地聚合物材料研究与应用现状.docx

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1、地聚合物材料争论与应用现状杜保聪;张鸣;杨鼎宜;陈霓超;周勋建;蔡雨;李书龙【摘 要】本文总结了地聚合物的组成材料、制备工艺、微观构造、反响机理、工程应用、存在的问题与改善方法,分析了地聚合物的将来进展趋势.【期刊名称】四川建材【年(卷),期】2023(044)012【总页数】4 页(P38-41)【关键词】地聚合物;组成材料;反响机理;工程应用【作 者】杜保聪;张鸣;杨鼎宜;陈霓超;周勋建;蔡雨;李书龙【作者单位】扬州大学建筑工程学院,绿色建筑材料争论所,江苏 扬州 225100;扬州大学建筑工程学院,绿色建筑材料争论所,江苏 扬州 225100; 扬州大学建筑工程学院, 绿色建筑材料争论所

2、,江苏 扬州 225100;扬州大学建筑工程学院,绿色建筑材料争论所,江苏 扬州 225100;扬州大学建筑工程学院,绿色建筑材料争论所,江苏 扬州225100;扬州大学建筑工程学院,绿色建筑材料争论所,江苏 扬州 225100;扬州大学建筑工程学院,绿色建筑材料争论所,江苏 扬州 225100【正文语种】中 文【中图分类】TU5280 前 言地聚合物是由硅铝材料、碱激发材料为主要原材，低于 150 或常温养护得到的一种硅铝酸盐型无机聚合物材料1。地聚合物兼具有机高聚物、陶瓷、水泥的性能，具有高强、快凝快硬、低收缩、低渗透性、耐酸、耐高温、隔热好、可回收再利用、价格低、生产耗能低等优点，局部性

3、能如表 12所示。表 1 地聚合物局部性能2性能密度/(kgm-3)熔点/膨胀系数/(10-6/)抗压强度/MPa 抗弯强度/MPa 抗拉强度/MPa 范围 0.851.88001 40042520 6504022030190 备注随 Si 含量上升而提高 随 Si 含量上升而提高与成型方法和填料性质有关纯地聚合物体系地聚合物复合体系自 20 世纪 70 年月以来，世界上很多国家对地聚合物的组成材料、反响机理、工程应用等做了大量争论。地聚合物作为具有独特性能的型材料，已表现出很好的科研价值和工程应用前景。1 地聚合物原材料与制备工艺1.1 根底材料(硅铝材料)地聚合物原材料主要包括根底材料(硅

4、铝材料)、激发材料和砂等，如表 23所示。表 2 地聚合物原材料与激发材料3硅铝材料激发材料种类实例火山浮石冲天炉渣偏高岭土碱金属氢氧化物 NaOH、KOH 火山灰平炉废渣伊利石碱土金属氢氧化物Ca(OH)2 精磨喷射岩镍铁废渣蒙脱石碱土金属氧化物 CaO 珍宝岩电热磷酸废渣富矿灰质盐类(氟化物、卤化物、磷酸盐、硫酸盐及其他)玄武岩硅酸盐与铝酸盐沸石有机基组分(铵的碱性物质特别是季铵组成)粉煤灰波特兰水泥熔渣膨润土Na2SiO3(液态)水泥窑灰煤矸石(煅烧后)硅灰地聚合物进展初期，主要使用高岭土煅烧后得到的偏高岭土作为根底材料，如式(1)4所示，煅烧温度为 750 时水化活性最高。2Al2Si

5、2O2(OH)4(高岭土)(偏高岭土) (1)郑广俭5用正硅酸乙酯和水合硝酸铝制备 Al2O3-2SiO2，其构造与偏高岭土相像，由其作为硅铝材料制备的地聚合物微观构造与偏高岭土地聚合物亦相像。为削减微观构造缺陷，科研人员争论使用粉煤灰制备地聚合物，粉煤灰作为地聚合物根底材料更具优势，但粉煤灰掺量过高时，会导致地聚合物强度降低6。为提高粉煤灰的反响效果，科研人员从复掺其他原材料、改善反响条件等方面进展了大量争论。胡明玉等7承受沸石和膨润土与粉煤灰复掺、NaOH 和 CaO 为激发材料、标准砂为骨料，在常温条件下制备粉煤灰地聚合物，争论说明，使用沸石时，粉煤灰地聚合物中非晶态铝硅酸盐量最多，构造

6、中存在很多连续三维网状 PSDS 型地聚合物产物，该地聚合物 28 d 抗压、抗折强度分别超过 26、8 MPa，耐硫酸盐腐蚀性能良好。近年来，随着人们环保意识的增加，工业固体废弃物越来越多地被作为硅铝材料制备地聚合物，He 等8使用赤泥、稻壳灰混合物作根底材料、NaOH 作为激发材料制备了地聚合物。周梅等9使用 650 1 000 煅烧后的煤矸石与矿渣、粉煤灰混合制备了地聚合物。汪海风等10以建筑垃圾、矿渣为根底材料、Na2SiO3 为激发材料制备了地聚合物材料，并确定了最正确协作比为建筑垃圾/矿渣重量比 0.5，水胶比 0.26，硅酸钠 10%，该地聚合物材料在湿度 95%、25 养护 2

7、8 d 的试件抗折、抗压强度分别到达 4.5、45.6 MPa。1.2 激发材料激发材料主要包括碱金属和碱土金属的氢氧化物、氧化物、卤化物、有机基组分等。激发材料分为单一激发材料(主要为 NaOH、KOH 等)和复合激发材料(主要为液态Na2SiO3 和 NaOH 或 KOH 复合)，复合型激发材料的增加效果明显优于单一激发材料，故争论人员多使用复合激发材料。除了上述的碱激发材料，曹德光11、Cui12、Hanen13、Louati 等14争论说明磷酸作为激发材料制备的地聚合物，形成 Al-O-P 键，同样可实现聚合反响。酸作为激发材料相对于传统的碱激发地聚合物材料是突破性的技术进步，进一步拓

8、展了地聚合物构造形成理论。1.3 制备工艺如图 1 所示，地聚合物制备时首先将硅铝材料(偏高岭土、粉煤灰等)、细骨料(细河砂、石英砂、标准砂等)、填料(各种工业废渣)、改性材料(聚合物、纤维等)混合均匀，在搅拌状态下参加激发材料和水的混合物，搅拌成均匀浆体后，浇筑入模具并置于振动台上振动成型，低于 150 养护(标准养护、自然养护、热养护等)至预设龄期后晾干，得到成品。这种制备方法通常水料比为 0.200.30，假设承受加压成型15-16或超声波振动成型17，水料比会更低、硬化后试件的力学性能更高。图 1 地聚合物材料生产工艺流程2 地聚合物材料微观机理争论2.1 微观构造地聚合物硬化产物通常

9、认为是硅氧四周体和铝氧四周体聚合而成的非晶态和准晶态的凝胶体18，其分子构造分为 PS、PSS 和 PSDS 三种类型，如表 319所示。张云升等20据此将地聚合物的化学式表达为：Rn-SiO2z-AlO2-nwH2O (2)式中，R 为碱金属，如 Na+、K+；z 为 1、2 或 3；n 为聚合度；w 为结合水量。表 3 地聚合物分子构造类型19类型形式 Si/AlPS 硅铝长链:SiOAl1PSS 双硅铝长链:SiOAlOSi2PS-DS 三硅铝长链:SiOAlOSiOSi3张云升等20利用将高岭土经 750 煅烧 6 h 得到的偏高岭土(活性 Si-Al 材料)、NaOH 和 KOH(碱

10、激发材料)、液体 Na2SiO3 和 NaAlO2(校正材料)按表 4 配比制备三类地聚合物试样，标准养护后进展微观测试。结果说明，地聚合物合成过程中AlO4 键接在 SiO4 链形成三维网状构造，且 6 配位的 Al 聚合后转化成 4 配位。表 4 3 类地聚合物协作比20类型协作比(物质的量比)SiO2/Al2O3R2O/Al2O3H2O/R2OPSNa-PSK-PS2.50.88.0PSSNaPSSK-PSS4.50.85.0PS-DSNa-PSDSK-PSDS5.51.07.0段建霞等21认为，Si/Al 为 1 和 3 时反响可自发进展，且 Si/Al 为 1 时，反响能量势垒最低，

11、缩聚反响速度最易最快；Si/Al 为 2 时，反响不能自发进展。2.2 反响机理地聚合物的反响是SiO键与AlO键断裂-重组的过程，张书政等19总结了NaOH 和 KOH 为激发材料、偏高岭土为原料的(Na，K)-PSS 地聚合物的反响机理，如式(3)(4)所示：第一步： (Na，K)2n(OH)3SiOOSi(OH)3 (3)其次步： n(OH)3SiOOSi， (4)3 地聚合物材料应用3.1 固化重金属环境污染方面的重金属常指 Hg、Cd、Pb、Cr 等，重金属对人类安康和环境都存在严峻危害，而且不易分解22。传统上承受水泥基材料固化重金属，但水泥基材料固化方式存在渗透率高、重金属溶出浓

12、度高、耐久性差等问题23。由于地聚合物比传统的水泥基材料在强度、抗渗性、耐久性等方面更加优异，国内外科研人员在地聚合物固化重金属的可行性方面进展了大量争论。金漫彤等24使用偏高岭土(由高岭土经 800 煅烧得到)为硅铝材料、液态水玻璃(n=3)、NaOH 为激发材料、水固比 0.32 制备地聚合物固化 Pb2+(PbSO4)，争论结果说明其固化机理为Pb2+被聚合物骨架的 Al3+吸附 Pb2+并将其包在聚合体中，固化率可达 99.7%以上，并且由于形成的固化体产物为严密的片状构造，固化体的抗压强度达 40 50 MPa。3.2 修复加固材料由于地聚合物具有快硬早强、耐久性好等优点，已应用于软

13、土地基加固和水泥混凝土路面的快速修补。彭小芹等25制备了水泥掺量 10%、激发材料/固化材料比为0.75 的地聚合物，其 8 h 抗折、抗压强度为 3.25、43.6 MPa，该材料成功用于高速大路快速修补中，大路修补 1 天后就开放交通，通车状况良好。王健26针对传统注浆材料抗侵蚀性差、后期体积倒缩等问题，设计了地聚合物双液注浆材料，该材料分散时间几十秒到几格外钟可控，其在工程加固止水方面较传统注浆材料优势明显。4 地聚合物材料存在问题与改善技术4.1 脆性大和水泥基材料一样，地聚合物存在脆性大等缺点，为改善地聚合物材料的某些性能， 近年来科研人员将一些功能材料引入传统地聚合物材料中，表 5

14、 为从既有文献中整理的主要改性材料及性能特点。Shuzheng Zhang 等27争论了聚丙烯酸(Polyacrylic Acid，PAA)、聚丙烯酸钠(Sodium Polyacrylate，PAANa)、聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)、聚乙二醇(Polyethylene Glycol，PEG)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)五种水溶性聚合物对力学性能的影响，争论说明，PAA 和 PAANa 可以显著提高地聚合物的力学性能，抗压、抗折强度最大分别提高 29.0%、64.9%，但是 PAM，PEG 和 PVA 增加效果不如 PAA 和 PAANa。刘

15、礼才等28争论了聚羧酸(Polycarboxylic Acid，PCA)和 PAA 乳液对高岭土-矿渣地聚合物力学性能的影响，争论说明，PCA、PAA 掺量 0.5%时抗折强度分别提高了 6.9%、14.3%。刘礼才利用复合材料混合法则对此进展了分析，如式(5)29所示，即当地聚合物、有机聚合物强度分别到达最大时，基体强度也到达最大。=mvm+pvp(5)式中， 为基体强度；m、P 为地聚合物、有机聚合物强度；vm、vP 为地聚合物、有机聚合物的体积百分比。ZHANG Yunsheng30、郭正超31、许金余32争论了 PVA 短切纤维引入地聚合物中用以增韧。如同其他水泥基材料一样，纤维在地聚

16、合物材料中超过肯定掺量后，难以分散均匀，反而对地聚合物产生不利影响。由于可再分散乳胶粉常用于水泥基材料中改善力学性能、韧性等，且遇水易溶，不存在难分散问题。李霞等33 以水玻璃(模数为 3.13.4)、NaOH 为激发材料，常温环境下制备粉煤灰-偏高龄土地聚合物砂浆，争论了可再分散乳胶粉对地聚合物弯曲性能的影响，结果说明， 可再分散乳胶粉掺量对地聚合物抗弯性能有显著影响，当可再分散乳胶粉掺量为10%时，粉煤灰-偏高岭土地聚合物砂浆的抗弯强度提高 2.9 倍、抗弯韧性提高了2.2 倍。表 5 局部地聚合物改性材料种类种类规格适宜掺量/%生产厂家功能可再分散乳胶粉-RE5010 EVA610 德国

17、 WACKER 公司增韧聚丙烯酸(PAA)-RS-300A0.51.0 巴德富实业增加、增韧聚丙烯酸钠(PAANa)-0.51.0 广州化学城增加、增韧聚羧酸(PCA)-含固量 22%0.51.0 西安方鑫化工增加、增韧纤维 PVA 纤维长6mm,直径 14m2.0-增韧木质素纤维长 6mm0.3-增韧聚酯纤维长 6mm0.1-增韧玻璃纤维长 12mm,直径 513m0.3-增韧碳纤维长 6mm,直径 7m0.2 日本东丽公司增加,吸能4.2 常温养护强度低在以粉煤灰和高岭土为原材料的地聚合物材料中，在常温养护下合成的地聚合物材料的抗压、抗折强度偏低。Temuujin 等34实行了根底材料粉磨

18、活化的方式提高地聚合物的微观构造和力学性能；Zhang 等35通过设计 SiO2/Al2O3 摩尔比、Na2O/Al2O3 摩尔比、H2O/Na2O 摩尔比，并结合正交试验优化材料配比得到力学性能最正确的材料；朱强等36争论使用热养护及压蒸养护；金漫彤37掺加适量水泥、沸石和偏磷酸钠， Tanakorn 等38掺加纳米级非晶态 SiO2 颗粒和非晶态 Al2O3 颗粒增加。上述方法在增加地聚合物力学性能方面取得了显著效果。5 结语与展望地聚合物虽然进展历史较短，但因其独特的性能，自诞生以来始终成为土木工程领域的争论热点，目前地聚合物争论越来越多地向利用工业固体废弃物作根底材料的方向进展，地聚合

19、物组成呈现简单化，性能上愈加多功能化。但是，目前在激发材料仍以碱金属元素或碱土金属元素的碱、盐为主，进展缓慢，而且地聚合物的反响机理争论成果较少，其工程应用技术争论较少。地聚合物材料争论远未成熟，极具进展潜力。ID:006988参考文献：【相关文献】1 Davidovits J.Geopolymers and geopolymeric materialsJ.Journal of Thermal Analysis ， 1989，35(2):429-441.2 张书政，龚克成.地聚合物J.材料科学与工程学报，2023，21(3):430-439.3 袁鸿昌，江尧忠.地聚合物材料的进展及其在我国的应

20、用前景J.硅酸盐通报，1998，29(2):46- 51.4 黎非.地聚合物胶凝材料技术与应用J.江苏建材，2023，28(1):19-21.5 郑广俭.无定形 Al2O3-SiO2 粉体制备及地质聚合反响机理争论D.南宁:广西大学，2023.6 Van Jaarsve ld J G S，Van Denventer J S J，Lukey G C.The effect of composition and temperature on the properties of fly ash-and kaolinite-based geopolymersJ.Chemical Engineering

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