地质聚合物混凝土
地质聚合物混凝土特性及应用
地质聚合物混凝土特性及应用作者：王璐瑶姚丝思来源：《农业与技术》2019年第23期摘要：地质聚合物是目前可以替代水泥的新型建筑材料之一，具有养护时间需求短、抗压强度高、渗透性低、耐火性高等优点，其抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度、弹性模量等多种力学特性与固液比、碱活化剂浓度、固化时间及温度等制备条件密切相关。
本文从地质聚合物的发展展开，主要阐述了地质聚合物硬化特点、粘结力、界面过渡带和耐火性等特点，总结了地质聚合物与传统混凝土的优势所在，并从今后的发展趋势进行展望。
关键词：混凝土;地质聚合物;粘结力;耐火性中图分类号：S-3文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20191215053随着城市化进程加快及基础设施的增加，水泥的需求量不断增加，但由于石灰石储量有限，水泥生产技术提升缓慢造成的产能有限以及碳税的增加，混凝土行业开始面临着重要挑战。
据报道，印度的水泥需求量到2020年可能达到5.5亿t，缺口为2.3亿t，约58%。
因此，开发可以替代水泥的粘合剂是目前解决该问题的途径之一，如碱活化水泥、硫铝酸钙水泥、碳酸氧镁水泥（负碳水泥）、超硫酸盐水泥等。
随着对碱活化水泥研究的深入，可根据水合产物的相组成将其分为3类，分别为：具有R-A-S-H（R=Na+或K+）的铝硅酸盐基体系，具有R-C-A-S-H的碱活化矿渣以及碱性硅酸盐水泥。
近年来，地质聚合物因其养护时间需求短、抗压强度高、渗透性低、耐火性高等优势引起了广泛关注，成为普通波兰特水泥优秀的替代品，被用于制造建筑材料、混凝土、耐火涂料、纤维增强复合材料以及化学和工业废料资源化处置等诸多方面。
地质聚合物也可以被称为无定形碱性铝硅酸盐或碱活化的水泥，可以通过使铝硅酸盐如粉煤灰（FA）、偏高岭土（MK）、矿渣（SG）、稻壳灰（RHA）和高钙木灰（HCWA）等，在碱性溶液中活化、聚合來生产地聚合物混凝土。
因此，生产地质聚合物混凝土的效率高度依赖于活化剂以及铝硅酸盐资源的类型。
地质聚合物混凝土特性及应用
地质聚合物混凝土特性及应用地质聚合物混凝土是一种新型的建筑材料，具有许多优良的特性，广泛应用于建筑工程中。
本文将介绍地质聚合物混凝土的特性和应用。
1. 轻质：地质聚合物混凝土的密度相对较低，比传统混凝土轻很多。
这使得使用地质聚合物混凝土的结构更加轻便，适用于对重量要求较小的场合。
2. 高强度：地质聚合物混凝土的强度高于传统混凝土。
这是由于地质聚合物的特殊结构和化学成分造成的。
高强度使得地质聚合物混凝土在抗压、抗折等方面表现出色，适用于需要承受较大压力的工程。
3. 耐久性强：地质聚合物混凝土具有优异的耐久性，能够抵御酸、碱、盐等化学介质的侵蚀。
还能够抵御冻融循环、紫外线照射等外界环境因素的破坏。
与传统混凝土相比，地质聚合物混凝土的寿命更长。
4. 良好的隔热性和隔声性：地质聚合物混凝土具有较低的热导率和较高的隔声性能。
这使得使用地质聚合物混凝土的建筑在保温、隔音等方面表现出优异的效果。
5. 可塑性好：地质聚合物混凝土具有较好的可塑性和可模性，能够满足不同形状和尺寸的建筑需求。
与传统混凝土相比，地质聚合物混凝土更容易施工，节省时间和劳动力。
地质聚合物混凝土的应用非常广泛，包括但不限于以下几个方面：1. 建筑结构：地质聚合物混凝土可以用于建筑结构的制造，如楼板、墙体、梁柱等。
其轻量化和高强度的特性使得建筑结构变得更加牢固和稳定。
2. 道路和桥梁：地质聚合物混凝土可以用于道路和桥梁的修建。
由于其耐久性强和抗压强度高的特性，使得道路和桥梁更加耐久和安全。
4. 隔音隔热材料：地质聚合物混凝土因其较低的热导率和较高的隔声性能，可用作隔音隔热材料。
可以用于住宅、商业建筑等场所的隔音隔热装饰。
地质聚合物混凝土特性及应用
地质聚合物混凝土特性及应用摘要：随着城市化进程的发展，对于水泥的需求量不断的增加。
但是，由于石灰石的储量有限，水泥的生产技术进步的不足，目前供需矛盾增加。
同时，在可持续发展的背景下，水泥的生产和制作也提出了更高的要求。
地质聚合物混凝土作为一种替代水泥的建筑材料，具有固化的时间短、抗压能力强，耐火性高的特点。
基于此，本文根据地质聚合物混凝土的发展，阐述了固化兴趣、粘结强度等内容，对地质聚合物混凝土展开了研究和讨论，丰富了相关理论。
关键词：混凝土；地质聚合物；耐火性近年来，地质聚合物由于凝固期短、抗压强度高、渗透性低、阻燃性强，已成为普通抛光水泥的优良替代品，并用于建筑材料、阻燃涂料、纤维复合材料，以及处理各类化学和工业生产产生的废物。
地质聚合物的处理原理是基于碱性溶液中份子反应以此来激活和聚合铝硅酸盐，因此，聚合物混凝土的生产效率在很大程度上取决于硅酸铝的基型和资源。
与普通硅酸盐水泥（OPC）或石灰水泥不同，地质聚合物采用高碱性冷凝法获得抗压强度。
1.地质聚合物的硬化性能首先，地质聚合物的抗压强度非常好，弹性等力学的性能相比活化剂强度、固化时间等等都会对其强度产生一定的影响。
目前的研究表明了地质聚合物的抗压强度在30-80帕之间，粘结强度为100--250mm。
其次，如果是在900度左右的高温背景下，液体的固化时间在0.18h左右。
此时的地质聚合物混凝的强度就会有所降低，保温的温度在24小时左右。
针对地质聚合物的混凝土而言，抗压的强度是能够根据寿命的使用情况来进行判定的。
综合各类的强度目标，一般都是在80mpa以内。
再次，粉煤聚合物的断裂强度高于OPS水泥，因为聚合物填料和泥形成紧密界面，弹性模量随地质聚合物抗压强度的提高而增大。
2.地质聚合物界面过渡带一般来说，在地质聚合物混凝土中，填料与基质之间的过渡带最小，在荷载作用下通常会出现微裂缝，因此有必要对过渡区进行检查。
地质聚合物的显微结构与固化污泥不同.普通混凝土边界过渡区的高孔隙度有利于氯化物、氧、硫酸盐等物质渗入其结构。
地质聚合物混凝土特性及应用
地质聚合物混凝土特性及应用地质聚合物混凝土是一种特殊的混凝土材料，它以地质聚合物为主要成分，通过添加适量的水泥和骨料来形成。
地质聚合物混凝土具有许多独特的特性，使得它在一些特殊领域有广泛的应用。
地质聚合物混凝土具有良好的流动性和可塑性。
由于地质聚合物具有较低的粘度，混凝土可在一定时间内保持良好的流动性，有利于施工和成型。
在坍落度不变的情况下，地质聚合物混凝土的抗坍落性能优于传统混凝土，可以减少坍落度的损失。
地质聚合物混凝土具有良好的耐久性。
地质聚合物具有优异的抗氧化、耐酸碱和耐盐蚀性能，使得混凝土在潮湿、酸碱等恶劣环境下能够长时间保持稳定性能，延长使用寿命。
地质聚合物混凝土具有优异的抗渗性能。
地质聚合物能够通过填充混凝土内部微孔，形成致密的结构，减少渗透介质的渗透，提高混凝土的抗渗性能。
这种特性使得地质聚合物混凝土在水工、地下综合管廊等防渗领域有广泛的应用。
地质聚合物混凝土还具有优良的抗冻性能、较低的热收缩性能和良好的抗裂性能。
这些特性使得地质聚合物混凝土在寒冷地区和高温地区均能够保持稳定的力学性能和形状稳定性。
在水工工程中，地质聚合物混凝土可应用于防渗帷幕、护坡防浪、堤坝和港口码头等建筑物的施工。
地质聚合物混凝土的抗渗性能和耐盐蚀性能能够保障水利设施的长期稳定性。
地质聚合物混凝土还可应用于道路和桥梁的建设。
地质聚合物混凝土具有较低的热收缩性能，能够减少因热胀冷缩引起的裂缝和损坏，提高道路和桥梁的使用寿命。
地质聚合物混凝土是一种具有独特特性和广泛应用前景的混凝土材料。
随着科学技术的不断进步，地质聚合物混凝土将在更多领域得到应用并发挥更大的潜力。
地质聚合物混凝土特性及应用
地质聚合物混凝土特性及应用地质聚合物混凝土是一种新型的混凝土材料，它采用了地质聚合物作为掺合材料，具有优异的耐久性、环保性和力学性能，可以广泛应用于建筑、道路、桥梁等工程领域。
本文将从地质聚合物混凝土的特性、制备方法和应用领域等方面对其进行介绍。
一、地质聚合物混凝土的特性地质聚合物混凝土是一种利用地质聚合物作为掺合材料的混凝土材料，具有以下特性：1.优异的耐久性地质聚合物混凝土在抗硫酸盐侵蚀、氯离子渗透和碱性侵蚀等方面具有较好的耐久性，能够有效延长混凝土结构的使用寿命。
2.环保性地质聚合物是一种天然无机物，采用地质聚合物作为混凝土掺合材料可以减少对天然资源的开采，降低对环境的影响，符合可持续发展的要求。
3.良好的力学性能地质聚合物混凝土在抗压强度、抗折强度等力学性能方面表现出色，能够满足各类工程对混凝土材料强度的要求。
4.优异的渗透性能地质聚合物混凝土对水的渗透性能较好，能够有效防止水分的渗透，降低混凝土结构的渗漏风险。
以上特性使地质聚合物混凝土成为一种具有广泛应用前景的新型混凝土材料。
二、地质聚合物混凝土的制备方法地质聚合物混凝土的制备方法主要包括材料选用、配合比设计、搅拌和养护等步骤。
1.材料选用地质聚合物混凝土的主要原材料包括水泥、粉煤灰、骨料和地质聚合物。
其中地质聚合物作为掺合材料，可取代部分水泥，起到优化混凝土微观结构、提高混凝土性能的作用。
2.配合比设计地质聚合物混凝土的配合比设计需要考虑地质聚合物掺合量、水灰比、粉煤灰掺量等因素，以保证混凝土的力学性能和耐久性能。
3.搅拌搅拌是地质聚合物混凝土制备过程中的关键环节，搅拌质量直接影响混凝土的性能。
在搅拌过程中，需保证地质聚合物与水泥、粉煤灰等材料的充分混合，以提高混凝土的均匀性和稳定性。
4.养护地质聚合物混凝土在初凝后需要进行养护，以保证混凝土的早期强度和抗渗性能。
养护过程中需要注意控制水泥水化速率，避免过快或过慢的水化反应对混凝土性能的影响。
聚合物混凝土地面施工工艺标准
聚合物混凝土地面施工工艺标准
1. 施工准备
- 检查施工场地，确保地面平整、无明显的缺陷和障碍物。
- 聚合物混凝土施工所需材料应符合相关标准要求，并进行检查和验收。
2. 地面处理
- 清洁地面，去除灰尘、油污和其他杂物。
- 如有需要，进行地面修复和平整化工作。
3. 聚合物混凝土施工
- 准备聚合物混凝土材料，按照生产厂家提供的配比和工艺要求进行混合。
- 将聚合物混凝土均匀地倒在地面上，使用振动器进行均匀压实。
- 对施工过程中出现的气泡和裂缝进行修复和处理。
4. 养护和保护
- 在混凝土浇筑完成后，对地面进行养护，防止过快干燥和龟裂。
- 可根据需要，对聚合物混凝土地面进行防水、防腐和漆膜等保护处理。
5. 竣工验收
- 施工完成后，进行地面质量检查，确保施工质量符合标准要求。
- 进行相应的测试和试验，检验地面的强度、平整度和耐久性等性能指标。
以上是聚合物混凝土地面施工工艺标准的基本内容。
在实际施工中，应根据具体情况和需求进行调整和补充，确保施工质量和效果的达到设计要求。
地质聚合物混凝土特性及应用
地质聚合物混凝土特性及应用
地质聚合物混凝土是一种以聚合物为主要成分的混凝土材料，其具有许多独特的特性
和广泛的应用。
地质聚合物混凝土具有良好的耐久性。
相比于传统的水泥混凝土，地质聚合物混凝土
的耐久性更好，能够抵抗化学侵蚀和物理磨损。
由于聚合物的特殊结构，它们能够与水泥
颗粒形成更紧密的结合，从而增加混凝土的抗压强度和疲劳性能。
地质聚合物混凝土具有较低的热收缩性。
聚合物在水泥基体中起着填充和包裹作用，
减少了水泥水化过程中的体积变化。
这种特性能够降低混凝土的热应力，从而减少开裂和
变形的风险。
地质聚合物混凝土具有较高的抗冻融性能。
聚合物的非晶态结构和高分子量使得地质
聚合物混凝土能够更好地抵抗冻融循环引起的损伤。
这种材料能够吸收和释放冻结的水分，并通过其柔韧的性能来减少冻融应力。
地质聚合物混凝土还具有良好的抗渗性能。
由于聚合物分子链的柔韧性和与水泥基体
的相容性，地质聚合物混凝土能够有效地阻止水分的渗透。
它在地下水污染防治、水利工
程和地下管道等方面的应用非常广泛。
地质聚合物混凝土还可用于隔热和隔音。
该材料能够通过减少热传导和声波传播来提
供良好的隔热和隔音效果。
这使其在建筑和交通运输等领域的使用变得更加广泛。
地质聚合物混凝土具有许多独特的特性，包括良好的耐久性、较低的热收缩性、较高
的抗冻融性能、良好的抗渗性能以及优异的隔热和隔音效果。
这些特性使得地质聚合物混
凝土在建筑、水利工程和交通运输等领域具有广泛的应用前景。
地聚物混凝土
混凝土拌合物和易性
研究发现,对硅酸盐水泥具有良好减水作用的减水剂 对碱激发胶凝材料效果往往很差。 此外，随NaOH和水玻璃浓度增加,碱激发粉煤灰砂浆流 动度下降。
碱激发胶凝材料-集料界面特性
在硅酸盐系列水泥混凝土中,通常集料与水泥石 间存在界面过渡区,对强度和耐久性影响较大,但碱 激发胶凝材料与集料间不存在类似界面过渡区。
混凝土变形性能
1）化学变形
一般认为,碱激发偏高岭土和粉煤灰材料化学减缩变形 较小,但相关研究很少。廖佳庆研究发现,激发碱矿渣水 泥化学减缩与硅酸盐水泥相当,水玻璃激发试样化学减 缩略小于硅酸盐水泥。
2）干缩变形
碱激发偏高岭土材料和碱激发粉煤灰材料的干缩变 形都小于硅酸盐水泥，而碱矿渣水泥干缩较大，其干 缩与激发剂种类和用量有关,水玻璃和 NaOH激发试样 干缩分别达
抗化学侵蚀性研究表明虽然矿渣含钙量较高但与硅酸盐系列水泥相比碱矿渣水泥仍具有良好的抗化学侵蚀性能且其抗化学侵蚀性能似乎优于碱激发粉煤灰材料其原因可能与碱激发材料孔结构有关水玻璃激发粉煤灰试样平均孔径约628nm水玻璃激发矿渣试样大部分孔均为10nm以下的凝胶孔因此水玻璃激发矿渣混凝土抗化学侵蚀性优于水玻璃激发粉煤灰混凝土
原因：石灰石砂与胶凝材料间存在化学作用,石英砂 和花岗岩砂中铝硅成分则在碱激发作用下,也参与 聚合反应,从而在碱激发胶凝材料与集料之间不存 在界面过渡区。
抗化学侵蚀性
研究表明,虽然矿渣含钙量较高,但与硅酸盐系列水泥相比, 碱矿渣水泥仍具有良好的抗化学侵蚀性能 且其抗化学侵 蚀性能似乎优于碱激发粉煤灰材料,
混凝土变形能力
硅酸盐水泥干缩的6 倍和 3倍,且随激发剂用量增加而增大, 而碳酸钠激发试样干缩比硅酸盐水泥略低或相当,加入减 缩剂可有效减小水玻璃激发矿渣砂浆干缩,但相对湿度较 低时,干缩仍远高于硅酸盐水泥砂浆。
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参考文献
地质聚合物混凝土
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反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理4
李化建等研究提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂，研制煤矸石质硅铝基胶凝材 料的水化机理：焊接原理(铝硅酸盐之间的缩聚)和包裹原理(硅凝胶、C-S-H凝胶以 及铝硅酸盐之间的交织)的综合。煤矸石质硅铝基胶凝材料的硬化成岩分为3个阶段， 即成岩剂的水解、迁移，原位键合以及包裹胶结。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理2
段瑜芳等也对低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土胶凝材料进行了研究，并提出碱激发 偏高岭土胶凝材料的水化同样可以分为初始期、诱导期、加速期、减速期以及稳定 期。但是，各水化阶段的反应机理与传统的水泥基材料完全不同。
初始期主要是偏高岭土对溶液组分的表面吸附；诱导期主要表现为活性硅铝氧化物 的溶解；加速期表现为四面体基团的聚合；减速期水化速度降低的主要原因是扩散 阻力增大，同时偏高岭土反应面积减小，液相中的碱含量降低也是重要原因。
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[3]Davidovits J .Geopolymers:Inorg anic polymer new materials [J] .J Thermal Analysis,
4
NaOH 和Na2SiO3 等碱性激发剂资源有限、价格较贵，其生产与应用给环境带来的负面 影响，也影响了这种材料的推广应用。激发剂方面需要考虑替代品或采用复合激发的方
式，降低成本,减少生产、应用对环境的污染。
参考文献
地质聚合物混凝土
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针对其缺点，国内外学者采用掺入高性能纤维等手段通过多种方式来增加韧性， 进行改性研究。但由于大多是借鉴水泥、陶瓷的改性手段，没有结合地质聚合 物的结构特点，且增韧机理不够明确，所以具有一定的局限性。
有学者提出，引入有机聚合物与地质聚合物中的活性物质反应来增强和增韧， 初步试验结果表明这种方法可行，值得进一步研究。
应用于汽车及航空工业、土木工程、交通工
点
程等领域。
分类
地质聚合物混凝土
根据地质聚合反应中所使用激发剂种类的不同
பைடு நூலகம்
碱激发地质聚合物材料
酸激发地质聚合物材料
盐激发地质聚合物材料
激发剂
工业水玻璃、氢氧 化钠、氢氧化锂或 它们之间的混合物
磷酸等
硫酸盐、氟化物、 硅酸盐与铝酸盐等
优点
早强快硬, 力学性能好
1
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良好耐久性
7
耐高温隔 热效果好
4
对Hg、As、Fe、Mn、A r、Co、 Pb的固定率大于或等于90 %； “牢笼型”的网络骨架稳定。
地质聚合物在1000 ～1200℃之间不氧 化、不分解，在高 温条件下很稳定， 可以保持60 %以上 的原始强度
缺点
地质聚合物混凝土
由于地质聚合物的脆性较大，地质聚合物混凝土表现出脆性较大的缺点。
3 马鸿文等研究提出利用碱硅酸盐混合溶液(氢氧化钠和水玻璃)激发粉 煤灰和煅烧高岭石制备地质聚合物的反应机理
4 李化建等研究提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂研制煤矸石质硅铝 基胶凝材料的水化机理
反应机理
Reaction
反应机理1
低聚硅氧四 面体
地质聚合物混凝土
偏高岭土等 高碱性溶液
活性材料
裂解
高碱 聚合反应
03
应用
Application
应用
Application
地质聚合物混凝土
地质聚合物混凝土具有良好的耐久性和力学性能，快凝早强，结构致密， 耐高温等优异性能是其工程应用的基础。
工程上
可用地质聚合物混凝 土来代替部分硅酸盐 水泥混凝土，将矿渣、 粉煤灰等废弃物资源 化，加以利用
工程安全与防护领域
应用于机场跑道、通讯设 施、道路桥梁、军事设施 的快速建造与修复，工业 与民用工程的抢修、抢险 和抢建，以及重要工程如 核电站、耐火结构等领域。
02
反应机理
Reaction
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
目前针对不同体系具有代表性的地质聚合物反应机理模型有以下几个：
1 以法国科学家Joseph Davidovits为代表的研究者提出的利用氢 氧化钠/氢氧化钾激发偏高岭土制备地质聚合物的机理模型
2 曹德光等研究提出利用低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土制备地 质聚合物的反应机理
反应机理
Reaction
反应机理2
硅酸钠溶液低聚合状 态的硅氧四面体基团
偏高岭石中的活性铝 氧层
地质聚合物混凝土
化合反应 “键合反应”
网络状的三维空 间结构产物
低聚合度硅氧四面体基团起到一种“胶联”的键合作用， 将偏高岭土颗粒“粘联”在一起。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理2
张云升等应用环境扫描电镜原位定量追踪K-PS 型和K-PSDS 型地质聚合物水 泥在相对湿度80 %条件下水化产物生成-发展-演化的全过程。 结果表明：在水化早期,偏高岭土颗粒松散地堆积在一起，存在许多大空隙;随 着龄期的延长,生成的大量海绵状胶体积淀在颗粒表层，并向外扩充;到了后期， 颗粒被胶体厚厚包裹，空隙被填满，基体变得非常致密。
THANKS
欢迎批评指教
目录
Catalogue
基本概述
Basic overview
反应机理
Reaction
应用
Application
展望
Expectation
01
基本概述
Basic overview
地质聚合物混凝土的相关 概念、分类及特点
概述
Summary
地质聚合物混凝土
地质聚合 物混凝土
以地质聚合物为胶凝材料制备的一种具有优异性能 的新型混凝土类材料。此概念最早于1978年提出。
三维网状结构的 无机高聚物
低聚铝氧四 面体
根据反应产物中硅铝比(Si/Al)之间的比例关系，可将地质聚合物分为3 种类型： PS 型(-Si-O-Al-)、PSS型(-Si-O-Al-O-Si-)、PSDS 型（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-）。
基于此将地质聚合物的分子式表为：Mn{-(SiO2 )z-AlO2-}n ·mH2O 式中z为1、2 或3；M为碱金属离子(Na+、K +等)，n为聚合度，m为结合水量。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理3
粉煤灰中的铝硅酸盐玻璃相在强碱的作用下首先发生溶解，其中部分Si-O、Al-O 键发生断裂;断裂之后的Si、A l组分在碱金属离子N a+、OH -等作用下形成Si、 A l低聚体（-Si-O-Na、-Si-O-Ca-OH、A l (OH )4-、A l (OH )52 -、A l-(OH)63 -）， 而后随着溶液组成和各种离子浓度的变化，这些低聚体又形成凝胶状的类沸石前 驱体；最后前驱体脱水得到非晶相物质。
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烧粘土 （偏高岭土）
工艺处理
Si、Al、O为主要 元素的硅铝质材料
较低温度
特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构 的新型无机聚合物材料
特点
地质聚合物混凝土
地
01
比高分子材料、陶瓷、水泥和金属更好的性能
质
聚
合 物 混
02
原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污 染小。是一种可持续发展的绿色环保材料