韋旭朋 孫健婕 趙雙權(quán) 張圓圓

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021）

粉煤灰地質(zhì)聚合物的制備及研究現(xiàn)狀綜述

韋旭朋 孫健婕 趙雙權(quán) 張圓圓

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021）

本文簡(jiǎn)要綜述了地質(zhì)聚合物的概念、分類、性能、制備原理以及目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等，現(xiàn)在各國(guó)科學(xué)家對(duì)粉煤灰地聚物的形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入地研究，并取得了豐碩的成果和廣泛認(rèn)可，如粉煤灰地聚物在許多方面都有優(yōu)異的性能—較高的強(qiáng)度、較強(qiáng)的界面結(jié)合力及抗熱性能等等，但是仍然存在很多有待克服的難點(diǎn)。

粉煤灰地聚物；分類；制備原理；研究現(xiàn)狀；

1 引言

“Geopolymer”一詞是法國(guó)化學(xué)家J.Davidovits[1]教授于上世紀(jì)70年代提出的。近年來(lái)，國(guó)際上對(duì)地質(zhì)聚合物(Geopolymer)的研究非常活躍。偏高嶺土、鋼渣、粉煤灰、硅灰、沸石等都可作為合成地質(zhì)聚合物的原材料。其制備工藝簡(jiǎn)易，原料易得，可充分利用工業(yè)廢渣，基本無(wú)C02排放，僅將適量的原料和少量堿性激發(fā)劑溶液混合，在常溫條件下養(yǎng)護(hù)，就可制備不同強(qiáng)度等級(jí)的地質(zhì)聚合物材料[2]。

2 地質(zhì)聚合物的分類、性能

2.1 地質(zhì)聚合物的分類

地聚物是一類新型的具有三維氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高性能無(wú)機(jī)聚合材料。根據(jù)地質(zhì)聚合反應(yīng)中所使用激發(fā)劑種類的不同將地質(zhì)聚合物分為堿激發(fā)地質(zhì)聚合物材料、酸激發(fā)地質(zhì)聚合物材料、鹽激發(fā)地質(zhì)聚合物材料[3]。

(1)堿激發(fā)地質(zhì)聚合物材料使用工業(yè)水玻璃，氫氧化鈉，氫氧化鋰或者它們之間的混合物作為地質(zhì)聚合反應(yīng)的堿激發(fā)劑。

(2)酸激發(fā)地質(zhì)聚合物材料一般使用磷酸等作為地質(zhì)聚合反應(yīng)的酸激發(fā)劑[3]。(3)鹽激發(fā)地質(zhì)聚合物材料一般使用硫酸鹽、氟化物、硅酸鹽與鋁酸鹽等作為地質(zhì)聚合反應(yīng)的鹽激發(fā)劑。

2.2 地質(zhì)聚合物材料的性能

地質(zhì)聚合物材料具有在許多方面優(yōu)于普通硅酸鹽混凝土的性能，根據(jù)地質(zhì)聚合物材料的基本定義可以判定其屬于一種無(wú)機(jī)高分子材料[4]，它涵蓋了水泥、陶瓷、高強(qiáng)混凝土等一些無(wú)機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，主要有以下三個(gè)方面：（1）原材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉。大自然中硅鋁質(zhì)材料來(lái)源廣泛，隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，礦山尾礦、粉煤灰、煤殲石等工業(yè)廢渣的堆放問(wèn)題顯得尤為突出，如果將其作為地質(zhì)聚合物的原料，那么不僅可以很好的解決這些工業(yè)廢棄物堆放問(wèn)題，而且還可以起到保護(hù)環(huán)境、變廢為寶的作用。（2）具有較高的強(qiáng)度。濟(jì)南大學(xué)的黃風(fēng)會(huì)[5]利用鋼渣-粉煤灰-礦渣-砂子作為原料制備出28d抗壓強(qiáng)度高達(dá)78.8MPa的地質(zhì)聚合物混凝土，吸水率為8.30%。（3）具有較強(qiáng)的界面結(jié)合力。粉煤灰地質(zhì)聚合物混凝土中含有大量的粉煤灰，在與其它骨料、堿激發(fā)劑反應(yīng)的過(guò)程中會(huì)生成大量的凝膠體，致使其有較強(qiáng)的界面結(jié)合力，不會(huì)出現(xiàn)如硅酸鹽水泥與骨料反應(yīng)時(shí)的氫氧化鈣富集和擇優(yōu)取向的過(guò)渡區(qū)，因此強(qiáng)度隨之得到大幅度的提升。

3 粉煤灰地質(zhì)聚合物的制備原理

3.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料主要有粉煤灰，水玻璃，中砂，石子，減水劑，工業(yè)硅酸鈉以及氫氧化鈉等。減水劑的作用可以通過(guò)減少用水量來(lái)降低地聚物混凝土的水灰比，從而提高其強(qiáng)度。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

（1）研磨粉煤灰；（2）將NaoH溶液與水玻璃攪拌均勻制成堿激發(fā)劑溶液；（3）裝石子、中砂、粉煤灰入攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢?；?）將之前攪拌均勻的堿激發(fā)劑溶液倒入攪拌機(jī)中繼續(xù)攪拌；（5）裝模振搗抹平；（6）對(duì)成型試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；（7）對(duì)成型試件進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

3.3 反應(yīng)機(jī)理

粉煤灰地質(zhì)聚合物的反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜，主要可分為以下四個(gè)方面[6]： (1)粉煤灰中的鋁硅酸鹽礦物粉體原料在氫氧化鈉溶液中的溶解； (2)溶解的鋁硅配合物由固體顆粒表面向顆粒間隙擴(kuò)散； (3)凝膠相鋁化氧化物的形成，導(dǎo)致在堿硅酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發(fā)生了聚合作用；(4)凝膠相逐漸排除剩余的水分，固結(jié)硬化形成地聚合物塊體。

4 粉煤灰生產(chǎn)水泥的研究現(xiàn)狀

粉煤灰生產(chǎn)地聚水泥現(xiàn)在已成了許多國(guó)內(nèi)外專家的研究熱點(diǎn)[7]。

(1)東南大學(xué)的沙健芳等人[8]研究了偏高嶺土和粉煤灰不同摻量比制備地聚水泥，在粉煤灰摻量為30%時(shí)，產(chǎn)生的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為23.4MPa和4.60MPa，證明適宜的粉煤灰摻量有助于地聚水泥達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

（2）范飛林等[9]通過(guò)粉煤灰和礦渣為原料，以液體硅酸鈉水玻璃和氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下制備出28d抗壓強(qiáng)度達(dá)56.4MPa以上的地質(zhì)聚合物混凝土，強(qiáng)度特性穩(wěn)定。

（3）P.V.Krivenko和G.Yu.Kovalchuk[10]指出與粉煤灰相比較，利用高嶺土或偏高嶺土生產(chǎn)地聚水泥最大的缺點(diǎn)就是高能耗；而利用粉煤灰生產(chǎn)地聚水泥需水量較少，具有較高的抗熱性能等多方面優(yōu)越性。

綜合以上各位學(xué)者對(duì)地質(zhì)聚合物混凝土的研究發(fā)現(xiàn)，在制備地質(zhì)聚合物混凝土的過(guò)程中其原料之一都含有粉煤灰，有的還加入了礦渣或偏高嶺土，但最終制備的地聚物混凝土其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度都較高，且抗熱性能優(yōu)異。分析其原因，可能是粉煤灰等膠凝材料在與骨料、堿激發(fā)劑反應(yīng)的過(guò)程中，生成了C-S-H凝膠，填充了混凝土中的空隙，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，堵塞了漿體中毛細(xì)孔的通道，致使其強(qiáng)度得到大幅度提高[11]。

5 展望

（1）地聚物混凝土雖然具有強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕等優(yōu)異性能，但是其粘聚性較強(qiáng)，對(duì)于施工還存在一定的困難，因此如何制備出高強(qiáng)度自流動(dòng)性的地聚物混凝土成為今后研究的方向。

（2）粉煤灰地聚物混凝土反應(yīng)過(guò)程中堿激發(fā)劑可以選用LiOH、KOH、NaOH、Na2CO3、K2CO3和Na2SiO3其中一種，但是如果分析不同離子的性質(zhì)選用其中兩種或兩種以上作為堿激發(fā)劑，且在這些堿激發(fā)劑中同時(shí)加入適量的纖維、硅粉、沸石，改變其中一種的摻量來(lái)研究強(qiáng)度增長(zhǎng)情況具有很大的可行性。

[1]Davidovits J. Mineral polymers and methods of making them [R].US Pat,4349386.1980.

[2]李圣.有機(jī)樹脂強(qiáng)化增韌偏高嶺土—礦渣基地質(zhì)聚合物的性能研究[D].西安建筑科技大學(xué)碩士論文，材料學(xué)，2014：1-2.

[3]鞏思宇.養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間對(duì)堿基發(fā)偏高齡土基地質(zhì)聚合物反應(yīng)過(guò)程及性能的影響[D].廣西大學(xué)碩士論文，材料化工，2012：1-2.

[4]朱國(guó)振.粉煤灰/偏高嶺土地質(zhì)聚合物材料的制備及其性能研究[D].景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院碩士論文，材料物理與化學(xué)，2014∶34.

[5]黃鳳會(huì). 廢棄物基地質(zhì)聚合物材料的制備及性能研究[D].濟(jì)南大學(xué),2014.

[6]龍伏梅. 粉煤灰地聚合物材料及性能研究[D].南昌大學(xué),2006.

[7]趙海軍.嚴(yán)云.胡志華等.粉煤灰生產(chǎn)地聚水泥的研究現(xiàn)狀及效益展望[J].水泥工程，2007,3∶23.

[8]沙建芳，孫偉，張?jiān)粕?地聚合物一粉煤灰復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能.粉煤灰科學(xué)研究[M]，2004

[9]范飛林,許金余,李為民,陳勇,李慶. 地質(zhì)聚合物混凝土的制備及工程應(yīng)用前景[A]. 中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)工程安全與防護(hù)分會(huì).第一屆全國(guó)工程安全與防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)工程安全與防護(hù)分會(huì),2008∶5.

[10]P.V.Krivenko and G.Yu.Kovalchuk. Heat-Resistant Fly Ash Based Geocements.GEOPOLYMERS[J]，2002.

[11]水中和，魏小勝，王棟民.現(xiàn)代混凝土科學(xué)技術(shù)[M].科學(xué)出版社.2014.

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1007-6344（2017）01-0013-01

寧夏科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013ZYG30）

韋旭朋（1992-），男，漢族，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)。