1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

第一章 引言

地质聚合物是近年来新发展起来的一种新型无机非金属胶凝材料，其发展起源于前苏联科学家在20世纪五六十年代对碱激活矿渣的富有成效的研究。而在20世纪七八十年代，法国科学家Davidovits对这类材料进行深入系统的研究，发现在碱激活的条件下以煅烧粘土为主要原料合成的新材料具有优异的性能[1-4]。20世纪90年代以后，不断有新的研究组加入研究这类材料的行列。

”Geopolymer”一词原意指地球化学作用或地质合成作用而形成的硅酸盐矿物聚合物[5]，而这一概念发展到现在则包括了所有采用天然矿物或固体废弃物制备成的以硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝聚体[6]。

地质聚合物的现状：地质聚合物的生产能耗极低，只有正常水泥生产能耗的30%。如采用活性的固体废弃物，其能耗只有正常水泥能耗的10%。除此之外，每生产1t普通硅酸盐水泥约向大气中排放1000kg的CO2、1kg的SO2、2kg的NOx和大约10kg的粉尘。而地质聚合物的生产由于不用烧制水泥孰料，上述各种污染可减少90%以上，或是基本无污染。我国在这方面的研究甚少，均为探索性研究，没有国家级课题或地方政府重点经费的支持[7]。目前的研究主要集中在材料性能和开发方面，缺乏深入的理论研究[6]。

第二章 地质聚合物的性能

地质聚合物具有如下一些性能：

(1) 地质聚合物具有良好的早强特性，一般24h强度可达到15MPa~30MPa，28d强度可达到30MPa~60MPa[11]。如果养护适当，其强度还会随着龄期延长继续增长，其增长幅度大于一般水泥基材料的增长幅度。由于地质聚合物与一般矿物颗粒或废弃物颗粒具有良好的界面亲和性（大多情况下是化学键结合，并具有过度层结构），因此这类材料的抗折强度较高。与水泥基材料相比，当抗压强度相同时，地质聚合物材料具有更高的抗折强度。碳纤维增强地质聚合物的抗折强度可达245MPa，抗拉强度可达327MPa[6]。

(2) 地质聚合物为非晶质至半晶质的铝硅酸盐体系，与常见的天然矿物颗粒和许多工业废渣都具有很好的结合性。在掺加比例适宜时，掺有矿物颗粒或工业废渣颗粒的地质聚合物材料要比聚合物基体本身具有更高的强度。

(3) 地质聚合物具有良好的耐酸性。其在质量分数为5%硫酸溶液中的分解率只有硅酸盐水泥的1/13；在质量分数为5%盐酸溶液中的分解率只有硅酸盐水泥的1/12[11]。由于地质聚合物制备时都要加入大量活性铝硅酸盐细粉（如轻烧高岭土、粉煤灰、高炉水渣等），地质聚合物形成后能够吸纳大量的碱金属离子，这种吸纳过程只要活性成分还没有耗尽就可以不断进行下去，因此在很大程度上弱化了碱-骨料反应。再加上地质聚合物具有很高的抗拉强度和弹性论上说可以避性模量，所以从理论上说可以避免碱-骨料反应。这一点已被很多的实验所证实[6]。

(4) 地质聚合物在凝结硬化和使用过程中具有良好的体积稳定性。其7d线收缩率只有普通水泥的1/5~1/7，28d线收缩率只有普通水泥的1/8~1/9[11]。地质聚合物与普通水泥相比具有极好的高温体积稳定性，其400℃下的线收缩率为0.2%~1%，800℃下的线收缩率为0.2%~2%，可以保持60%以上的原始强度。此外，地质聚合物具有比水泥更好的抗冻融性[12]。

(5) 地质聚合物在阻止重金属溶出方面具有非常优异的性能。表2-1是Kam-Kotia矿山尾矿和赤泥在经地质聚合物处理前后重金属离子溶出的变化情况对比。

表2-1 Kam-Kotia矿山尾矿和赤泥经地质聚合物处理前后部分金属离子在滤液中质量浓度(*10-6)[7]

J.G.S.Van Jaarsveld等在地质聚合物中加入0.1wt%Pb(以Pb(NO3)2形式)，然后用pH值为3.3的乙酸溶液对粉碎后的地质聚合物进行浸出实验。地质聚合物的粒度为212um~600um，固液质量比为1:25，浸出温度为30℃.在200r/min的转速下进行搅拌。聚合物经1400min的浸出后基本达到平衡，浸出液中Pb的质量分数只有9mg/L[13]。

地质聚合物之所以在阻止重金属溶出方面具有非常优异的性能，除了这类材料气孔率低、抗侵蚀性好并有强大的粘合与密封功能外，很多研究者认为重金属离子能够进入聚合物网络内部象碱金属离子一样起电价平衡作用是其重要作用机制之一[7]。

第三章 地质聚合物的合成原理

合成地质聚合物的原料以无机非金属矿物和工业废渣为主，主要的有效成分为铝-硅酸盐。地质聚合物的合成主要包括在碱激活条件下的溶解、水解、缩聚和固化过程，即无机原料在碱性条件下溶解而释放出水合硅、铝离子。这些离子通过水解而形成特定的硅、铝氢氧离子，如[AL(OH)4]macr;、[SiO(OH)3]macr;、[SiO2(OH)3]2-等。这些离子相互发生缩聚反应而形成离子团（如反应式（1~3）所示）。

(1)

(2)

(3)

生成的离子团通过进一步的缩聚反应形成网络，随着网络结构的不断扩大而导致材料凝固，直至最终硬化成为有用的地质聚合物材料。由此可见，地质聚合物材料的结构以网络结构为特征[17]，这与水泥的以水化氧化硅为主的微纤维状结构完全不同，而这种差别导致地质聚合物材料与水泥在性质上大不相同。如它比水泥有更高的机械强度，比水泥更耐化学腐蚀和环境的侵蚀，比水泥更耐高温并具有水泥所没有的防火性能等。

另 一方面，地质聚合物材料的结构是随着时间缓慢变化的。随着溶解、水解和缩聚过程的不断进行，无序网络结构有向沸石型结构转变的趋势[17]。前苏联科学家观察到所合成的地质聚合物材料在10年后其力学性能不但没有下降，反而增强，这间接地证明地质聚合物材料的结构发生了变化。未来进一步对结构的直接研究是十分必要的[1]。

第四章 聚合物的应用前景

地质聚合物本身具备的优良性能特点决定了其广阔的应用前景，主要可应用于以下几个方面。

(1) 开发土木工程材料和快速修补材料

地质聚合物是目前胶凝材料中快硬早强性能最为突出的一类材料。用于土木工程中，可以大大缩短脱模时间，加快模板运转周期，提高施工速度。同时由于地质聚合物具有早期强度高及界面粘结强度高的特点，可用作混凝土结构的快速修补材料。用它修建的机场跑道，1h后可以步行，4h后可以通车，6h后可供飞机起降。1991年海湾战争期间美国修建的临时机场以惊人的速度震惊了世界，其使用的建筑材料就是早强性能优异的土壤聚合水泥（品牌为Pyrament）。

(2) 开发优异地质聚合物基涂料

地质聚合物水化后结构致密，具有良好的防水、防火等性能。郑娟荣[14]利用白色的煅烧高岭土作为硅-铝反应物，用一定模数和浓度的水玻璃作为碱激发剂，并加入适量填料配置出了地质聚合物基涂料。该地质聚合物基涂料具有耐淡水、海水、盐和稀硫酸等化学侵蚀的特征。与有机涂料相比，地质聚合物基涂料具有耐酸性、防火阻燃性、环保性、放霉菌性等一系列优点。地质聚合物基涂料作为特种涂料将有广阔的应用前景。

(3) 开发工业有毒废渣和核废料固封材料

地质聚合物的最终产物为类沸石相，而沸石是具有骨架（又称三位网状、笼形）结构的含水硅酸铝，沸石材料能吸附有毒化学废料，所以四肢聚合物是固化各种化工废料、固封有毒重金属离子及核放射元素的有效胶凝材料。传统水泥不适合固化许多含碱金属的化工废料，也不适合固化最终产品为含高浓度硫酸的金属矿山尾矿。与传统水泥不同，地质聚合物不含石灰，并且在碱金属或硫酸溶液中有很好的稳定性。目前，核电站以及其它核利用设施运行中会产生大量高、中、低放射性核废料，核废料的封装方法有：沥青法、玻璃法、水泥法、陶瓷法，其中水泥法工艺简单，无需高温高压和特殊设备，投资及运行费用低廉，但其稳定性较差、渗出率偏高。利用地质聚合物类沸石相的骨架结构固封核放射元素，既具有水泥法的工艺简单又具有陶瓷法的稳定性[15]。德国的BPS工程已率先奖这一材料用于有毒废料和放射性元素的处理，而我国在这方面的应用尚属空白。

(4) 开发地质聚合物复合材料

利用地质聚合物特有的快硬早强、高抗折强度、耐腐蚀和导热系数低、可塑性好等特点，可以开发建筑用的地质聚合物GRC板材和块体材料。与水泥制品相比，地质聚合物制品不用湿态养护，养护周期短，原料丰富，成本低廉。同时地质聚合物具有较好的加工性能，其制品具有天然石材的外观，便于成型及制作各种耐久性装饰材料。意大利研究者通过掺加纤化聚丙烯网制造了轻质顶板，日本镜美通过添加有机物PVA、PAA制造人造大理石，都取得了较好的实用效果。

(5) 开发化学键合陶瓷

所谓化学键合陶瓷，实质上是区别于高温烧结陶瓷而言的。地质聚合物通过水化反应能达到与高温烧结陶瓷相媲美的结构，而且低温浇注地质聚合物便于成型各种复杂形状的制品。与陶瓷相比，地质聚合物装饰材料或制品不仅免除了高温烧结工艺，而且整体性好[12]。

(6) 开发防火和耐高温材料

地质聚合物能经受1200℃的高温，可用于制作炉膛、冶金管道、隔热材料等，广泛应用于非铁铸造及冶金行业。Davidovits教授已成功利用地质聚合物制品浇铸了铝制品[16]。

地质聚合物具有原材料丰富、工艺简单、节约资源和能源等优点，又兼具有机高分子、陶瓷和水泥等材料的优良性能，使之越来越受到人们的重视。但是高性能地质聚合物的推广应用在国内也受到以下几个条件的限制。（1）地质聚合物的研究时间相对较短，尚缺少包括体积稳定性在内的长期耐久性数据，且脆性较大。（2）缺少相应的标准和规范，对其产品的组成配比、技术指标、施工方法及应用范围等没有详细的说明规定。（3）由于NaOH和Na2SiO3等碱性激发剂资源有限、价格较贵，同时其生产与应用给环境带来的负面影响，一定程度上也影响了这种材料的推广应用[17]。

参考文献

[1] 翁履谦，宋申华. 新型地质聚合胶凝材料[J]. 材料导报,2005,19（2）：67-68，80.

[2] Davidovits J . The ancient egyptian pyramids2concrete or rock[J]. Concr Int ,1987 ,9 (12) :28.

[3] Davidovits J . Geopolymers and geopolymeric new materials[J]. J Thermal Analysis ,1989 ,35 (2) :429.

[4] Davidovits J. Geopolymers : Inorganic polymer new materials [J]. J Thermal Analysis ,1991 ,37 :1633.

[5] Van J aarsveld J G S , Van Deventer J S J , Lorenzen L. The potential use of geopolymerlc materials to immobilize toxic materials : part 1. Theory and application [J]. Mater Eng , 1997 ,10 (7) :659.

[6] 马鸿文，杨静，任玉峰等. 矿物聚合物材料：研究现状与发展前景[J].地学前沿，2002，9(4)：398~407.

[7] 倪文，王恩，周佳. 地质聚合物--21世纪的绿色胶凝材料[J]. 新材料产业，2003（6）：24-28.

[8] Davidovits J . Geopolymer chemistry and properties [C] ∥Proceedings of the First European Conference on Sof t Mi2 neralogy. Compiegne : The Geopolymer Institute ,1988 :25.

[9] Davidovits J . Geopolymers : Man2made rock geosynthesis and the resultion development of very early high strength cement [J]. J Mater Education ,1994 ,16 (223) :91.

[10] Davidovits J . Recent progresses in concretes for nuclear waste and uranium waste containment [J]. Concr Int ,1994 ,16 (12) :53.

[11] Palomo A,Maclas A,Blanco M T,et al.Physical chemical and mechanical characterization of geopolymers [A].Proc 9th Int Congr Chem Cem[C]1992:505~511

[12] 代新祥，文梓芸. 土壤聚合物水泥. 新型建筑材料，2001(6)：34~35.

[13] Van Jaarsveld J.G.S.,Van Deventer J.S.J.and Schwartzman A.The potential use of geopolymeric materials to immobilize toxic materials:Part2.material and leaching characteristics.Minerals Engineering,1999,12(1):75~91.

[14] Davidovits J.Geopolymer chemistry and properties.Geopolymer#8217;88,France:The Geo-polymer Institute,1988:25.

[15] Li K,Wang J,Shu D,et al.Theoretical and experimental investigation of aluminum melt cleaning using alternating electromagnetic field[J].Master Lett,2002,(56):215.

[16] Zhang B W,Ren Z M,Wu J X.Continuous electromagne-tic separation of inclusion from aluminum melt using alternating current[J].Trans Nonferrous Met Soc China,2006,16:33.

[17] 孙道胜，王爱国，胡普华. 地质聚合物的研究与应用发展前景[J]. 材料导报：综述篇，2009，23(4)：61~65.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1. 主要研究或解决的问题：

本课题围绕对碱矿渣和碱钢渣为基体的两种地质聚合物，研究高温烧成处理对两种地质聚合物的组成和微观结构的影响。

2. 拟采用的研究手段：