地質(zhì)聚合物的性能與應(yīng)用發(fā)展前景

1、.地質(zhì)聚合物的性能與應(yīng)用發(fā)展前景摘要地質(zhì)聚合物是一種新型高性能膠凝材料。由于其特殊的縮聚三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其在眾多方面具有高分子材料、水泥和陶瓷等材料的特征。綜述了國內(nèi)外地質(zhì)聚合物的制備研究及聚合反應(yīng)機(jī)理，概述了地質(zhì)聚合物具備的性能特點(diǎn)及其在土木工程、快速修補(bǔ)和有毒廢料及放射性廢料處理等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：地質(zhì)聚合物 聚合反應(yīng)機(jī)理 應(yīng)用 發(fā)展前景目錄1 緒論21.1地質(zhì)聚合物的簡介21.1.1地質(zhì)聚合物的概念21.1.2地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)21.1.2地質(zhì)聚合反應(yīng)機(jī)理32 地質(zhì)聚合物的性能特點(diǎn)42.1高強(qiáng)度42.2強(qiáng)的耐腐蝕性和較好的耐久性52.3快硬早強(qiáng)52.4耐高溫52.5滲透率低，

2、耐凍融循環(huán)52.6良好的界面結(jié)合能力53 地質(zhì)聚合物的應(yīng)用發(fā)展前景63.1 開發(fā)土木工程材料和快速修補(bǔ)材料63.2 開發(fā)優(yōu)質(zhì)地質(zhì)聚合物基涂料63.3 開發(fā)工業(yè)有毒廢渣和核廢料固封材料63.4 開發(fā)化學(xué)鍵合陶瓷73.5 開發(fā)地質(zhì)聚合物復(fù)合材料73.6 開發(fā)防火和耐高溫材料74 結(jié)語71 緒論1.1地質(zhì)聚合物的簡介1.1.1地質(zhì)聚合物的概念地質(zhì)聚合物（Geopolymer）原意指由地球化學(xué)作用或人工模仿地質(zhì)合成作用而制造出的鋁硅酸鹽礦物聚合物，其基本結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體和鋁氧四面體聚合的具有非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)特征的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體。1.1.2地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)地質(zhì)聚合物具有以硅氧四面體和鋁氧四面體為骨架組成

3、的三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)，其經(jīng)驗(yàn)化學(xué)式為Mn-(SiO2)Z-AlO2nwH2O。其中M為堿金屬和金屬陽離子等，n為聚合度數(shù)，Z為1、2、3等整數(shù)。同時，地質(zhì)聚合物具有類沸石籠狀結(jié)構(gòu)，地質(zhì)聚合物與沸石在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別在于地質(zhì)聚合物是一種無定形體，而沸石是一種結(jié)晶態(tài)物質(zhì)。因?yàn)橛兄c沸石類似的結(jié)構(gòu)和制備方法，許多文獻(xiàn)報道了在地質(zhì)聚合物樣品中出現(xiàn)了一定量的沸石相。依據(jù)Z值的不同地質(zhì)聚合物可以分為PS、PSS和PSDS型，它們的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1地質(zhì)聚合物PS、PSS和PSDS結(jié)構(gòu)圖通過投射電鏡分析（TEM）可知地質(zhì)聚合物具有孔徑分布較寬的多孔結(jié)構(gòu)。地質(zhì)聚合物凝膠體是由直徑為5-10nm的一次凝膠顆粒構(gòu)

4、成，而這些顆粒又圍成了納米級孔道，這些孔道成為地質(zhì)聚合物介孔（孔徑2-50nm之間）的來源。同時，地質(zhì)聚合物還含有大孔（孔徑大于50nm）和微孔（孔徑小于2nm）。大孔是由粉煤灰或高嶺土顆粒之間的間隙所形成，而微孔是地質(zhì)聚合物凝膠的籠狀結(jié)構(gòu)所形成的孔隙。1.1.2地質(zhì)聚合反應(yīng)機(jī)理由于地質(zhì)聚合物的聚合反應(yīng)涉及到很多方面的多種因素，其聚合機(jī)理尚未能夠完全解釋清楚，相關(guān)的研究仍在繼續(xù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者大都以堿激發(fā)機(jī)理為基礎(chǔ)來解釋地質(zhì)聚合物的聚合機(jī)理，其中以J.Davidovits教授提出的反應(yīng)機(jī)理為代表，他把地質(zhì)聚合反應(yīng)的機(jī)理解釋為“解聚縮聚”的過程，認(rèn)為地質(zhì)聚合物形成過程中， 首先硅酸鹽原料在堿溶

5、液的作用下促使其硅氧鍵和鋁氧鍵的斷裂，形成一系列處于低聚狀態(tài)的硅氧四面體和鋁氧四面體單元，這些低聚的四面體單元隨著反應(yīng)的進(jìn)行，逐漸脫水重新聚合，從而形成地質(zhì)聚合物。文獻(xiàn)認(rèn)為，地質(zhì)聚合物的形成過程可分為4 個階段：鋁硅酸鹽礦物粉體原料在堿性溶液(NaOH，KOH)中的溶解；溶解的鋁硅配合物由固體顆粒表面向顆粒間隙的擴(kuò)散；凝膠相Mx(AlO2)y(SiO2)znMOHmH2O的形成， 導(dǎo)致在堿硅酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發(fā)生聚合作用；凝膠相逐漸排除剩余的水分， 固結(jié)硬化成礦物聚合材料塊體。以偏高嶺石為原料在NaOH和KOH的堿性環(huán)境中制備地質(zhì)聚合物的反應(yīng)式可以簡要表示如下：高嶺石煅燒失去部分結(jié)構(gòu)水以

6、后，結(jié)構(gòu)呈無定形狀態(tài)，從而演變成為準(zhǔn)有序的偏高嶺石，具有較高的活化能。當(dāng)其再水化時， 能重新恢復(fù)成原始結(jié)構(gòu)。認(rèn)為地質(zhì)聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以硅鋁氧鏈(-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-)等結(jié)構(gòu)單元組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。地質(zhì)聚合物的這種結(jié)構(gòu)與有機(jī)高分子材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相類似，并且其結(jié)構(gòu)單元鏈與鏈之間，以及鏈與礦物顆粒表面的SiO4和AlO4四面體通過脫羥基作用形成化學(xué)鍵，因而兼具一些有機(jī)聚合物與無機(jī)材料的性能。2 地質(zhì)聚合物的性能特點(diǎn)2.1高強(qiáng)度主要力學(xué)指標(biāo)高于玻璃、水泥，可與鋼、陶瓷、鋁等金屬材料相媲美。地

7、質(zhì)聚合物具有良好的早強(qiáng)特征，一般24h強(qiáng)度可達(dá)到1530MPa，28d強(qiáng)度可達(dá)到3260MPa。由于地質(zhì)聚合物以共價鍵連接為主，與一般礦物顆?；驈U棄物顆粒具有良好的界面親和性，因此這類材料的抗折強(qiáng)度較高。與水泥基材料相比，當(dāng)抗壓強(qiáng)度相同時，地質(zhì)聚合物具有更高的抗折強(qiáng)度。2.2強(qiáng)的耐腐蝕性和較好的耐久性聚合物在有機(jī)溶液、堿性溶液和鹽水中很穩(wěn)定，在濃硫酸中較穩(wěn)定，在濃鹽酸中穩(wěn)定性較差。由于地質(zhì)聚合物制備時都要加入大量活性的鋁硅酸鹽細(xì)粉如鍛燒高嶺土、粉煤灰、高爐礦渣等，地質(zhì)聚合物形成后能夠吸納大量的堿金屬離子，這種吸納過程只要活性成分在沒有被耗盡的情況下可以不斷地進(jìn)行下去，因此，可以極大的弱化材料中

8、的堿一骨料反應(yīng)。與普通水泥相比，地質(zhì)聚合物中的堿骨料反應(yīng)很弱，因而耐久性能良好。2.3快硬早強(qiáng)由于地質(zhì)聚合物材料在強(qiáng)堿作用下反應(yīng)迅速，能夠在很短的時間內(nèi)迅速聚合形成廣泛的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有快硬早強(qiáng)的特點(diǎn)，因此受到了人們的廣泛重視。2.4耐高溫地質(zhì)聚合物分子是由Al-Si-O鍵組成的無機(jī)高分子結(jié)構(gòu)，其鍵合方式是共價結(jié)合，鍵與鍵間的強(qiáng)度大，鍵能量高，因此不容易被破壞。而且地質(zhì)聚合物本身是個氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，在1000一2000之間不氧化，不分解。因此地質(zhì)聚合物材料具有耐高溫、不燃、隔熱、保溫等特點(diǎn)。2.5滲透率低，耐凍融循環(huán)地質(zhì)聚合物能形成致密的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，抗?jié)B性能優(yōu)良；而且孔洞溶液中電解質(zhì)濃度較

9、高，因而耐凍融循環(huán)的能力增強(qiáng)。2.6良好的界面結(jié)合能力傳統(tǒng)硅酸鹽水泥在與骨料結(jié)合的界面處容易出現(xiàn)氫氧化鈣的富集和擇優(yōu)取向的過渡區(qū)，造成界面結(jié)合力薄弱。地質(zhì)聚合物不存在硅酸鈣的水化反應(yīng)，其最終產(chǎn)物主要是以共價鍵為主的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體，與骨料界面結(jié)合緊密，不會出現(xiàn)類似的過渡區(qū)。與水泥基材料相比，當(dāng)抗壓強(qiáng)度相同時，地質(zhì)聚合物具有更高的抗折強(qiáng)度。3 地質(zhì)聚合物的應(yīng)用發(fā)展前景由于地質(zhì)聚合物具有優(yōu)異的高溫性能、機(jī)械性能等特點(diǎn)，在很多工業(yè)領(lǐng)域都能找到其廣闊的應(yīng)用空間，如：交通及搶修工程、冶金、核廢料處理等領(lǐng)域。3.1 開發(fā)土木工程材料和快速修補(bǔ)材料地質(zhì)聚合物是目前膠凝材料中快硬早強(qiáng)性能最為突出的一類材料。用于

10、土木工程中，可以大大縮短脫模時間，加快模板運(yùn)轉(zhuǎn)周期，提高施工速度。同時由于地質(zhì)聚合物具有早期強(qiáng)度高及界面粘結(jié)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可用作混凝土結(jié)構(gòu)的快速修補(bǔ)材料。用它修建的機(jī)場跑道，1h后可以步行，4h后可以通車，6h后可供飛機(jī)起降。3.2 開發(fā)優(yōu)質(zhì)地質(zhì)聚合物基涂料地質(zhì)聚合物水化后結(jié)構(gòu)致密，具有良好的防水、防火等性能。利用白色的煅燒高嶺土作為硅-鋁反應(yīng)物，用一定模數(shù)和濃度的水玻璃作為堿激發(fā)劑，并加入適量填料配制出了地質(zhì)聚合物基涂料。該地聚物基涂料具有耐淡水、海水、鹽和稀硫酸等化學(xué)侵蝕的特性。與有機(jī)涂料相比，地質(zhì)聚合物基涂料具有耐酸性、防火阻燃性、環(huán)保性、防霉菌性等一系列優(yōu)點(diǎn)。地質(zhì)聚合物基涂料作為特種涂

11、料將有廣闊的應(yīng)用前景。3.3 開發(fā)工業(yè)有毒廢渣和核廢料固封材料地質(zhì)聚合物的最終產(chǎn)物為類沸石相，而沸石是具有骨架（又稱三維網(wǎng)狀、籠形）結(jié)構(gòu)的含水硅酸鋁，沸石材料能吸附有毒化學(xué)廢料，所以地質(zhì)聚合物是固化各種化工廢料、固封有毒重金屬離子及核放射元素的有效膠凝材料。傳統(tǒng)水泥不適合固化許多含堿金屬的化工廢料，也不適合固化最終產(chǎn)品為含高濃度硫酸的金屬礦山尾砂。與傳統(tǒng)水泥不同，地質(zhì)聚合物不含石灰，并且在堿金屬或硫酸溶液中有很好的穩(wěn)定性。3.4 開發(fā)化學(xué)鍵合陶瓷所謂化學(xué)鍵合陶瓷，實(shí)質(zhì)上是區(qū)別于高溫?zé)Y(jié)陶瓷而言的。地質(zhì)聚合物通過水化反應(yīng)能達(dá)到與高溫?zé)Y(jié)陶瓷相媲美的結(jié)構(gòu)，而且低溫澆注地質(zhì)聚合物便于成型各種復(fù)雜形狀

12、的制品。與陶瓷相比，地質(zhì)聚合物裝飾材料或制品不僅免除了高溫?zé)Y(jié)工藝，而且整體性好。3.5 開發(fā)地質(zhì)聚合物復(fù)合材料利用地質(zhì)聚合物特有的快硬早強(qiáng)、高抗折強(qiáng)度、耐腐蝕和導(dǎo)熱系數(shù)低、可塑性好等特點(diǎn)，可以開發(fā)建筑用的地質(zhì)聚合物GRC板材和塊體材料。與水泥制品相比，地質(zhì)聚合物制品不用濕態(tài)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)周期短，原料豐富，成本低廉。同時地質(zhì)聚合物具有較好的加工性能，其制品具有天然石材的外觀，便于成型及制作各種耐久性裝飾材料。3.6 開發(fā)防火和耐高溫材料地質(zhì)聚合物能經(jīng)受1200的高溫，可用于制作爐膛、冶金管道、隔熱材料等，廣泛應(yīng)用于非鐵鑄造及冶金行業(yè)。4 結(jié)語地質(zhì)聚合物具有原材料豐富、工藝簡單、節(jié)約資源和能源等優(yōu)點(diǎn)，又兼具有機(jī)高分子、陶瓷和水泥等材料的優(yōu)良性能，使之越來越受到人們的重視。但是高性能地質(zhì)聚合物的推廣應(yīng)用在國內(nèi)也受到以下幾個條件的限制。（1）地質(zhì)聚合物的研究時間相對較短，尚缺少包括體積穩(wěn)定性在內(nèi)的長期耐久性數(shù)據(jù)，且脆性較大。（2）缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對其產(chǎn)品的組成配比、技術(shù)指標(biāo)、施