粉煤灰地质聚合物的制备及研究现状综述

韦旭朋 孙健婕 赵双权 张圆圆

（宁夏大学土木与水利工程学院 宁夏 银川 750021）

粉煤灰地质聚合物的制备及研究现状综述

韦旭朋 孙健婕 赵双权 张圆圆

（宁夏大学土木与水利工程学院 宁夏 银川 750021）

本文简要综述了地质聚合物的概念、分类、性能、制备原理以及目前国内外的研究现状等，现在各国科学家对粉煤灰地聚物的形成机理和结构进行了深入地研究，并取得了丰硕的成果和广泛认可，如粉煤灰地聚物在许多方面都有优异的性能—较高的强度、较强的界面结合力及抗热性能等等，但是仍然存在很多有待克服的难点。

粉煤灰地聚物；分类；制备原理；研究现状；

1 引言

“Geopolymer”一词是法国化学家J.Davidovits[1]教授于上世纪70年代提出的。近年来，国际上对地质聚合物(Geopolymer)的研究非常活跃。偏高岭土、钢渣、粉煤灰、硅灰、沸石等都可作为合成地质聚合物的原材料。其制备工艺简易，原料易得，可充分利用工业废渣，基本无C02排放，仅将适量的原料和少量碱性激发剂溶液混合，在常温条件下养护，就可制备不同强度等级的地质聚合物材料[2]。

2 地质聚合物的分类、性能

2.1 地质聚合物的分类

地聚物是一类新型的具有三维氧化物网络结构的高性能无机聚合材料。根据地质聚合反应中所使用激发剂种类的不同将地质聚合物分为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[3]。

(1)碱激发地质聚合物材料使用工业水玻璃，氢氧化钠，氢氧化锂或者它们之间的混合物作为地质聚合反应的碱激发剂。

(2)酸激发地质聚合物材料一般使用磷酸等作为地质聚合反应的酸激发剂[3]。(3)盐激发地质聚合物材料一般使用硫酸盐、氟化物、硅酸盐与铝酸盐等作为地质聚合反应的盐激发剂。

2.2 地质聚合物材料的性能

地质聚合物材料具有在许多方面优于普通硅酸盐混凝土的性能，根据地质聚合物材料的基本定义可以判定其属于一种无机高分子材料[4]，它涵盖了水泥、陶瓷、高强混凝土等一些无机材料的优点，主要有以下三个方面：（1）原材料来源丰富、价格低廉。大自然中硅铝质材料来源广泛，随着社会工业化进程的不断加速，矿山尾矿、粉煤灰、煤歼石等工业废渣的堆放问题显得尤为突出，如果将其作为地质聚合物的原料，那么不仅可以很好的解决这些工业废弃物堆放问题，而且还可以起到保护环境、变废为宝的作用。（2）具有较高的强度。济南大学的黄风会[5]利用钢渣-粉煤灰-矿渣-砂子作为原料制备出28d抗压强度高达78.8MPa的地质聚合物混凝土，吸水率为8.30%。（3）具有较强的界面结合力。粉煤灰地质聚合物混凝土中含有大量的粉煤灰，在与其它骨料、碱激发剂反应的过程中会生成大量的凝胶体，致使其有较强的界面结合力，不会出现如硅酸盐水泥与骨料反应时的氢氧化钙富集和择优取向的过渡区，因此强度随之得到大幅度的提升。

3 粉煤灰地质聚合物的制备原理

3.1 实验原料

实验原料主要有粉煤灰，水玻璃，中砂，石子，减水剂，工业硅酸钠以及氢氧化钠等。减水剂的作用可以通过减少用水量来降低地聚物混凝土的水灰比，从而提高其强度。

3.2 实验流程

（1）研磨粉煤灰；（2）将NaoH溶液与水玻璃搅拌均匀制成碱激发剂溶液；（3）装石子、中砂、粉煤灰入搅拌机中充分搅拌；（4）将之前搅拌均匀的碱激发剂溶液倒入搅拌机中继续搅拌；（5）装模振捣抹平；（6）对成型试件进行标准养护；（7）对成型试件进行强度测试。

3.3 反应机理

粉煤灰地质聚合物的反应机理比较复杂，主要可分为以下四个方面[6]： (1)粉煤灰中的铝硅酸盐矿物粉体原料在氢氧化钠溶液中的溶解； (2)溶解的铝硅配合物由固体颗粒表面向颗粒间隙扩散； (3)凝胶相铝化氧化物的形成，导致在碱硅酸盐溶液和铝硅配合物之间发生了聚合作用；(4)凝胶相逐渐排除剩余的水分，固结硬化形成地聚合物块体。

4 粉煤灰生产水泥的研究现状

粉煤灰生产地聚水泥现在已成了许多国内外专家的研究热点[7]。

(1)东南大学的沙健芳等人[8]研究了偏高岭土和粉煤灰不同掺量比制备地聚水泥，在粉煤灰掺量为30%时，产生的抗压强度和抗折强度分别为23.4MPa和4.60MPa，证明适宜的粉煤灰掺量有助于地聚水泥达到较高的抗压强度和抗折强度。

（2）范飞林等[9]通过粉煤灰和矿渣为原料，以液体硅酸钠水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂，在标准养护条件下制备出28d抗压强度达56.4MPa以上的地质聚合物混凝土，强度特性稳定。

（3）P.V.Krivenko和G.Yu.Kovalchuk[10]指出与粉煤灰相比较，利用高岭土或偏高岭土生产地聚水泥最大的缺点就是高能耗；而利用粉煤灰生产地聚水泥需水量较少，具有较高的抗热性能等多方面优越性。

综合以上各位学者对地质聚合物混凝土的研究发现，在制备地质聚合物混凝土的过程中其原料之一都含有粉煤灰，有的还加入了矿渣或偏高岭土，但最终制备的地聚物混凝土其抗压强度、抗折强度都较高，且抗热性能优异。分析其原因，可能是粉煤灰等胶凝材料在与骨料、碱激发剂反应的过程中，生成了C-S-H凝胶，填充了混凝土中的空隙，改善了混凝土的孔结构，堵塞了浆体中毛细孔的通道，致使其强度得到大幅度提高[11]。

5 展望

（1）地聚物混凝土虽然具有强度高、耐酸碱腐蚀等优异性能，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。

（2）粉煤灰地聚物混凝土反应过程中碱激发剂可以选用LiOH、KOH、NaOH、Na2CO3、K2CO3和Na2SiO3其中一种，但是如果分析不同离子的性质选用其中两种或两种以上作为碱激发剂，且在这些碱激发剂中同时加入适量的纤维、硅粉、沸石，改变其中一种的掺量来研究强度增长情况具有很大的可行性。

[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.

[3]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.

[4]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.

[5]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.

[6]龙伏梅. 粉煤灰地聚合物材料及性能研究[D].南昌大学,2006.

[7]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.

[8]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]，2004

[9]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.

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

[11]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.

TQ172

B

1007-6344（2017）01-0013-01

宁夏科技支撑计划项目（2013ZYG30）

韦旭朋（1992-），男，汉族，河南洛阳人，硕士研究生，主要研究方向为混凝土结构。