地聚物研究進(jìn)展

秦瀟亮

【摘 要】地聚物是新出現(xiàn)的一種新型非水泥基綠色無機(jī)膠泥材料，它的原材料為工業(yè)廢棄物（如礦渣、粉煤灰等），符合國家綠色建筑發(fā)展的原則。地聚物具有快硬早強(qiáng)、耐高溫效果好及耐腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。文章總結(jié)了近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于地聚物力學(xué)性能的研究成果，為地聚物在土木工程中的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】地聚物;耐高溫;耐腐蝕;力學(xué)性能

【中圖分類號】TQ323.41 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）11-0079-04

0 引言

地質(zhì)聚合物（Geopolymer，簡稱地聚物），是近年來研究熱點(diǎn)中新出現(xiàn)的一種新型非水泥基綠色無機(jī)膠泥材料，它被視作是最有前景的水泥替代品之一[1]。地聚物這一概念最早在1978年由法國教授Joseph Davidovits提出[2]，它是由富含硅、鋁酸鹽類的天然礦物或工業(yè)廢棄物（如偏高嶺土、礦渣、粉煤灰等）在堿性激發(fā)劑（如NaOH、硅酸鈉、碳酸鈉等）作用下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)制備而成，因此地聚物又稱堿激發(fā)膠凝材料。地聚物對于建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與綠色建造具有重要意義。地聚物來源廣、獲取成本低并且實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物（如粉煤灰、高爐礦渣粉等）的循環(huán)利用，因此不需要大量消耗礦產(chǎn)資源。地聚物生產(chǎn)工藝簡單，不需要高溫煅燒，因而能耗大幅度降低。地聚物生產(chǎn)的碳排放量約為水泥的20%，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生有害氣體，基本上實(shí)現(xiàn)污染物零排放。

1 地聚物力學(xué)性能的研究

1.1 快硬早強(qiáng)性能的研究

Li Q等人[3]進(jìn)行了以齡期、堿激發(fā)劑類型為主要試驗(yàn)參數(shù)研究地聚物的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，以水玻璃作為堿激發(fā)劑的堿激發(fā)混凝土快速凝結(jié)且早期強(qiáng)度高，而且強(qiáng)度迅速發(fā)展。1 d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到68 MPa，3 d后抗壓強(qiáng)度就能夠迅速提高到96 MPa，2 d抗壓強(qiáng)度增幅達(dá)到30%左右。

常利等人[4]研究了地聚物和10%的普通硅酸鹽水泥混合并在激發(fā)劑為10%的復(fù)合堿作用下，制備而成地聚物水泥混凝土，它的8 h抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度分別達(dá)到30.5 MPa及3.1 MPa，同時強(qiáng)度隨著齡期的增加都不斷增長，它的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到50.1 MPa且抗折強(qiáng)度為5.1 MPa。

吳怡婷等人[5]研究分析了地聚物抗壓強(qiáng)度關(guān)于養(yǎng)護(hù)制度、促硬劑、堿性激發(fā)劑種類等為試驗(yàn)因素的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在采用氟硅酸鈉作為促硬劑的條件下，偏高嶺土采用鈉水玻璃激發(fā)制得的地聚物標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)36.5 MPa、49.8 MPa、55.6 MPa。

1.2 黏結(jié)性能的研究

王愛國等人[6]通過抗折試驗(yàn)對地聚物砂漿的黏結(jié)性能進(jìn)行研究，分別采用地聚物砂漿與普通硅酸鹽水泥砂漿將預(yù)先進(jìn)行抗折試驗(yàn)而斷裂的水泥砂漿抗折試件重新黏結(jié)起來，然后進(jìn)行二次抗折試驗(yàn)。研究表明，與普通硅酸鹽水泥砂漿黏結(jié)修補(bǔ)試件相比較，地聚物砂漿黏結(jié)修補(bǔ)試件的抗折強(qiáng)度均較大，并且其抗折強(qiáng)度更接近于水泥砂漿抗折試件未經(jīng)修補(bǔ)而進(jìn)行首次抗折試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度。

鄭文忠等人[7]以用水量及水玻璃模數(shù)為研究因素通過面內(nèi)剪切試驗(yàn)對地聚物與碳纖維布之間的黏接性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)用水量是高爐礦渣粉質(zhì)量的0.35或0.42并且水玻璃模數(shù)是1.0時，地聚物與碳纖維布之間的3 d面內(nèi)剪切強(qiáng)度為1.38 MPa，基本上和環(huán)氧樹脂與碳纖維布之間的面內(nèi)剪切強(qiáng)度相同，此時地聚物作膠結(jié)劑具有良好的和易性，施工方便快捷。

曹亮等人[8]研究了地聚物砂漿分別與舊水泥砂漿、舊混凝土及纖維編織網(wǎng)的黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，地聚物砂漿與舊混凝土和舊水泥砂漿基體分別在常溫及300 ℃下的黏結(jié)強(qiáng)度均能滿足相關(guān)規(guī)范對修復(fù)或加固砂漿應(yīng)達(dá)到的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度，所以地聚物砂漿可以應(yīng)用于300 ℃以下高溫環(huán)修復(fù)境加固混凝土結(jié)構(gòu);常溫下地聚物砂漿與碳纖維網(wǎng)的黏結(jié)強(qiáng)度略低于環(huán)氧樹脂與碳纖維網(wǎng)的黏結(jié)強(qiáng)度，但溫度不高于300 ℃時，地聚物砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度幾乎不降低，而環(huán)氧樹脂的黏結(jié)強(qiáng)度大幅降低。

1.3 耐高溫性能的研究

Davidovits等人[9]發(fā)明地聚物的主要目的是想解決建材中采用有機(jī)建筑材料常遇到的建筑物防火問題，因此他們進(jìn)行了地聚物高溫后性能研究。研究表明，在1 200 ℃高溫下對地聚物碳纖維復(fù)合材料煅燒2 h后，仍然能夠達(dá)到原基體強(qiáng)度的61%，可以和其他的陶瓷/碳纖維材料的高溫力學(xué)性能相媲美。

王恩等人[10]研究發(fā)現(xiàn)地聚物具有的優(yōu)異耐高溫性能取決于其微觀結(jié)構(gòu)。一方面是由硅氧四面體及鋁氧四面體聚合而成的三維網(wǎng)狀空間鏈結(jié)構(gòu)具有十分優(yōu)異的穩(wěn)定性;另一方面是它致密的三維網(wǎng)狀空間鏈結(jié)構(gòu)能夠隔絕空氣，從而保護(hù)內(nèi)部物質(zhì)不易被氧化。

翁履謙和曹海琳等人[11]研究比較了水泥膠砂與堿激發(fā)高爐礦渣粉制備的地質(zhì)聚合物高溫后的抗折強(qiáng)度。經(jīng)250 ℃煅燒2 h后，地質(zhì)聚合物膠砂與水泥膠砂抗折強(qiáng)度損失分別為9.7%與31.3%;經(jīng)650 ℃煅燒2 h后，水泥試樣已斷裂，而地聚物膠砂抗折強(qiáng)度損失為62.5%，且外觀整體完整。結(jié)果表明：相較于水泥，高溫煅燒后地聚物強(qiáng)度損失明顯更小。這是因?yàn)榈刭|(zhì)聚合物微觀結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境中由原來的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶的沸石結(jié)構(gòu)，所以地質(zhì)聚合物具有優(yōu)異的耐高溫性能。

1.4 耐腐蝕性能的研究

Bakharev等人[12]分別將硅酸鹽水泥試塊及堿激發(fā)礦渣試塊同時放入硫酸鎂溶液中進(jìn)行腐蝕，經(jīng)過1年后觀察得硅酸鹽水泥試塊產(chǎn)生大量的貫穿裂縫及發(fā)生剝落現(xiàn)象;但是堿激發(fā)礦渣試塊的抗壓強(qiáng)度反而提高，并且試塊表面只出現(xiàn)少量的表層裂縫。

焦向科等人[13]將同等強(qiáng)度的地質(zhì)聚合物試塊與硅酸鹽水泥試塊分別放入5%wt的硫酸鈉、硫酸、氯化鎂及鹽酸溶液中浸泡30 d，地質(zhì)聚合物試塊的質(zhì)量損失平均為10%左右，抗壓強(qiáng)度降低幅度最小為2.1%且最大為42%;相反，普通硅酸鹽水泥試塊的質(zhì)量損失分別為-2.5%、35%、3.2、40%，而且抗壓強(qiáng)度降低幅度為35%、100%、12%、100%。

施惠生等人[14]以酸的種類及酸的濃度為主要試驗(yàn)因素對地質(zhì)聚合物的耐酸性進(jìn)行研究。研究表明，地聚物耐酸性的強(qiáng)弱取決于地聚物材料化學(xué)成分與酸的濃度，原材料鈣含量與酸的濃度越高則地聚物越容易受到侵蝕，這是因?yàn)殁}容易被酸溶出;地聚物的耐酸侵蝕性受酸的種類影響不大，地聚物的侵蝕程度在pH或濃度相近的情況下相差不大，分析原因?yàn)樵谑芩崆治g時，地聚物中不穩(wěn)定Al-OH結(jié)構(gòu)主要受H+破壞，并且H+也可能替換溶出平衡離子如Na+。

2 地聚物的強(qiáng)化增韌研究

地聚物的微觀結(jié)構(gòu)及組成特性一方面使它具有較高的力學(xué)性能，但是另一方面也導(dǎo)致它具有延性小、韌性低、脆性大的缺點(diǎn)。分析原因是地聚物微觀結(jié)構(gòu)即三維網(wǎng)狀空間鏈結(jié)構(gòu)中原子互相之間存在較多間隙，當(dāng)?shù)鼐畚锸芎奢d作用時，它并不能像金屬材料般能夠通過原子間的錯位移動而具有優(yōu)良的延展性，并且原子共價鍵具有方向性，致使共價鍵及離子鍵斷裂時基本上不產(chǎn)生任何變形[15]。為了解決地聚物延性小、韌性低、脆性大的缺點(diǎn)，近些年來國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合混凝土領(lǐng)域中普遍應(yīng)用的纖維增韌技術(shù)與有機(jī)聚合物增韌技術(shù)對地聚物進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化增韌改性研究。

Shaikh等人[16-17]研究比較了在堿激發(fā)地聚物混凝土中分別摻入不同纖維對其性能特點(diǎn)的影響。通過比較分別摻入PVA纖維與鋼纖維作用于粉煤灰基地聚物混凝土對其韌性的影響，可從試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)在受荷載作用下，PVA纖維強(qiáng)化增韌的粉煤灰基地聚物混凝土裂縫發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹?xì)而密”及發(fā)生彎曲變形硬化的特點(diǎn)。

Natali等人[18]系統(tǒng)地探討了地質(zhì)聚合物受PVA纖維、碳纖維、PVC纖維、玻璃纖維強(qiáng)化增韌后的改善效果，研究發(fā)現(xiàn)PVC纖維與碳纖維相較于其他纖維具有更好的增韌效果。

Dias等人[19]在地聚物混凝土中摻入了礦物纖維并對其增韌效果進(jìn)行研究，研究表明地聚物混凝土的斷裂韌性因礦物纖維的摻入得到有效改善。

Zhang等人[20]系統(tǒng)地研究了地質(zhì)聚合物受聚丙烯酸（PAA）系列有機(jī)物復(fù)合強(qiáng)化增韌后的韌性性能，研究發(fā)現(xiàn)受聚丙烯酸鈉（PAANa）增韌后地聚物在最大抗壓強(qiáng)度僅為25.4 MPa的情況下，能夠明顯增大基體的韌性，使其抗折強(qiáng)度達(dá)到6.1 MPa。

Saafia等人[21]研究了堿激發(fā)粉煤灰地聚物受多壁碳納米管（MWCNTs）強(qiáng)化增韌后的改性效果，結(jié)果表明多壁碳納米管（MWCNTs）既能夠增大試件的抗折韌性、楊氏模量及抗折強(qiáng)度，也能夠提高電導(dǎo)率及增加斷裂能。

3 地聚物的發(fā)展方向及應(yīng)用

地聚物優(yōu)秀的力學(xué)性能使其具有巨大的工程應(yīng)用價值且具有多方面的用途，從而可以應(yīng)用于多個行業(yè)，例如可以作為土木工程搶險修復(fù)材料、建筑結(jié)構(gòu)膠結(jié)劑、耐火耐高溫材料及固廢材料等。

3.1 土木工程搶險修復(fù)材料

快速凝結(jié)及硬化、早期強(qiáng)度高是地聚物無機(jī)膠泥材料最為突出的優(yōu)點(diǎn)之一，被視作為一種理想的土木工程搶險修復(fù)加固材料并且得到應(yīng)用。海灣戰(zhàn)爭期間，美國使用地聚物膠凝材料修建的臨時飛機(jī)場便以極高的建造效率和質(zhì)量在全世界范圍內(nèi)引起極大轟動，采用地聚物建造的飛機(jī)跑道1 h后便可在其上步行，4 h后便可通行機(jī)動車輛，6 h后飛機(jī)便可在其上進(jìn)行起降[22]。彭小芹等人[23]研發(fā)了一種加入普通硅酸鹽水泥的地聚物混凝土，并且將這種地聚物混凝土運(yùn)用到實(shí)際工程即桂柳高速公路修復(fù)加固工程之中，施工過程方便快捷，施工后不需要進(jìn)行專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)，修復(fù)加固1 d后便可通車且路面狀況良好。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)膠結(jié)劑

地聚物無機(jī)膠泥材料的黏結(jié)性能極強(qiáng)，使其能夠成為建筑結(jié)構(gòu)膠結(jié)劑，從而代替環(huán)氧樹脂有機(jī)膠與纖維片材復(fù)合并應(yīng)用于土木工程修復(fù)加固領(lǐng)域[24]。Kurtz等人[25]針對鋼筋混凝土梁分別采用環(huán)氧樹脂有機(jī)膠與地聚物無機(jī)膠凝材料粘貼CFRP布進(jìn)行加固并研究其加固效應(yīng)。試驗(yàn)表明，采用地聚物無機(jī)膠泥材料粘貼CFRP布加固鋼筋混凝土梁的加固效果（即剛度和強(qiáng)度）和環(huán)氧樹脂有機(jī)膠粘貼CFRP布加固鋼筋混凝土梁的效果相當(dāng)。房帥[26]以膠結(jié)劑類型（地聚物、環(huán)氧樹脂）和CFRP布層數(shù)為研究因素進(jìn)行了鋼筋混凝土加固梁的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明，鋼筋混凝土梁經(jīng)地聚物粘貼CFRP布加固后其力學(xué)性能即承載能力及變形能力顯著提高。祁術(shù)亮[27]通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究分析了膠結(jié)劑類型和FRP布類型對地聚物粘貼FRP布加固梁的力學(xué)性能影響。結(jié)果表明，地聚物作膠結(jié)劑的加固梁的剛度及承載力均不低于環(huán)氧樹脂做膠結(jié)劑的加固梁，但是延性降低。

3.3 耐火耐高溫材料

地聚物微觀結(jié)構(gòu)的致密性使其具備優(yōu)異的耐火耐高溫性能。段靜等人[28]研制了一種以稻殼灰和偏高嶺土為原材料的地聚物，并且采用這種地聚物涂抹組合樓板進(jìn)行明火試驗(yàn)。研究表明，在荷載比為0.19時即使不設(shè)防火保護(hù)，組合樓板的耐火耐高溫性能也能滿足規(guī)范中一級樓板的要求;在荷載比為0.5時，涂抹厚度為10 mm的地聚物涂料于組合樓板表面，則組合樓板的耐火耐高溫性能極限大大超過規(guī)范中規(guī)定的1.5 h，故在土木工程領(lǐng)域中地聚物可以作為一種新型耐火耐高溫涂料。

3.4 固定重金屬離子

地聚物的微觀結(jié)構(gòu)即三維網(wǎng)狀空間鏈結(jié)構(gòu)具有牢籠狀空腔，Pb、Co、Ar、Mn、Fe、As、Hg等重金屬離子和有害物質(zhì)能夠被地聚物包裹固定于空腔之內(nèi)[29]。Mallow的研究表明地聚物之所以能夠固定金屬離子是因?yàn)榻饘匐x子被地聚物包裹吸附之后加入地聚物微觀結(jié)構(gòu)的形成過程之中。因此，地聚物可以應(yīng)用到核廢料及有毒廢料處理[30-33]的實(shí)際工程。

4 結(jié)語

水泥生產(chǎn)不僅會大量排放造成全球氣候變暖的CO2，還會伴隨排放出二氧化硫及氮的氧化物等有害氣體，形成酸雨破壞生態(tài)環(huán)境，并且生產(chǎn)水泥消耗的能源占建材消耗總能源的75%[34]。因此，尋找一種綠色環(huán)保的水泥替代品，減少水泥生產(chǎn)對環(huán)境的污染，是建筑行業(yè)迫在眉睫的問題。地質(zhì)聚合物（簡稱地聚物）是近年來新出現(xiàn)的一種新型非水泥基綠色膠凝材料，它是由工業(yè)廢渣（粉煤灰、高爐礦渣粉等）和堿溶液（NaOH2、NaSiO3等配置）拌和激發(fā)下生成的，生產(chǎn)碳排放量為水泥的20%[35]。地聚物具有以下特點(diǎn)：初凝時間短，早期強(qiáng)度高;與舊混凝土界面相容性好;耐火性及耐腐蝕性好，在氯鹽、硫酸鹽等環(huán)境中具有較好的耐久性能[36-38]。因此，地聚物被認(rèn)為是最有前景的水泥替代物之一[39]。

參 考 文 獻(xiàn)

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