地质聚合物混凝土
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3 马鸿文等研究提出利用碱硅酸盐混合溶液(氢氧化钠和水玻璃)激发粉 煤灰和煅烧高岭石制备地质聚合物的反应机理
4 李化建等研究提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂研制煤矸石质硅铝 基胶凝材料的水化机理
反应机理
Reaction
反应机理1
低聚硅氧四 面体
地质聚合物混凝土
偏高岭土等 高碱性溶液
活性材料
裂解
高碱 聚合反应
02
反应机理
Reaction
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
目前针对不同体系具有代表性的地质聚合物反应机理模型有以下几个：
1 以法国科学家Joseph Davidovits为代表的研究者提出的利用氢 氧化钠/氢氧化钾激发偏高岭土制备地质聚合物的机理模型
2 曹德光等研究提出利用低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土制备地 质聚合物的反应机理
三维网状结构的 无机高聚物
低聚铝氧四 面体
根据反应产物中硅铝比(Si/Al)之间的比例关系，可将地质聚合物分为3 种类型： PS 型(-Si-O-Al-)、PSS型(-Si-O-Al-O-Si-)、PSDS 型（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-）。
基于此将地质聚合物的分子式表为：Mn{-(SiO2 )z-AlO2-}n ·mH2O 式中z为1、2 或3；M为碱金属离子(Na+、K +等)，n为聚合度，m为结合水量。
参考文献
地质聚合物混凝土
[9]朱国振.粉煤灰/偏高岭土地质聚合物材料的制备及其性能研究[D].景德镇陶瓷学院硕士论文， 材料物理与化学，2014:34. [10]黄凤会. 废弃物基地质聚合物材料的制备及性能研究[D].济南大学,2014. [11]龙伏梅. 粉煤灰地聚合物材料及性能研究[D].南昌大学,2006. [12]赵海军.严云.胡志华等.粉煤灰生产地聚水泥的研究现状及效益展望[J].水泥工程，2007,3:23. [13]沙建芳，孙伟，张云升.地聚合物一粉煤灰复合材料的制备及力学性能.粉煤灰科学研究[M]，
目录
Catalogue
基本概述
Basic overview
反应机理
Reaction
应用
Application
展望
Expectation
01
基本概述
Basic overview
地质聚合物混凝土的相关 概念、分类及特点
概述
Summary
地质聚合物混凝土
地质聚合 物混凝土
以地质聚合物为胶凝材料制备的一种具有优异性能 的新型混凝土类材料。此概念最早于1978年提出。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理4
李化建等研究提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂，研制煤矸石质硅铝基胶凝材 料的水化机理：焊接原理(铝硅酸盐之间的缩聚)和包裹原理(硅凝胶、C-S-H凝胶以 及铝硅酸盐之间的交织)的综合。煤矸石质硅铝基胶凝材料的硬化成岩分为3个阶段， 即成岩剂的水解、迁移，原位键合以及包裹胶结。
03
应用
Application
应用
Application
地质聚合物混凝土
地质聚合物混凝土具有良好的耐久性和力学性能，快凝早强，结构致密， 耐高温等优异性能是其工程应用的基础。
工程上
可用地质聚合物混凝 土来代替部分硅酸盐 水泥混凝土，将矿渣、 粉煤灰等废弃物资源 化，加以利用
工程安全与防护领域
应用于机场跑道、通讯设 施、道路桥梁、军事设施 的快速建造与修复，工业 与民用工程的抢修、抢险 和抢建，以及重要工程如 核电站、耐火结构等领域。
早期强度高，凝 结时间快。随着 温度升高,凝结时 间有缩短的趋势。 在一定工艺条件
下，强度可达 300MPa 以上。
地质聚合物混凝土
形成致密的结构， 强度高，抗渗性
耐腐蚀性、 耐久性好
能优良；孔洞溶 液中电解质浓度 较高
3
渗透率低 耐冻融循环
良好界面
结合能力
5
6
8 环境友好型 绿色建筑材料
2
固定有毒金 属离子能力强
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理2
段瑜芳等也对低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土胶凝材料进行了研究，并提出碱激发 偏高岭土胶凝材料的水化同样可以分为初始期、诱导期、加速期、减速期以及稳定 期。但是，各水化阶段的反应机理与传统的水泥基材料完全不同。
初始期主要是偏高岭土对溶液组分的表面吸附；诱导期主要表现为活性硅铝氧化物 的溶解；加速期表现为四面体基团的聚合；减速期水化速度降低的主要原因是扩散 阻力增大，同时偏高岭土反应面积减小，液相中的碱含量降低也是重要原因。
性措施，拓宽其应用领域。
展望
Expectation
地质聚合物混凝土
3 缺少相应的标准和规范，对产品的组成配比、技术指标、施工方法及应用范围等没有
详 细的说明规定。建议进一步对其组成配比、技术指标、施工方法等研究，提供并制 定规范和指导生产的准确 技术参数，建立一套有别于传统水泥应用领域的评价标准。
4
NaOH 和Na2SiO3 等碱性激发剂资源有限、价格较贵，其生产与应用给环境带来的负面 影响，也影响了这种材料的推广应用。激发剂方面需要考虑替代品或采用复合激发的方
式，降低成本,减少生产、应用对环境的污染。
参考文献
地质聚合物混凝土
[1]Davidovits J. The ancient egyptian pyramids-concrete or rock[J]. Concrint, 1987, 9(12):28
反应机理
Reaction
反应机理2
硅酸钠溶液低聚合状 态的硅氧四面体基团
偏高岭石中的活性铝 氧层
地质聚合物混凝土
化合反应 “键合反应”
网络状的三维空 间结构产物
低聚合度硅氧四面体基团起到一种“胶联”的键合作用， 将偏高岭土颗粒“粘联”在一起。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理2
张云升等应用环境扫描电镜原位定量追踪K-PS 型和K-PSDS 型地质聚合物水 泥在相对湿度80 %条件下水化产物生成-发展-演化的全过程。 结果表明：在水化早期,偏高岭土颗粒松散地堆积在一起，存在许多大空隙;随 着龄期的延长,生成的大量海绵状胶体积淀在颗粒表层，并向外扩充;到了后期， 颗粒被胶体厚厚包裹，空隙被填满，基体变得非常致密。
应用于汽车及航空工业、土木工程、交通工
点
程等领域。
分类
地质聚合物混凝土
根据地质聚合反应中所使用激发剂种类的不同
碱激发地质聚合物材料
酸激发地质聚合物材料
盐激发地质聚合物材料
激发剂
工业水玻璃、氢氧 化钠、氢氧化锂或 它们之间的混合物
磷酸等
硫酸盐、氟化物、 硅酸盐与铝酸盐等
优点
早强快硬, 力学性能好
1
1991 , 37:1633 [4]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,2009,(07):61-65. [5]范飞林. 地质聚合物混凝土的制备及工程应用前景[A]. 中国岩石力学与工程学会工程安全与 防护分会.第一届全国工程安全与防护学术会议论文集[C].中国岩石力学与工程学会工程安全与 防护分会:,2008:5. [6]韦旭朋,孙健婕,赵双权,张圆圆. 粉煤灰地质聚合物的制备及研究现状综述[J]. 四川水 泥,2017,(01):13. [7]李圣.有机树脂强化增韧偏高岭土—矿渣基地质聚合物的性能研究[D].西安建筑科技大学硕 士论文，材料学，2014：1-2. [8]巩思宇.养护温度和时间对碱基发偏高龄土基地质聚合物反应过程及性能的影响[D].广西大 学硕士论文，材料化工，2012：1-2.
[2]Davidovits J. Geopolymers and geopolymeric new materials[J]. J Thermal Analysis, 1989,
35(2):429
[3]Davidovits J .Geopolymers:Inorg anic polymer new materials [J] .J Thermal Analysis,
THANKS
欢迎批评指教
良好耐久性
7
耐高温隔 热效果好
4
对Hg、As、Fe、Mn、A r、Co、 Pb的固定率大于或等于90 %； “牢笼型”的网络骨架稳定。
地质聚合物在1000 ～1200℃之间不氧 化、不分解，在高 温条件下很稳定， 可以保持60 %以上 的原始强度
缺点
地质聚合物混凝土
由于地质聚合物的脆性较大，地质聚合物混凝土表现出脆性较大的缺点。
烧粘土 （偏高岭土）
工艺处理
Si、Al、O为主要 元素的硅铝质材料
较低温度
特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构 的新型无机聚合物材料
特点
地质聚合物混凝土
地
01
比高分子材料、陶瓷、水泥和金属更好的性能
质
聚
合 物 混
02
原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污 染小。是一种可持续发展的绿色环保材料
凝Leabharlann Baidu
土
特
03
04
展望
Expectation
展望
Expectation
地质聚合物混凝土
1 虽然强度高、耐酸碱腐蚀，但是其粘聚性较强，对于施工还存在一定的困难，
因此如何制备出高强度自流动性的地聚物混凝土成为今后研究的方向。
3
2
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。 针对实际工程应用的需要，建议进一步研究地质聚合物的复合、增强、增韧等改
2004 [14]范飞林,许金余,李为民,陈勇,李庆. 地质聚合物混凝土的制备及工程应用前景[A]. 中国岩石力 学与工程学会工程安全与防护分会.第一届全国工程安全与防护学术会议论文集[C].中国岩石力 学与工程学会工程安全与防护分会,2008:5.
[15]P.V.Krivenko and G.Yu.Kovalchuk. Heat-Resistant Fly Ash BasedGeocements.GEOPOLYMERS[J]，2002. [16]水中和，魏小胜，王栋民.现代混凝土科学技术[M].科学出版社.2014.
针对其缺点，国内外学者采用掺入高性能纤维等手段通过多种方式来增加韧性， 进行改性研究。但由于大多是借鉴水泥、陶瓷的改性手段，没有结合地质聚合 物的结构特点，且增韧机理不够明确，所以具有一定的局限性。
有学者提出，引入有机聚合物与地质聚合物中的活性物质反应来增强和增韧， 初步试验结果表明这种方法可行，值得进一步研究。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理3
粉煤灰中的铝硅酸盐玻璃相在强碱的作用下首先发生溶解，其中部分Si-O、Al-O 键发生断裂;断裂之后的Si、A l组分在碱金属离子N a+、OH -等作用下形成Si、 A l低聚体（-Si-O-Na、-Si-O-Ca-OH、A l (OH )4-、A l (OH )52 -、A l-(OH)63 -）， 而后随着溶液组成和各种离子浓度的变化，这些低聚体又形成凝胶状的类沸石前 驱体；最后前驱体脱水得到非晶相物质。
4 李化建等研究提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂研制煤矸石质硅铝 基胶凝材料的水化机理
反应机理
Reaction
反应机理1
低聚硅氧四 面体
地质聚合物混凝土
偏高岭土等 高碱性溶液
活性材料
裂解
高碱 聚合反应
02
反应机理
Reaction
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
目前针对不同体系具有代表性的地质聚合物反应机理模型有以下几个：
1 以法国科学家Joseph Davidovits为代表的研究者提出的利用氢 氧化钠/氢氧化钾激发偏高岭土制备地质聚合物的机理模型
2 曹德光等研究提出利用低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土制备地 质聚合物的反应机理
三维网状结构的 无机高聚物
低聚铝氧四 面体
根据反应产物中硅铝比(Si/Al)之间的比例关系，可将地质聚合物分为3 种类型： PS 型(-Si-O-Al-)、PSS型(-Si-O-Al-O-Si-)、PSDS 型（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-）。
基于此将地质聚合物的分子式表为：Mn{-(SiO2 )z-AlO2-}n ·mH2O 式中z为1、2 或3；M为碱金属离子(Na+、K +等)，n为聚合度，m为结合水量。
参考文献
地质聚合物混凝土
[9]朱国振.粉煤灰/偏高岭土地质聚合物材料的制备及其性能研究[D].景德镇陶瓷学院硕士论文， 材料物理与化学，2014:34. [10]黄凤会. 废弃物基地质聚合物材料的制备及性能研究[D].济南大学,2014. [11]龙伏梅. 粉煤灰地聚合物材料及性能研究[D].南昌大学,2006. [12]赵海军.严云.胡志华等.粉煤灰生产地聚水泥的研究现状及效益展望[J].水泥工程，2007,3:23. [13]沙建芳，孙伟，张云升.地聚合物一粉煤灰复合材料的制备及力学性能.粉煤灰科学研究[M]，
目录
Catalogue
基本概述
Basic overview
反应机理
Reaction
应用
Application
展望
Expectation
01
基本概述
Basic overview
地质聚合物混凝土的相关 概念、分类及特点
概述
Summary
地质聚合物混凝土
地质聚合 物混凝土
以地质聚合物为胶凝材料制备的一种具有优异性能 的新型混凝土类材料。此概念最早于1978年提出。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理4
李化建等研究提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂，研制煤矸石质硅铝基胶凝材 料的水化机理：焊接原理(铝硅酸盐之间的缩聚)和包裹原理(硅凝胶、C-S-H凝胶以 及铝硅酸盐之间的交织)的综合。煤矸石质硅铝基胶凝材料的硬化成岩分为3个阶段， 即成岩剂的水解、迁移，原位键合以及包裹胶结。
03
应用
Application
应用
Application
地质聚合物混凝土
地质聚合物混凝土具有良好的耐久性和力学性能，快凝早强，结构致密， 耐高温等优异性能是其工程应用的基础。
工程上
可用地质聚合物混凝 土来代替部分硅酸盐 水泥混凝土，将矿渣、 粉煤灰等废弃物资源 化，加以利用
工程安全与防护领域
应用于机场跑道、通讯设 施、道路桥梁、军事设施 的快速建造与修复，工业 与民用工程的抢修、抢险 和抢建，以及重要工程如 核电站、耐火结构等领域。
早期强度高，凝 结时间快。随着 温度升高,凝结时 间有缩短的趋势。 在一定工艺条件
下，强度可达 300MPa 以上。
地质聚合物混凝土
形成致密的结构， 强度高，抗渗性
耐腐蚀性、 耐久性好
能优良；孔洞溶 液中电解质浓度 较高
3
渗透率低 耐冻融循环
良好界面
结合能力
5
6
8 环境友好型 绿色建筑材料
2
固定有毒金 属离子能力强
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理2
段瑜芳等也对低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土胶凝材料进行了研究，并提出碱激发 偏高岭土胶凝材料的水化同样可以分为初始期、诱导期、加速期、减速期以及稳定 期。但是，各水化阶段的反应机理与传统的水泥基材料完全不同。
初始期主要是偏高岭土对溶液组分的表面吸附；诱导期主要表现为活性硅铝氧化物 的溶解；加速期表现为四面体基团的聚合；减速期水化速度降低的主要原因是扩散 阻力增大，同时偏高岭土反应面积减小，液相中的碱含量降低也是重要原因。
性措施，拓宽其应用领域。
展望
Expectation
地质聚合物混凝土
3 缺少相应的标准和规范，对产品的组成配比、技术指标、施工方法及应用范围等没有
详 细的说明规定。建议进一步对其组成配比、技术指标、施工方法等研究，提供并制 定规范和指导生产的准确 技术参数，建立一套有别于传统水泥应用领域的评价标准。
4
NaOH 和Na2SiO3 等碱性激发剂资源有限、价格较贵，其生产与应用给环境带来的负面 影响，也影响了这种材料的推广应用。激发剂方面需要考虑替代品或采用复合激发的方
式，降低成本,减少生产、应用对环境的污染。
参考文献
地质聚合物混凝土
[1]Davidovits J. The ancient egyptian pyramids-concrete or rock[J]. Concrint, 1987, 9(12):28
反应机理
Reaction
反应机理2
硅酸钠溶液低聚合状 态的硅氧四面体基团
偏高岭石中的活性铝 氧层
地质聚合物混凝土
化合反应 “键合反应”
网络状的三维空 间结构产物
低聚合度硅氧四面体基团起到一种“胶联”的键合作用， 将偏高岭土颗粒“粘联”在一起。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理2
张云升等应用环境扫描电镜原位定量追踪K-PS 型和K-PSDS 型地质聚合物水 泥在相对湿度80 %条件下水化产物生成-发展-演化的全过程。 结果表明：在水化早期,偏高岭土颗粒松散地堆积在一起，存在许多大空隙;随 着龄期的延长,生成的大量海绵状胶体积淀在颗粒表层，并向外扩充;到了后期， 颗粒被胶体厚厚包裹，空隙被填满，基体变得非常致密。
应用于汽车及航空工业、土木工程、交通工
点
程等领域。
分类
地质聚合物混凝土
根据地质聚合反应中所使用激发剂种类的不同
碱激发地质聚合物材料
酸激发地质聚合物材料
盐激发地质聚合物材料
激发剂
工业水玻璃、氢氧 化钠、氢氧化锂或 它们之间的混合物
磷酸等
硫酸盐、氟化物、 硅酸盐与铝酸盐等
优点
早强快硬, 力学性能好
1
1991 , 37:1633 [4]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,2009,(07):61-65. [5]范飞林. 地质聚合物混凝土的制备及工程应用前景[A]. 中国岩石力学与工程学会工程安全与 防护分会.第一届全国工程安全与防护学术会议论文集[C].中国岩石力学与工程学会工程安全与 防护分会:,2008:5. [6]韦旭朋,孙健婕,赵双权,张圆圆. 粉煤灰地质聚合物的制备及研究现状综述[J]. 四川水 泥,2017,(01):13. [7]李圣.有机树脂强化增韧偏高岭土—矿渣基地质聚合物的性能研究[D].西安建筑科技大学硕 士论文，材料学，2014：1-2. [8]巩思宇.养护温度和时间对碱基发偏高龄土基地质聚合物反应过程及性能的影响[D].广西大 学硕士论文，材料化工，2012：1-2.
[2]Davidovits J. Geopolymers and geopolymeric new materials[J]. J Thermal Analysis, 1989,
35(2):429
[3]Davidovits J .Geopolymers:Inorg anic polymer new materials [J] .J Thermal Analysis,
THANKS
欢迎批评指教
良好耐久性
7
耐高温隔 热效果好
4
对Hg、As、Fe、Mn、A r、Co、 Pb的固定率大于或等于90 %； “牢笼型”的网络骨架稳定。
地质聚合物在1000 ～1200℃之间不氧 化、不分解，在高 温条件下很稳定， 可以保持60 %以上 的原始强度
缺点
地质聚合物混凝土
由于地质聚合物的脆性较大，地质聚合物混凝土表现出脆性较大的缺点。
烧粘土 （偏高岭土）
工艺处理
Si、Al、O为主要 元素的硅铝质材料
较低温度
特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构 的新型无机聚合物材料
特点
地质聚合物混凝土
地
01
比高分子材料、陶瓷、水泥和金属更好的性能
质
聚
合 物 混
02
原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污 染小。是一种可持续发展的绿色环保材料
凝Leabharlann Baidu
土
特
03
04
展望
Expectation
展望
Expectation
地质聚合物混凝土
1 虽然强度高、耐酸碱腐蚀，但是其粘聚性较强，对于施工还存在一定的困难，
因此如何制备出高强度自流动性的地聚物混凝土成为今后研究的方向。
3
2
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。 针对实际工程应用的需要，建议进一步研究地质聚合物的复合、增强、增韧等改
2004 [14]范飞林,许金余,李为民,陈勇,李庆. 地质聚合物混凝土的制备及工程应用前景[A]. 中国岩石力 学与工程学会工程安全与防护分会.第一届全国工程安全与防护学术会议论文集[C].中国岩石力 学与工程学会工程安全与防护分会,2008:5.
[15]P.V.Krivenko and G.Yu.Kovalchuk. Heat-Resistant Fly Ash BasedGeocements.GEOPOLYMERS[J]，2002. [16]水中和，魏小胜，王栋民.现代混凝土科学技术[M].科学出版社.2014.
针对其缺点，国内外学者采用掺入高性能纤维等手段通过多种方式来增加韧性， 进行改性研究。但由于大多是借鉴水泥、陶瓷的改性手段，没有结合地质聚合 物的结构特点，且增韧机理不够明确，所以具有一定的局限性。
有学者提出，引入有机聚合物与地质聚合物中的活性物质反应来增强和增韧， 初步试验结果表明这种方法可行，值得进一步研究。
反应机理
Reaction
地质聚合物混凝土
反应机理3
粉煤灰中的铝硅酸盐玻璃相在强碱的作用下首先发生溶解，其中部分Si-O、Al-O 键发生断裂;断裂之后的Si、A l组分在碱金属离子N a+、OH -等作用下形成Si、 A l低聚体（-Si-O-Na、-Si-O-Ca-OH、A l (OH )4-、A l (OH )52 -、A l-(OH)63 -）， 而后随着溶液组成和各种离子浓度的变化，这些低聚体又形成凝胶状的类沸石前 驱体；最后前驱体脱水得到非晶相物质。