摘要：地聚合物(Geopolymer)是一種以無機[SiO4]、[AlO4]四面體為主要組成，結構上具有空間三維網絡狀鍵接結構的新型無機硅鋁膠凝材料。地聚合物的原材料來源廣泛、制備方便、能耗小、基本不排放CO2，同時具有較高的力學性能和非常優異的耐高溫性能。工程應用前景非常廣泛。
　　關鍵詞：地聚合物，結構，性能
　　
　　隨著經濟的飛速發展，混凝土建筑物的使用環境日益惡化，人們對無機膠凝材料的力學性能和耐久性能提出了更高的要求，尤其是那些建設周期長、投資巨大、關系到國計民生的混凝土工程，需要比現有硅酸鹽水泥混凝土更為長久的使用壽命[1-5]。另外，傳統的硅酸鹽水泥的燒制消耗大量不可再生的煤、石油、天然氣等能源，同時還排放大量的CO2氣體。與此同時，人們發現天然低鈣Si-Al質材料，如各類粘土，沸石，長石等礦產資源非常豐富，占地殼巖石的80％以上；人造Si-Al質工業廢渣大量積壓，占用大片土地，嚴重污染環境，急待開發利用。因此，如何利用天然或人造低鈣Si-Al質材料研究制備出一種適于建筑結構使用的低能耗，低CO2排放量并且力學性能和耐久性能優異的新型節能環保膠凝材料具有極大的現實意義。
　　1地聚合物膠凝材料
　　1978年法國材料科學家J.Davidovits利用活性低鈣Si-Al質材料與高堿溶液反應首次制備出一種具有有機高分子聚合物空間三維網狀鍵接結構的新型無機Si-Al質膠凝材料，取名為地聚合物（geopolymer）[6]。與以往的無機Si-Al質膠凝材料相比，地聚合物的優勢在于：它具有與古埃及、古羅馬混凝土建筑物相似的優異耐久性能；同時在制備工藝中不采用消耗資源和能源的“兩磨一燒”煅燒工藝，而且基本不排放CO2，并且采用資源豐富，價格低廉的低鈣Si-Al質材料，突破了傳統硅酸鹽水泥和堿礦渣水泥的使用范圍。由于地聚合物的獨特性質，它在我國公路、鐵路、橋梁、房建、礦山、港口、機場等工程領域具有非常廣闊的應用前景。
　　2地聚合物的形成過程
　　無鈣體系的地聚合物的形成過程主要分為4個階段：(1)鋁硅酸鹽礦物粉體原料在堿性溶液(NaOH，KOH)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的擴散；(3)凝膠相[Mx(AlO2)y(SiO2)z•nMOH•mH2O]的形成，導致在堿硅酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發生聚合作用；(4)凝膠相逐漸排除剩余的水分，固結硬化成地聚合物塊體[7]。其聚合機理[8]可以表示如下
　　
　　
　　3地聚合物的結構
　　Davidovits教授將地聚合物的結構形態分為三種類型：單硅鋁地聚合物Poly(sialate)、雙硅鋁地聚合物Poly(sialate-siloxo)及三硅鋁地聚合物Poly(sialate-disiloxo)。由聚合反應得出的地聚合物三維網絡是由聚合的硅-氧四面體與鋁-氧四面體網絡結構構成，其中硅氧四面體和鋁氧四面體通過共用所有的氧原子交替鍵合。
　　地聚合物是一種無機高聚物，真正意義上的“geopolymer”的聚合度應該在500～1000之間或者更高。地聚合物材料的化學組成為鋁硅酸鹽，其基體相呈非晶質至半晶質相，具有[SiO4]和[AlO4]四面體隨機分布的三維網絡結構。網絡的基本結構單元為硅鋁氧鏈(-Si-O-Al-O-)硅鋁硅、氧鏈(-Si-O-Al-O-Si-O-)和硅鋁二硅氧鏈(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)等。這種結構主鏈由Si-O-Si和Si-O-Al組成，主鏈中由于Al代替Si引起的網絡結構中的電價不平衡，由K+、Na+離子在網絡結構中也變成受電價約束的非自由離子(牢籠結構)。地聚合物的結構[9]見圖1。
　　
　　圖1地聚合物的結構圖
　　4地聚合物的性能
　　地聚合物具有優異的工程應用性能，J.Davidovits等人的研究結果[10]表明：地聚合物除具有常規硅酸鹽水泥混凝土所具備的較高力學性能外，還具有一下優異的性能：
　　1）耐酸堿腐蝕性優良。地聚合物能經受硫酸鹽侵蝕，且在各種酸、堿溶液、鹽水以及各種有機溶劑中都表現了良好的穩定性，但在濃鹽酸中穩定性差。表1給出了地聚合物、普通硅酸鹽水泥和鈣鋁硅酸鹽水泥在濃度為5%的硫酸和鹽酸溶液中質量損失率比較
　　表1酸性條件下質量損失率比較

　　2）滲透率低。若以氯離子擴散系數來表征混凝土的抗滲性，其氯離子擴散系數為10-9cm2/s，與花崗巖相近(10-10cm2/s)。地聚合物能長期經受輻射及水熱作用而不老化，這是有機高分子聚合物及硅酸鹽水泥所無法達到的性能[7,11]。
　　3）低收縮率和低膨脹率。與硅酸鹽水泥相比，地聚合物材料的收縮率要低得多。鉀鋁硅酸鹽聚合物在400℃下的收縮率為0.2%～1%，800℃下為0.2%～2%。其線膨脹系數在0～1000℃為(2.1～4.5)×10-6。
　　4）耐高溫和低導熱率[12]。地聚合物耐高溫，隔熱效果好，而且不燃燒，不會在高溫下分解放出有毒氣體，地聚合物材料的耐火度>1000℃，熔融溫度達1050～1250℃，在高溫下能保持較高的結構性能，導熱系數為0.24～0.38W/m•K，可與輕質耐火粘土磚(0.3～0.438W/m)相媲美[13].作為建筑結構材料，可滿足防火阻燃的消防要求。
　　5))耐久性優良。地聚合物具有無機物的特征，與有機高分子相比，不老化，耐久性好;與硅酸鹽水泥相比，能經受環境的影響，耐久性能遠優于硅酸鹽水泥，還具有優良的抗氧化性能，抗碳化性能。地聚合物的優良性能一方面源于其穩定的網絡結構，另一方面是因為可以完全避免普通水泥因金屬離子遷移與骨料反應而引起的堿集料反應，因而抵抗自然破壞的能力很強。
　　6）生產工藝簡單，能耗較低。地聚合物材料生產過程無需普通粘土磚常用的燒制工序，也無需加氣棍凝土制品的蒸氣養護工序，材料的固化溫度一般在常溫至180℃，依靠各種物料之間的低溫化學反應，即可使凝膠相固化，因而其生產能耗極低。其能耗只有陶瓷的1/20、鋼的1/70、塑料的1/150。
　　7）原料來源廣，成本低廉。地聚合物所用的主要原材料[14]是地表廣泛存在的硅鋁氧化物等低鈣Si-AI質材料；堿激發劑主要采用硅酸鈉或硅酸鉀水玻璃溶液，以及NaOH或KOH溶液等，價格低廉，資源豐富。
　　8）綠色環保。地聚合物的成分接近于天然礦物，不像許多有機聚合物造成二次污染。與硅酸鹽水泥的生產相比，地聚合物制備工藝簡單，不使用如生產硅酸鹽水泥那樣大量消耗資源和能源的“兩磨一燒”工藝，因而低能耗，基本不排放CO2，能有效減輕環境的負荷[15]
　　表2列出了地聚合物膠凝材料的一些工程性能。
　　表2地聚合物的工程性能
　
　　
　　參考文獻
　　[1]沈威，黃文熙，閔盤榮.水泥工藝學[M].北京：中國建筑工業出版社，1986：229-231.
　　[2]吳中偉.綠色高性能混凝土與科技創新[J].建筑材料學報，Vol.1,1998:1-7.
　　[3]張書政，龔克成.地聚合物.材料科學與工程學報.2003，21(3):430—436
　　[4]唐明述.提高重大工程耐久性[M].中國化工，1996（3）：34—37
　　[5]袁玲.土聚水泥研究與發展現狀[J].材料研究，2002，30（2）：21—24.
　　[6]張云升.高性能地聚合物混凝土結構形成機理及其性能研究[D],東南大學.2003.
　　[7]代新祥，文梓蕓.土壤聚合物水泥[J].新型建筑材料.2001，(6):34—35
　　[8]丁慶軍，吳靜.新型地聚合物基輕質耐高溫混凝土的研究[J].混凝土，2007，(3):1—3
　　[9]袁鴻昌.地聚合物材料的發展及其在我國的應用前景[J].硅酸鹽通報.1998，(2):46—50
　　[10]王善勤.塑料配方手冊[M].北京:中國輕工業出版社，1995
　　[11]楊立信.國外堿性粉煤灰膠結料研究[J].粉煤灰綜合利用，1996(4):49—52         論文發表