文 献 综 述

1 引言

传统材料水泥和混凝土在国民经济中发挥着重要作用，并且还将在基础设施建设中占据重要地位，由于传统水泥材料在生产过程中消耗大量的资源，排放CO2、SO3和NOx等产生温室效应和酸雨的气体[1,2]，所以我们急需一种新的材料来解决这些问题。

地质聚合物Joseph Davidovits教授首先发现并命名[3]，它是利用工业废弃的矿渣、粉煤灰、钢渣等为材料，具有无需煅烧，原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小、可回收利用等优点[3]。

2 国内外对地聚物的研究

地质聚合物材料自诞生以来，经历了一个从初级到高级的发展过程。最初生产的地聚合物制品必须在一定温度（50℃-180℃）下养护，甚至需要压蒸工艺，所用原材料比较单一。随着研究的进展，地聚合物在常温下也能实现快硬高强的优异性能，所用原材料也比较丰富，目前一些工业废渣在地聚合物中也被广泛应用。地聚合物的碱激发剂也由单一的碱金属、碱土金属的氢氧化物扩展到氧化物、卤化物、有机基组分等。地聚合物的增韧、增强途径以及制备工艺手段也日趋发展，材料的性能得到大幅度提高[4]。国外有关地聚合物胶凝材料方面的专利、论文数量每年大幅度增加，研究内容已经进入实用化阶段，而国内在这一领域的研究起步相对较晚，目前发表了一些基础性研究论文和综述。

3 关于地聚物的形成机理

表1地质聚合物研究历史

时间	主要研究者	主要观点
20世纪40年代至50年代	美国 Purdon	第一步，Al2O3、SiO2在NaOH作用下溶解、释出：第二步，水化C-S-H、铝酸钙凝胶的沉降及侵蚀性NaOH的重新生成
20世纪70年代	乌克兰 Giukhovsky	认为C-S-H和铝硅酸钙（钠）是主要的水化硬化产物；在激发过程中，粘土类矿物反应形成铝硅酸水化物。
20世纪80年代	法国 J.Davidovits	低钙Si-Al质材料在高碱环境下溶解，Si和Al单体被自由释放，接着进行结构重组，发生类似于有机高分子聚合时的缩聚反应

目前，最为认可的是J.Davidovits提出的解聚和缩聚理论[5]。

4 矿渣-粉煤灰基地质聚合物研究的现状与发展

4.1现阶段的研究方向

目前对矿渣-粉煤灰基地质聚合物的研究主要集中在参杂物[3,6,7]（单掺或者混掺）、水玻璃的性能[5,8]（包括水玻璃的浓度、钠钾水玻璃的含固量、水玻璃的种类和模数）、养护时间[3]、水胶比[8]、原料的细度[8]以及养护的温度[6]、湿度[6]等因素对地聚物性能的影响。

利用控制变量法，保证其他条件不变的前提下改变某一个变量制出样品，在一定的养护条件下，经过一段时间后测量其各种力学性能，将测出的数据加以处理分析，最终确定一最佳方案。

实验中主要的仪器有：砂浆搅拌机，万能试验机，XRD，SEM，标准养护箱等。

图1 地质聚合物制备工艺流程图（见附件）

4.2矿渣-粉煤灰基地质聚合物材料体系存在的问题及研究方向

目前关于碱激发胶凝材料及混凝土的研究已有很多，但国内外将其大规模应用于实际工程的还不多。要实现产业化应用，目前还有很多问题需进一步研究解决。

(1)碱激发矿渣-粉煤灰体系存在的必要性和双活性组分的作用[9]。多组分体系存在的意义在于两者缺一不可，或用一种物料来弥补另一种物料的不足，又或用一组分代替另一组分从而降低成本。迄今为止，对粉煤灰和矿渣双活性组分的协同作用方面的研究不够深入。

(2)原材料[10]：影响碱激发胶凝材料性能的因素很多，各因素对性能的影响规律虽已有一些研究成果，但尚缺乏系统性，特别是采用工业废渣原材料时，由于化学组成、微观结构和活性成分波动很大，很难得到性能稳定的胶凝材料，因此，如何提高碱激发工业废渣胶凝材料的性能稳定性是实现其工程应用需要进一步解决的关键问题。

(3)养护工艺[9]：从养护工艺看,常见的养护方式有湿汽养护、标准养护、干养护：常温养护、升温养护(蒸汽养护、压蒸养护)。初步研究结果表明,高碱度体系湿气养护优于干养护和标准水养护;钙矾石基体系：标准水养护优于其他养护。升温养护有助于强度发展，但不宜高于90℃。养护方式对体系的适应性直接影响胶凝材料的应用和产品定位。

(4)耐久性问题[9]：许多学者通过试验认为:碱矿渣胶凝材料几乎不存在碱骨料反应。但是，长期以来水泥行业”谈碱色变”，因此，关于碱-矿渣-粉煤灰体系的碱骨料反应、抗硫酸盐性能、 耐酸性能、 耐高温性能、干收缩性能等以及碱矿渣胶凝材料常见表面泛霜问题进行有针对性的系统研究势在必行。

5 结论：

矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土的快凝早强性能用于机场跑道、 通讯设施、 道路桥梁、军事设施的快速建造与修复[11]，还应用于排水管[12]、建筑工程[13]、有毒废料及放射性废料处理等领域[14-15]，具有一定的军事和民用的意义。此外，如今环保、节能等问题备受人们的关注，地聚物的进一步发展是必然的，以地聚物取代传统硅酸盐水泥材料，弥补它的不足，发展空间很大。

参考文献

[1] [1] Yan peiyu, Yang Wenyan. The cementitious binder derived with fluorogypsum and

low quality of fly ash [J]. Cem Concr Res, 2000, 30(2): 275.

[2] MunK J, etal. Basic properties of nonsintering cement using phosphogypsum and

waste lime as activator [J]. Construction Building Mater, 2007, 20(6): 1342.

[3] 尚建丽, 刘琳. 矿渣-粉煤灰地质聚合物制备及力学性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2011, (30): 741~744.

[4] 高璐, 张意, 周尚永. 地聚物凝胶材料的研究现状[J]. 材料导报, 2009, (19): 94~100.

[5] 侯云芬, 王栋民, 李俏, 路宏波. 水玻璃性能对粉煤灰基矿物聚合物的影响[J]. 硅酸盐学报, 2008, (36): 61~64.

[6] 李晓, 牛晚扬, 潘文浩. 碱激活矿渣-粉煤灰-煤矸石复合体系胶凝材料强度研究[J]. 科学研究，2008, (3): 28~32.

[7] 张旭芳, 倪文, 王薇, 武俊宇. 矿渣粉煤灰制备胶凝材料的实验研究[J]. 材料导报, 2009, (23): 93~101.

[8] 张旭芳, 倪文, 王薇, 郑永超, 伏程红. 水胶比和细度对矿渣粉煤灰胶凝材料性能的影响[J]. 金属矿山, 2009, (11): 37~39.

[9] 魏卫东, 王革陈. 碱激发矿渣-粉煤灰胶凝材料研究进展[J]. 粉煤灰综合利用, 2008, (3): 1~2.

[11] 孔德玉, 张俊芝, 倪彤元, 蒋靖, 方诚. 碱激发胶凝材料及混凝土研究进展[J]. 硅酸盐学报, 2009, (01): 60~63.

[11] 范飞林, 许金余, 李为民, 杨进勇, 翟毅. 矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土的基本性能研究[J]. 混凝土, 2008, (224): 58~61.

[12] 刘远祥, 朱群芳. 碱激发矿渣粉煤灰混凝土性能的研究及在排水管中的应用[J]. 混凝土与水泥制品, 2012, (9): 1~2.

[13] 陈翠红, 王元, 郭佩玲. 高性能碱矿渣混凝土的研究[J]. 辽宁建材, 1998, (3): 30~32.

[14] Davidovits J.Geopolymers and geopolymeric materials [J]. Journal of Thermal Analysis

and Calorimetry, 1989, 35(2): 429~ 441.

[15] 郑娟荣, 覃维祖. 地聚物材料的研究进展[J]. 新型建筑材料, 2002, (4): 11~12.

文 献 综 述

1 引言

传统材料水泥和混凝土在国民经济中发挥着重要作用，并且还将在基础设施建设中占据重要地位，由于传统水泥材料在生产过程中消耗大量的资源，排放CO2、SO3和NOx等产生温室效应和酸雨的气体[1,2]，所以我们急需一种新的材料来解决这些问题。

地质聚合物Joseph Davidovits教授首先发现并命名[3]，它是利用工业废弃的矿渣、粉煤灰、钢渣等为材料，具有无需煅烧，原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小、可回收利用等优点[3]。

2 国内外对地聚物的研究

地质聚合物材料自诞生以来，经历了一个从初级到高级的发展过程。最初生产的地聚合物制品必须在一定温度（50℃-180℃）下养护，甚至需要压蒸工艺，所用原材料比较单一。随着研究的进展，地聚合物在常温下也能实现快硬高强的优异性能，所用原材料也比较丰富，目前一些工业废渣在地聚合物中也被广泛应用。地聚合物的碱激发剂也由单一的碱金属、碱土金属的氢氧化物扩展到氧化物、卤化物、有机基组分等。地聚合物的增韧、增强途径以及制备工艺手段也日趋发展，材料的性能得到大幅度提高[4]。国外有关地聚合物胶凝材料方面的专利、论文数量每年大幅度增加，研究内容已经进入实用化阶段，而国内在这一领域的研究起步相对较晚，目前发表了一些基础性研究论文和综述。

3 关于地聚物的形成机理

表1地质聚合物研究历史