问题重视不足 (10)2.4.3.表面泛霜 (10)2.4.4.收缩问题 (10)2.4.5碱矿渣水泥的强度波动问题 (11)3.碱激发胶凝材料的制备 (11)3.1.碱激发剂 (11)3.2.碱激发剂的催化原理 (11)3.3. 制备的理论基础 (14)3.4. 制备考虑的因素 (15)4. 碱激发胶凝材料的应用 (15)5.展望 (17)参考文献 (19)致谢 (21)1.碱激发地质聚合物1.1 碱激发地质聚合物胶凝材料由来碱激发胶凝材料是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，是由铝硅酸盐胶凝成分固结的化学键合的一种新型胶凝材料[1]。

它是通过铝硅酸盐组分的溶解、分散、聚合和脱水硬化而成。

其矿物组成与沸石相近，物理形态上呈三维网络结构，因此其具有有机聚合物、陶瓷、水泥的优良性能。

碱激发胶凝材料在我国是近十年来提出的概念，对其由来还存在着一些分歧。

袁鸿昌教授认为，碱激发胶凝材料的由来可追溯到20 世纪20 年代：美国的Purdon 在研究添加矿渣对波特兰水泥的作用时制得的一种胶凝材料。

这种材料的特点是，凝固时间快，强度高。

南京工业大学杨南如教授认为碱激发胶凝材料的由来可以追溯到1957 年乌克兰基辅建工学院V.D.Glukhovsky教授成功研制碱激发矿渣粉煤灰胶结材，得到强度高达120MPa、稳定性好的胶凝材料，随后欧美各国也开始进行对这种新型胶凝材料的研究。

20 世纪70 年代，法国科学家Joseph Davsdovits通过用碱激发偏高岭土制得了一种新型的材料并申请专利。

1976 年，在国际理论和应用化学联合会(IUPAC) 的大分子会议上，J.Davidovits 提出对这类碱激发胶凝材料进行统一命名为：聚铝硅酸盐。

1978 年，他首先提出并采用了“Geoplymer( 地聚物)”。

自此，欧美各国对这种新型材料进行了各方面的研究，内容涉及混凝土、耐火材料、涂料、碱品种以及其它建筑材料等。

我国对碱激发胶凝材料的研究起步比较晚，一直到80 年代才开始这方面的研究。

史才军等分别对我国近年来在碱-矿渣、碱-磷渣、碱-矿渣-钢渣、碱-矿渣-粉煤灰、碱-矿渣-氧化镁体系的研究成果进行了论述。

孙家瑛、诸培南在提出矿渣中玻璃体是分相结构的同时，认为矿渣受碱激发下的水化反应，首先从玻璃体的表面开始，表面上的Ca2+，Mg2+吸附碱介质中的OH-，而O2-则吸附质子形成氢氧化物和水，使表面结构破坏。

在玻璃体中存在富钙的连续相，当表面受OH-作用后，有的Na+可能与Ca2+起交换作用，引起玻璃体解体、溶解。

杨南如教授也对碱激发胶凝材料进行了详细的研究，分析其形成机理：认为水化过程及形成胶凝性的硬化体是原料中铝硅酸盐玻璃体中高聚合度的Al-O-Si、Si-O-Si、Al-O-Al等共价键受OH-离子作用而断裂，产生了聚合度较小的离子团或者是单离子团，在一定的pH 值条件下它们又将聚合成与原料的铝硅酸盐结构不同的新结构产物，后者具有胶凝性和固化性，并有特殊性能。

周奂海等研究了碱矿渣水泥的水化过程，认为与硅酸盐水泥一样可根据水泥水化放热曲线把水( 反应) 过程分为五个阶段：初始水化、诱导期、加速期、衰减期和缓慢期。

目前，国内外在碱激发胶凝材料组成、水化产物及机理、碱激发水泥混凝土拌合物和易性、水泥石－集料界面结构、硬化混凝土物理力学性能及耐久性等方面已取得大量研究成果。

1.2 碱激发地质聚合物的特点地质聚合物的化学组成为铝硅酸盐, 其基体相呈非晶质至半晶质相, 具有[SiO4]和[AlO4]四面体随机分布的三维网络结构, 碱金属或碱土金属离子分布于网络空隙之间以平衡电价。

网络的基本结构单元为硅铝氧链(Si–O–Al–O–Si–O–Si–O–)等。

正是由于地聚合物材料具有类似有机聚合的链状结构,且能够与矿物颗粒表面的[SiO4] 和[AlO4]四面体通过脱羟作用形成化学键, 因而具有无机化合物和有机化合物的共同特点[2]。

(1) 强度高。

主要力学性能指标优于玻璃与水泥,可与陶瓷、铝、纲等金属材料相媲美。

(2) 具有较强的耐腐蚀性与较好的耐久性,大大优于传统水泥材料。

(3) 具有较好的快硬固化性。

(4) 材料耐高温,隔热效果好。

其导热系数好,可与轻质耐火粘土砖相媲美。

(5) 原料价格低廉,储量丰富,其主要构成元素硅、铝、氧在地壳中储量分别为27%、8%、47%。

(6) 增韧、增强外添加剂选择范围广,由于反应在较低温度下进行,避免了高温可能导致的添加物变质,添加物与基体的热失配与化学不相容,从而可采用多种外添加剂进行增强、增韧,提高材料性能。

(7) 渗透率低,可固化有毒废物,地聚合物材料的渗透率与波特兰水泥接近,可用于固封有毒金属及放射性核废料。

2.减激发地质聚合物的研究发展现状2.1 国外研究发展现状1957年格卢霍夫斯基教授、科列文科教授等人使用碎石、锅炉渣或高炉矿渣磨细，或石灰加高炉矿渣和硅酸盐水泥(或不加)混合后。

再用NaOH溶液或水玻璃溶液调制净浆。

得到强度高120MPa、稳定性好的胶凝材料。

到1959年，他们通过进一步研究证明这种水泥与硅酸盐水泥一样，既能在水中及自然条件下硬化。

也能在蒸汽养护处理条件下硬化。

上世纪70年代，可能足担心这种水泥的耐久性极易引起碱一集料反应。

人们对这种水泥逐渐失去了兴趣。

但是，80年代中期以来。

这种碱激发方法制备水泥又恢复了生命力。

认为它具有强度高、抗渗性、抗蚀性均特别优良，并具有成本低和节能等特点。

随着研究的深入，碱胶凝材料中的碱逐渐由液体发展到同体。

其原料则几乎不用熟料而全部利用工业废渣，且原料品种逐渐由矿渣和烧粘土不断扩展到钢渣、粉煤灰、磷渣、赤泥、尾矿等铝硅酸盐类工业废渣[3]。

2.2国内研究发展现状我国在这方面的研究不多。

均为探索性研究．没有国家级课题或地方政府莺点经费的支持，参与研究的单位有中国地质大学、北京科技大学、马鞍山矿山研究院、苏州混凝土水泥制品研究所，但均没有产业化的报道，也没有申报专利和成果鉴定的报道，只有少量的论文发表。

中国地质大学叶北京)的马鸿文教授领导的课题组利用富钾板岩提钾后的废渣35wt％，细粉煤灰60wt％和NaOH5wt％，制备出的地面砖样品平均抗压强度达到52．8MPa．单块最小抗压强度达到46．1MPa．其它性能符合jeff446—2000标准中“一等品”或“优等品”的指标要求。

该材料还具有优异的耐酸碱侵蚀性。

其耐酸性达到99．9wt％．达到了商品耐酸砖的国家标准(GB8488—87)；耐碱性为99．92wt％．达到了玻璃马赛克的耐碱性国家标准(GB7697—89)。

2.3碱激发胶凝材料的理论研究成果关于碱激发胶凝材料的反应机理仍然是一个尚未完全解决的问题，尤其是对组成相对复杂的体系更是如此。

对于碱激发胶凝材料系统存在含钙和无钙两种体系。

在初级阶段,各研究者主要是对含钙体系的研究。

其主要对象集中在碱矿渣水泥上，并提出了一些理沦，如Purdon出的最早的“碱激活”理论解释为少量的Na0H在水泥硬化过程中可以起催化剂的作用，使得水泥中的硅、铝化合物比较容易溶解而形成硅酸钠和偏铝酸钠。

在进一步与Ca(OH)反应形成2硅酸钙和铝酸钙矿物，使水泥硬化并且重新乍成NaOH冉重新催化下一轮反应。

前苏联的科学家提出的“碱液反应机理”其过程为富钙相的溶解,硅酸盐凝胶的形成,复杂晶态产物的形成，涉及的中间产物有雪硅钙石。

水化石榴子石，最终产物为类沸石结构物质富硅钙石。

上世纪80年代，Malone等的研究发现，碱激发炉渣水泥的硬化机理为：碱金属、碱土金属离子进入溶液，在炉渣颗粒表面形成胶状硅酸钠层；铝氧化物直接溶解于硅酸钠中，形成半晶态托蚍莫来石；水化铝酸钙生成并排出水分。