地质聚合物 ppt课件
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比高分子材料高得多的强度、硬度、热稳定性 和抗氧化能力。
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• 理化性能
• (1) 热学性能优良：强度高、耐高温、隔热效果好, 这是矿物聚合物材料的主要特色。
• (2) 耐久性好：地聚合物界面结合强度高, 不易老 化。这一方面源于其稳定的网络结构, 另一方面是 可以避免普通水泥因金属离子迁移与骨料反应而 引起的碱集料反应出现类似富含Ca(OH) 2等粗大 结晶的过渡区而造成界面结合力较弱的现象, 没有 膨胀(普通硅酸盐水泥混凝土在20d后因碱集料反 应而膨胀15mm/m, 是极大的安全隐患) , 因而经受 自然破坏的能力很强, 耐久性好。
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地质聚合物的制备
• 原料
传统的地质聚合物是由高岭土和经过约 700℃煅烧过的高岭土加入NaOH或KOH溶液制 备而成的。后来研究发现加入少量水玻璃能够 大幅度提高聚合物硬化体的强度。地质聚合物 的制备不仅可用煅烧高岭土作为主要原料，大 部分具有水硬活性的工业废渣都可作为制备地 质聚合物的主要原料，如高炉水渣、钢渣、粉 煤灰、废砖粉、自燃煤矸石、废玻璃、城市垃 圾焚烧后的炉渣以及所有以煤为燃料的各种炉 渣等。
式中:M为碱金属, m可以为1、2、3, n为聚合度, q为结合 水量。
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资料显示反应如式⑵和⑶:
由于在式⑶中的反应不断发生, 并生成稳定的三维聚合铝 酸盐结构水化产物, 消耗了式⑵中反应生成物, 使得式⑵的反 应得以不断进行下去, 从而使反应物中的Si-O键和A1-O键不断 被破坏, 原结构解体。反应形成的铝酸盐结构水化产物不断交 织、聚合, 产生高强度无序的胶凝材料结构, 机械强度不断提 高。在网络结构中[SiO4]和[AlO4]四面体由4个角的共有氧原子 相连, 激发剂溶液中的碱离子填充在结构中平衡由Al3+取代Si4+ 后多余的负电荷。这些原材料以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 为主要成分, 在碱性条件下, 其活性组分要经历瓦解并再度链 接而形成以硅、铝为主要结构单元的化学键合陶瓷体结构,物 质之间以离子键和共价键连接为主, 氢键和范德华力为辅, 不 存在传统水泥水化生成的钙矾石和氢氧化钙粗大晶体, 因而具 有高强和耐久的结构特征。
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• 原理
目前，比较普遍被接受的地质聚合物形成 的原理是： 具有一定活性的含铝硅酸盐物质(一 般以非晶态为好)，在NaOH 或KOH 的作用下 水溶液中游离出AI(OH)4-和OSi(OH)3-，然后逐 渐聚合形成(-Si-O-Al-O-Si-O-)结构的聚合体， 使成型体的强度不断增加。其硬化和产生强度 的过程与传统的硅酸盐水泥有明显区别。
地质聚合物被认为是由地球化学作用(Geochemistry) 或人工模仿地质合成作用(Geosynthesis)而制造出的、以 无机聚合物为基体的、坚硬的人造岩石。这种人造岩石 具有天然岩石样的硬度、耐久性和热稳定性。
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地质聚合物的结构
地聚合反应得到的地聚合物材料是由聚合的Si-O-Al网络结 构构成，其中硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子交替 键合。硅元素存在稳定的+4价态， 因此硅氧四面体呈电中性； 铝氧四面体中的铝元素是+3价态，却与四个氧原子结合成键， 因此铝氧四面体显电负性，需要阳离子(如K+， Na+)的出现来 平衡体系中的负电荷，总的结果使体系显电中性。这些Si-O 键和Al-O键分别以[SiO4]四面体和[AlO4]四面体或[AlO6]配位多 面体的形式存在，在碱溶液的作用下，结构中Si-O-Si 和Al-OAl 共价键衰竭并断键，形成离子进入溶液。据文献报道， [SiO4] 4-和[AlO4]5-结合形成三维网络结构，称为三维聚合铝酸 盐结构，其聚合模式具有以下一般通式⑴：
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• 地聚合反应
一般认为, 地聚合材料的聚合反应过程为各 种铝硅酸盐(Al3+呈IV或V次配位) 与强碱性硅酸 盐溶液之间的化学反应, 有关机理方面研究的现 状概述如下:
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地质聚合物的性能
• 力学性能 地聚合物材料的主要力学性能指标与陶瓷、水泥相比, 地聚合物在成型和反应过程中必须 有水作为传质介质及反应媒介。凝固后部分自由水作 为结构水存在于反应物中, 但地聚合物不存在硅酸钙 的水化反应, 其终产物以离子键及共价键为主, 分子间 作用力为辅。而传统水泥是以分子间作用力及氢键为 主, 且在水泥体系中存在大量的水化晶体和无定型物 质, 使得水泥基材料难以经受400℃以上的高温, 而地 质聚合物材料由于具有氧化物三维网络结构, 在高温 下亦能保持网络结构的完整性,因而具有比水泥更高的 强度、硬度、韧性、高温稳定性和抗冻性。
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与有机聚合物相比, 地聚合物分子是由硅、 铝和氧等元素通过共价键连接而成, 氧的原子分 数是硅和铝总和的2倍; Si-O键能为535kJ/mol, 并且Si-O键和Al-O键具有方向性,不易转动。有 机聚合物中C-C键能为360 kJ/mol、C-O键能为 334.7 kJ/mol、C-N键能为284.5 kJ/mol, 都比 Si-O键能低,且高分子链大都是柔性链, 可在三 维空间自由转动和折叠, 因此地聚合物材料具有
聚合物等材料相比显示了一定的优越性(见表1)。
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与陶瓷相比, 地聚合物的组织是复杂的多晶和 多相聚集体, 包括晶态、玻璃态、胶凝态及气孔等, 而陶瓷是较为纯净的晶相, 晶界是陶瓷最薄弱的环 节(多包含无定形物质),晶界的性质决定了陶瓷的整 体性能; 而矿物聚合物的结构是以环状链构成的连 续三维网络构架, 不存在完全意义上的晶体和晶界, 各项性能取决于-[Si-O-Al-O]-骨架, 因此地聚合物材 料的性能与陶瓷相近或更高。
地质聚合物
——21世纪的绿色胶凝材料
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地质聚合物的概念
地质聚合物(Geopolymer)的概念在上个世纪70年代 末首先由J．Davidovits提出。该材料是近年来新发展起 来的、有可能在许多场合代替水泥， 并有着比水泥更优 异性能的新型材料。其英文同义词还有Mineral Polymer， Geopolymeric Materials，Aluminosilicate Polymer， Inorganic Polymeric Materials等。中国地质大学的马鸿 文教授建将其译为“矿物聚合材料”。
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• 理化性能
• (1) 热学性能优良：强度高、耐高温、隔热效果好, 这是矿物聚合物材料的主要特色。
• (2) 耐久性好：地聚合物界面结合强度高, 不易老 化。这一方面源于其稳定的网络结构, 另一方面是 可以避免普通水泥因金属离子迁移与骨料反应而 引起的碱集料反应出现类似富含Ca(OH) 2等粗大 结晶的过渡区而造成界面结合力较弱的现象, 没有 膨胀(普通硅酸盐水泥混凝土在20d后因碱集料反 应而膨胀15mm/m, 是极大的安全隐患) , 因而经受 自然破坏的能力很强, 耐久性好。
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地质聚合物的制备
• 原料
传统的地质聚合物是由高岭土和经过约 700℃煅烧过的高岭土加入NaOH或KOH溶液制 备而成的。后来研究发现加入少量水玻璃能够 大幅度提高聚合物硬化体的强度。地质聚合物 的制备不仅可用煅烧高岭土作为主要原料，大 部分具有水硬活性的工业废渣都可作为制备地 质聚合物的主要原料，如高炉水渣、钢渣、粉 煤灰、废砖粉、自燃煤矸石、废玻璃、城市垃 圾焚烧后的炉渣以及所有以煤为燃料的各种炉 渣等。
式中:M为碱金属, m可以为1、2、3, n为聚合度, q为结合 水量。
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资料显示反应如式⑵和⑶:
由于在式⑶中的反应不断发生, 并生成稳定的三维聚合铝 酸盐结构水化产物, 消耗了式⑵中反应生成物, 使得式⑵的反 应得以不断进行下去, 从而使反应物中的Si-O键和A1-O键不断 被破坏, 原结构解体。反应形成的铝酸盐结构水化产物不断交 织、聚合, 产生高强度无序的胶凝材料结构, 机械强度不断提 高。在网络结构中[SiO4]和[AlO4]四面体由4个角的共有氧原子 相连, 激发剂溶液中的碱离子填充在结构中平衡由Al3+取代Si4+ 后多余的负电荷。这些原材料以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 为主要成分, 在碱性条件下, 其活性组分要经历瓦解并再度链 接而形成以硅、铝为主要结构单元的化学键合陶瓷体结构,物 质之间以离子键和共价键连接为主, 氢键和范德华力为辅, 不 存在传统水泥水化生成的钙矾石和氢氧化钙粗大晶体, 因而具 有高强和耐久的结构特征。
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• 原理
目前，比较普遍被接受的地质聚合物形成 的原理是： 具有一定活性的含铝硅酸盐物质(一 般以非晶态为好)，在NaOH 或KOH 的作用下 水溶液中游离出AI(OH)4-和OSi(OH)3-，然后逐 渐聚合形成(-Si-O-Al-O-Si-O-)结构的聚合体， 使成型体的强度不断增加。其硬化和产生强度 的过程与传统的硅酸盐水泥有明显区别。
地质聚合物被认为是由地球化学作用(Geochemistry) 或人工模仿地质合成作用(Geosynthesis)而制造出的、以 无机聚合物为基体的、坚硬的人造岩石。这种人造岩石 具有天然岩石样的硬度、耐久性和热稳定性。
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地质聚合物的结构
地聚合反应得到的地聚合物材料是由聚合的Si-O-Al网络结 构构成，其中硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子交替 键合。硅元素存在稳定的+4价态， 因此硅氧四面体呈电中性； 铝氧四面体中的铝元素是+3价态，却与四个氧原子结合成键， 因此铝氧四面体显电负性，需要阳离子(如K+， Na+)的出现来 平衡体系中的负电荷，总的结果使体系显电中性。这些Si-O 键和Al-O键分别以[SiO4]四面体和[AlO4]四面体或[AlO6]配位多 面体的形式存在，在碱溶液的作用下，结构中Si-O-Si 和Al-OAl 共价键衰竭并断键，形成离子进入溶液。据文献报道， [SiO4] 4-和[AlO4]5-结合形成三维网络结构，称为三维聚合铝酸 盐结构，其聚合模式具有以下一般通式⑴：
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• 地聚合反应
一般认为, 地聚合材料的聚合反应过程为各 种铝硅酸盐(Al3+呈IV或V次配位) 与强碱性硅酸 盐溶液之间的化学反应, 有关机理方面研究的现 状概述如下:
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地质聚合物的性能
• 力学性能 地聚合物材料的主要力学性能指标与陶瓷、水泥相比, 地聚合物在成型和反应过程中必须 有水作为传质介质及反应媒介。凝固后部分自由水作 为结构水存在于反应物中, 但地聚合物不存在硅酸钙 的水化反应, 其终产物以离子键及共价键为主, 分子间 作用力为辅。而传统水泥是以分子间作用力及氢键为 主, 且在水泥体系中存在大量的水化晶体和无定型物 质, 使得水泥基材料难以经受400℃以上的高温, 而地 质聚合物材料由于具有氧化物三维网络结构, 在高温 下亦能保持网络结构的完整性,因而具有比水泥更高的 强度、硬度、韧性、高温稳定性和抗冻性。
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与有机聚合物相比, 地聚合物分子是由硅、 铝和氧等元素通过共价键连接而成, 氧的原子分 数是硅和铝总和的2倍; Si-O键能为535kJ/mol, 并且Si-O键和Al-O键具有方向性,不易转动。有 机聚合物中C-C键能为360 kJ/mol、C-O键能为 334.7 kJ/mol、C-N键能为284.5 kJ/mol, 都比 Si-O键能低,且高分子链大都是柔性链, 可在三 维空间自由转动和折叠, 因此地聚合物材料具有
聚合物等材料相比显示了一定的优越性(见表1)。
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与陶瓷相比, 地聚合物的组织是复杂的多晶和 多相聚集体, 包括晶态、玻璃态、胶凝态及气孔等, 而陶瓷是较为纯净的晶相, 晶界是陶瓷最薄弱的环 节(多包含无定形物质),晶界的性质决定了陶瓷的整 体性能; 而矿物聚合物的结构是以环状链构成的连 续三维网络构架, 不存在完全意义上的晶体和晶界, 各项性能取决于-[Si-O-Al-O]-骨架, 因此地聚合物材 料的性能与陶瓷相近或更高。
地质聚合物
——21世纪的绿色胶凝材料
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地质聚合物的概念
地质聚合物(Geopolymer)的概念在上个世纪70年代 末首先由J．Davidovits提出。该材料是近年来新发展起 来的、有可能在许多场合代替水泥， 并有着比水泥更优 异性能的新型材料。其英文同义词还有Mineral Polymer， Geopolymeric Materials，Aluminosilicate Polymer， Inorganic Polymeric Materials等。中国地质大学的马鸿 文教授建将其译为“矿物聚合材料”。