地质聚合物

题目：Application & Development of Geopolymer Technology
主讲人：David T.W. Cheng教授
时间：2014年6月25日
地点：国际处多功能厅
本讲内容是由台北科技大学的David T.W. Cheng教授讲述了他和他的团队利用高炉渣制做地聚合物，该种地聚合物有良好的性质，并且得到了广泛的应用。

David T.W. Cheng教授和他的团队，使用高炉渣进行制备地聚合物，在制备
过程中对高炉渣并不做要求，即高炉冶炼过程中产生的高炉渣都可以用来制备地聚合物。

通过调节制备过程中硅酸钠的配比来改变地聚合物的性能。

地质聚合物是一类新型的胶凝材料，其发展起源于前苏联科学家在世纪五六十年代对碱激活矿渣的富有成效的研究。

而在世纪七八十年代，法国科学家对这类材料进行了深人系统的研究，发现在碱激活的条件下以锻烧粘土为主要原料合成的新材料具有优异的性能。

他在热忱地向工业界推介这类材料的过程中，发现人们多以为这类材料是一种改性的水泥，而忽略了这类材料与水泥的根本性区别。

有鉴如此，他发明了“Geopolymer”这一名词以强调其与水泥的不同。

其中词头“geo-”表示这类材料的主要成分与粘土类似，即以铝-硅-酸盐为主，而“-polymer”则表示这类材料在性质上具有如某些有机聚合物一样的胶粘性质，同时在结构上有与热固性有机聚合物相类似的网络结构。

目前我国研究者将“Geopolymer”翻译成“土壤聚合物”、“地聚合物”或“地质聚合物”。

显然地质聚合物一词更易于理解，也更贴切于原意。

地聚合物是建筑材料中一种新型碱激发无机聚合胶凝材料，主要以无机SiO4、AlO4四面体组成的空间三维网状键接结构的新型胶凝材料。

地聚合物原材料的制备过程中CO2和工业三废的排量以及能耗方面都比普通硅酸盐水泥更具有环境协调性。

故地聚合物是一种“绿色环保材料”，当前可持续发展形势下此种绿色环保材料有极大的发展空间。

地聚合物缩聚分子的结构通式为M n[-(Si-O2-)z-Al-O-]n·wH2O，式中“M”表示Na和/或K，“n”表示缩聚度，“z”表示的硅铝比(一般z=1、2、3)，“w”表示化学结合水的数目（w约为7）。

在地聚合化过程完成之后，地聚合物体系中存在[SiO4]4-和[AlO4]5-四面体两种基团，然而任意两个[AlO4]5-基团是不能通过一个桥氧连接在一起，在内部必须以单个形式和四个[SiO4]4-通过搭接桥氧相结合，而在表面则是与一到三个[SiO4]4-结合，即SiQ4(4Al)、SiQ4(2Al)和SiQ4(4Si)，地聚合物内部组成物质具有类沸石结构。

地聚合物特殊的结构特征使其具有类似与水泥混凝土、陶瓷和有机高分子聚合物的某些特征，具体优点如下所示：
1、力学性能良好，例如王玉江教授等使用含Na2O（8%）的碱性激发剂，激发
偏高岭土，制的了28天强度达106MPa的地质聚合物。

2、早强快硬性，地聚合物具有早起强度高，凝结时间快的特点，在环境温度为25℃时，碱激发偏高岭土地聚合物4h的抗压强度可达到87.5MPa，7d强度可以到达到137.6MPa，而且凝结时间随着温度的升高逐渐缩短。

3、耐腐性良好，在王恩等人的研究中提到，地聚合物在5%的硫酸溶液中，分解率只有硅酸盐水泥混凝土的1/13，在5%的盐酸溶液中其分解率只有硅酸盐水泥混凝土的1/12。

4、抗渗能力强，耐冻融循环，在本次毕业设计课题中，通过肖鑫和周宁的实验可知：偏高岭土地聚合物在抗冻融循环能力和抗渗性方面均表现出良好性能。

5、耐高温、隔热效果优良，由于其致密的氧化物网络体系，具有隔绝空气保护内部物质不被氧化的能力。

800℃下地聚合物的线性收缩率为0.2%~2%，强度为原始强度的60%以上；导热系数为0.24~0.38W/(m·K)，而我们现在所使用的耐火砖的导热系数为0.3~0.4W/(m·K)，如若使用地聚合物制作耐火砖，其完全可以和现在使用的耐火砖相媲美。

6、固定有毒金属离子能力强，地聚合物对Hg、As、Fe、Mn、Ar、Co、Pb的固定率大于或等于90%。

另外即使是在核辐射作用下牢笼型的网络骨架仍比较稳定。

7、可再次回收利用，在强碱性条件下，正铝硅酸的缩聚脱水反应是可逆的，而地聚合化过程的终产物是原材料脱水缩聚而成，从理论上讲地聚合物废料磨细后还是可以直接作为原料被再次使用。

8、环保，地聚合物的主要材料为粉煤灰、煤系高岭土、矿物废渣（矿渣、钢渣）和煤矸石等，这些材料均为固体废弃物，同时地聚合物使用的原料不需要经过高温煅烧或烧结，可以减少CO2的排放量，减小环境污染和资源浪费。

地质聚合物材料的开发及应用一直是研究者关注的重点。

利用地质聚合物材料的胶粘性和防火性，可以制备各种性能优异的防火材料。

如Davidovits等和乌克兰科学家乃分别将地质聚合物与碎木块复合制造出防火板，将多孔地质聚合物用作隔热板及墙体等。

芬兰研究者开发出用于大型客轮的装饰性地质聚合物防火材料。

利用地质聚合物材料的耐酸性及抗环境侵蚀性，可以制造地下管道、化工厂的地板、矿山用防酸建筑材料和钢结构的防腐涂层等，西班牙科学家已开发出地质聚合物铁路枕木，使用寿命比现有水泥枕木明显增加。

利用地质聚合物材料的耐酸、耐热性，可以包裹、固化有毒的和放射性废料，防止污染扩散。

如欧共体多国合作已研究出以地质聚合物作为固化处理核废料的材料。

利用地质聚合物材料优异的力学性能，可以用作替代水泥的建筑材料，如生产预制件、道路修复等。

其广泛应用将十分有利于环境保护。

因为生产1t水泥将释放出1tCO2，而生产1t地质聚合物将减少80%的CO2排放量。

而且，生产地质聚合物的原料可以大量采用工业废渣。