地质聚合物的应用研究进展*

谭 弘，孙林柱

（1.江西财经大学 艺术学院，江西 南昌 330000；2.温州大学 建筑工程学院，浙江 温州 325000）

随着人们对环境保护意识的加强，世界各国对CO2等物质的排放限制越来越严格。传统硅酸盐水泥无法满足反应过程中消耗低、污染小等的要求，而解决问题的关键是寻求一种可替代波兰特水泥的材料，从而使建筑材料的生产更加环保、绿色和可持续化。Davidovits［1-2］在1978年首次提出了“地质聚合物”这一概念，它是一种化学键合陶瓷，多以硅、氧、铝为主要元素的硅铝质材料构成，经过一定的化学激发反应得到一种具有类似水泥、陶瓷等特性的新型无机聚合物材料［3-5］。地质聚合物的基本结构单元多为硅-铝-氧四面体，最终产物以共价键、离子键为主，氢键、范德瓦尔斯键为辅，因此地质聚合物表现出耐高温、耐热、吸附有害物质等特点，其应用范围广泛［6-8］。

1 反应机理

法国科学家Davidovits［1］将铝硅原材料进行缩聚反应后形成的无定形三维空间网络结构的一种无机凝胶材料定义为地质聚合物。研究表明，铝硅酸盐地质聚合物是通过一些假设基团逐步发生缩聚反应，而这些假设而成的单元基团进一步缩聚形成一个三维大分子结构。通常，地质聚合物的反应机理包括三个阶段，分别是：溶解阶段、单体重建阶段、单体缩聚阶段。图1为偏高岭土碱激发离子缩聚反应机理的过程。

图1 偏高岭土碱激发离子缩聚反应过程

2 固化重金属

随着世界经济的快速发展，环境污染、全球变暖等成为全球人们开始关注的问题。对于污染物而言，水起到至关重要的角色。水污染通常来源于各种废水、雨水和生活污水等，其中包含铁 （Fe）、锌（Zn）、铜（Cu）、铅（Pb）等重金属元素［9］。活性炭被商业界认为是一种吸附力强的材料，可以吸附水中的有害杂质，但是它也有自身的缺点。例如，长久使用后需要定期更换，高温下会放出有害气体，用途有局限性等［10］。近年来，地质聚合物由于自身良好的结构特性，通过吸附作用可去除重金属离子，减少高消耗、废物排放多的产品，使其成为一种绿色环保的新型建筑材料［11］。在工程应用上，部分电厂将排放出的粉煤灰进行合成反应，制备成粉煤灰基地质聚合物，用来去除重金属。研究表明，粉煤灰基地质聚合物的固化重金属效果较好。这一发现给学者们的后续研究提供了一条新的探索方向。采用粉煤灰基地质聚合物去吸附废水中的铅元素，随着接触时间的增加，吸附效果也更好。对重金属离子（Cr、Cd、Pb等）的固化和溶解效果，金属类的盐离子对地质聚合物的抗压强度影响不大，但其内部凝胶和铝硅酸盐相互结合，可以有效固定金属离子，同时在较高的pH环境中，氢氧化物相的溶解度更大。Tan等［12］和Novais等［13］研究了粉煤灰基（FA）、偏高岭土基（MK）组成的多孔、传统和透水的地质聚合物，观察不同结构吸附铅、铜、铬、锌等重金属离子的能力，发现吸附性能从高到低的排序依次为：粉状、块状、透水性地质聚合物，这可能与自身比表面积的接触和作用点位置有关。

3 加固材料

随着建筑领域的迅速发展，道路及桥梁工程中出现路基变形、基础不稳定等一系列的问题，这引起了广大学者的重视。为了开发一种更好的新型地基加固剂，完善传统的粒化高炉矿渣、粉煤灰等钙基加固剂，研究人员发现了地质聚合物这一类加固材料。由于地质聚合物材料本身具有高流动性、高性能强度和固化结硬快等特点，同时地质聚合物的碱渣注浆技术能够有效填充道路中的裂缝和加固道路中的基层、面层，因此可以防止钢筋锈蚀、加固路基的密实度和提高相应的承载力。长期以来，研究学者在地质聚合物的加固试验过程中取得了一定的成果。例如，Cristina Zanotti等［14］人进行了偏高岭土与混凝土基底采用地质聚合物修补砂浆和PVA纤维来加固其黏结强度的试验，发现地质聚合物的开发和应用促进了硅酸盐水泥混凝土的修复，而纤维的加入提高了胶凝材料之间的内聚力；Costantino Menna等［15］人也研究了地质聚合物在外部黏结复合材料中用于钢筋混凝土梁的加固试验，发现地质聚合物基质和混凝土、钢丝帘线相互粘结，不会出现分层机制，从而大大改善了钢筋混凝土梁的弯曲性能。

4 泡沫材料

地质聚合物泡沫材料具有高热稳定性、绿色环保、不易燃等特点，所以在实际工程应用中地质聚合物被广泛考虑和研究［13］。为提高更高的应用价值，地质聚合物通常用于隔音隔热［16-17］、热绝缘［18］等。目前，地质聚合物泡沫材料的合成方法有两种，一种是加入发泡剂［19］，另一种是直接添加气泡［20-23］。发泡剂通常选用过氧化氢、微细金属粉末等。将发泡剂加入地质聚合物泥浆中，利用发泡剂在碱性环境中的原位反应，使产生的气泡被困在地质聚合物泥浆中，从而导致硬化体中产生空洞；而直接添加气泡是通过事先准备好的泡沫浓缩物与地质聚合物泥浆混合反应，在固相萃取过程中有大量空隙产生。此外，多孔地质聚合物也可以通过加入添加剂来生产，它主要存在于生产地质聚合物砂浆和构建致密的混凝土，目的是提高强度用于尺寸、孔洞分布复杂的结构［24-25］。Rasouli等［26］人在此基础上提出使用聚合物来生产地质聚合物泡沫材料。在发泡剂含量达到一定值时，地质聚合物泡沫材料的性能由发泡剂性质、混合物成分等因素决定。相比于单用发泡剂，加入表面活性剂可以稳定液气界面，使孔径分布更加均匀［27］。实践证明，地质聚合物泡沫材料在工程应用上面具有很大的潜力价值。无论是加入发泡剂还是直接加入气泡，都可以较好的提高地质聚合物材料本身的性能。对于如何加强材料与地质聚合物之间的结合，以及地质聚合物泡沫的催化效果的性能评估，都还需要进一步研究。

5 结语

本文介绍了国内外研究者在地质聚合物应用方面取得的研究成果，包括：固化重金属、加固材料、泡沫材料等方面的研究。纵观文献资料可知，目前国内外已经开展了许多有效的研究工作，获得了很多有益的知识。尽管这样，下列问题特别需要进一步探讨：

1）传统的地质聚合物大多数应用于建筑材料装饰、耐火保温材料、核废料固化材料等领域，今后可以进一步探讨地质聚合物对梁、板、柱等结构性能的影响，尤其是在抗氯离子、抗耐火能力、抗碳化以及施工性能等方面的研究。

2）目前各国学者对于地质聚合物的碱激发反应机理始终没有形成统一的理论，今后在应用过程中需要进一步地指导，结合微观、宏观性能和材料自身特性，制定相应的生产技术规范，建立一套独特且准确的技术参数，用于地质聚合物基础应用过程的评价标准。

3）在沿海地区，人工砂资源匮乏，可以尝试着采用海水、海砂制备地质聚合物混凝土，并且进一步研究海水海砂地质聚合物混凝土之间的反应机理、性能调控、力学性能和耐久性能等，以扩大地质聚合物材料的使用规模效应。