土聚水泥的应用前景

土聚水泥的应用前景
引言
土聚水泥是近年发展起来的新型无机凝胶材料。

它以含高岭石的粘土为原料，经低温煅烧，转变为无定形结构的变高岭石，而具有较高的火山灰活性。

经碱性激活剂和促进剂的作用，硅铝氧化物经历了一个由解聚到再聚合的过程，形成类似地壳中一些天然矿物的硅酸盐网络状结构。

一般条件下，土聚水泥聚合反应后生成无定形的规律酸盐化合物；在较高温条件下，可生成类沸石型的微晶体结构，如方钠石、方沸石等，形成独特的笼形结构。

土聚水泥的主要力学性能指标优于玻璃和水泥，可与陶瓷、钢等金属材料相媲美，且具有较强的耐磨性能与良好的耐久性。

其耐火性能优于传统水泥，隔热效果好。

且与集料界面结合紧密，不会出现硅酸盐水泥与集料之间的高含Ca（OH）2等粗大结晶的过渡区，体积稳定性好，化学收缩小，水化热低，生成能耗低。

特别是土聚水泥能有效固定几乎所有有毒离子，有利于处理和领用各种工业废弃物
详细介绍
土壤聚合物水泥简称土聚水泥,也称作地聚合物水泥或无机矿物聚合材料, 最早是由法国的D avi dovits教授在研究古建筑材料的基础上于1978发明的,它是一种性能优越的碱激活水泥。

土壤聚合作用的化学原理是基于地质成因,故可以把地聚合物看成为合成岩石。

土聚水泥主要是由无定形矿物组成: 偏高岭石、碱性激发剂、混合材和外加剂( 主要调节凝结时间) 。

将高岭石经500 ～900 ℃煅烧后,变成高活性、不稳定的偏高岭石结构,反应式如下:
Zn [ Si2 O5, A l2(OH )4 ] →2 ( Si2 O5, A l2 O2)n+ 4 n H2 O
该反应使A l 的配位数从6转化为4或5 ,高岭石转化为无定型结构的偏高岭石, 其处于介稳状态,具有较高的火山灰活性。

偏高岭石等无定型硅铝化合物在碱的作用下,硅2 氧、铝2 氧链断裂, 土聚水泥聚合过程中,硅铝氧化物经历了由解聚到再聚合的过程,最终形成类似地壳中一些天然矿物的铝硅酸盐网络状结构的土聚水泥,其具有有机高聚物的链接结构,但其基本结构为无机的硅氧四面体和铝氧四面体。

与高分子聚合物相比,土聚反应开始前, 不存在绝对意义上的单体。

最终产物是以离子键和共价键为主,范德华键为辅,由共用氧交替键合的[ Si O4 ]4 -和[ A l O4 ]5 -四面体组成的聚合铝2 氧2 硅酸盐网络结构。

正是氧桥连接的四面体构成三维骨架的孔穴笼或空腔,而使土聚水泥成为一种稳固的结构。

其中的阳离子如碱金属、碱土金属离子和其它金属阳离子在构架的空腔内来平衡其中的负电荷。

土聚反应的最终产物是一种复杂的多晶、多相聚集体,分子式可为: MnSi O2 A l2
O3WH2 O ,其中M 是金属离子,n 是聚合度。

随着研究的深入和原料的更新,土壤聚合物这一概念发展到现在则包括了采用天然矿物或固体废弃物,或掺加各种高火山灰活性材料或潜在水硬性材料及其他活性材料制得的硅氧四面体和铝氧四面体聚合而成的具有晶态和准晶特征的铝硅酸盐三维网络凝胶体。

其结构如图1 。

前人推测土聚反应产物网络的基
本结构单元有三种,分别为硅铝氧链( PS) 型( 2 Si 2 O 2 A l 2 O 2 ) 、硅铝硅氧链( PSS )
型( 2 Si 2 O 2 A l2 O 2 Si 2 O 2 ) 、和硅铝二硅氧链( PS DS) 型( 2 Si 2 O 2 A l 2 O 2 Si 2 O 2 Si 2 O 2 )等
土聚水泥水化产物的独特结构决定其具有如下性能: ①较高的早期强度,室温条件下养护4 h其抗压强度可达15 ～20 M Pa,并达到最终强度的70 % ,其后期强度也不会下降。

国外已有包装的粉状土聚水泥产品,这种产品只需加水便可生成稳定的、速凝早强的土聚水泥制品, 已应用于抢修混凝土机场跑道、停机坪、高速路以及桥梁、码头和需要较高
早期强度的建筑上。

②良好的施工性能,土聚水泥混凝土制备工艺简单,并能在室温下快速硬化③节能环保,土聚水泥不依赖于石灰石作原料,比传统波特兰水泥生产中排放二氧化碳少90 %。

④耐久性好,土聚水泥制得的混凝土硬化后结构致密, 抗渗性、抗冻性好; 在酸性条件下质量损失小,表现出良好的抗腐蚀性能。

发展前景
传统水泥工业依靠“两磨一烧”的工艺,能源消耗大,废气污染严重。

是受国家宏观政策严格限制的“三高”产业。

已建成或在建工程主要为普通硅酸盐水泥混凝土结构,普遍寿命只有50～100年。

而具有较高强度和良好的耐久性能的土聚水泥生产原料来源广泛,凡富含高岭石或者富含铝硅酸盐矿物的废渣,如低品位的高岭石矿、普通粘土,煤矸石、矿渣、粉煤灰都可用于生产土聚水泥。

废渣的利用既为广大企业解决了废物堆放占用场地和污染问题,又有效地突破了传统水泥石灰石原料紧缺的瓶颈问题。

土聚水
泥的良好性能预示着巨大的发展潜力。

对土聚水泥性能及其工程应用进行广泛深入地研究并逐步探索实现产业化、规模化,有利于我国水泥工业节能降耗、利废环保,促进社会经济的可持续发展。

性能
耐久性能
有人认为土聚水泥在高温下具有优异的热稳定性, 但R ah i e r用 D S C 对SiO2: Na2O =1 .4 的土聚水泥分析发现,在950～1100 ℃之间,有霞石的结晶放热出现, Subaer的热膨胀分析表明, 土聚水泥在250 ℃以下有2 %的收缩, 800 ℃时尺寸基本达到稳定,内部的骨料( 包含α2 石英和花岗岩) 使收缩减少了1 % ,尽管石英的存在阻止了相变发生,但其限制了各组分工作温度的变化。

G o r e tt a等用390 u m、带棱角的 A l2 O3 颗粒,分别以30 °、60 °、90 °的冲击角度, 50 m / s 、70 m / s 、100 m / s的恒定速度冲击土聚水泥试样来研究土聚水泥的抗腐蚀性能,土聚水泥试样分别含有矿渣、砂、粉煤灰、粘土、岩石颗粒; 冲击试验得到各自冲击颗粒的额定单位质量损失,所有的土聚水泥表现出脆性材料性能, 但30 °时冲击腐蚀量突然增大; 对于相似成分的土聚水泥,腐蚀速率与它们的密度和强度有关。

另外,他们还发现,含有粉煤灰的土聚水泥中比不含粉煤灰的试样抗腐蚀性更强。

对于耐酸性能的研究方面, Bakharev将制作的土聚水泥分别放入浓度为 5 %的醋酸和硫酸溶液中,发现其抗酸性能优于普通硅酸盐水泥制品,认为与环 2 链状铝硅酸盐聚合物的结构更加牢固有关。

用作粘结加固材料
清华大学王旻等用土聚物材料粘贴纤维片材在面内剪切试验、梁受弯加固试验和柱的加固, 其表现出与树脂粘贴材料类似的性能,且没有普通树脂粘结材料耐火性差的缺点。

Latella用4 点分层弯曲检测方法用来研究土聚水泥作为层间粘接剂来粘结钢材2 玻璃,效果良好,其能承受从0 . 4 ～1J /m2的破坏能量变化,可与环氧胶相媲美。

他还发现,土聚水泥并未和玻璃或钢材发生化学反应,仅是物理粘接作用。

生物材料Oudadesse等认为土聚水泥具有无定形的Si网络,可能与骨骼母材相连接,对K2 土聚水泥材料用于骨骼修复做了尝试。

用Si : A l = 31 , K 2 O: Si O2= 0 . 54 的土聚水泥,在500 ℃下加热将其碱度由P H = 11 . 5 降为7 . 1 ,得到性能较好的、多孔的、具有良好生物相容性的骨骼修复材料。

改性应用
Zhang等利用挤压成型技术将P VA 短纤维植入粉煤灰土聚水泥板材,从而改变原有土聚水泥板材的冲击破坏系数,土聚水泥受力破坏模型由脆性破坏变为韧性破坏,加入的纤维使改善了土聚水泥的冲击韧性。

结语
随着研究人员的不断努力,以及研究方法的不断改进和研究水平的不断提高,相信土聚水泥的机理和工程方面的诸多问题将逐步得到解决,土聚水泥能像波特兰水泥一样,被成熟应用于工程实践中。

土建类2012-6
王绪珉
1204100625。