地聚物的性能影響因素研究及其應(yīng)用進(jìn)展綜述

黃 小 川，劉 長(zhǎng) 江，王 夢(mèng) 斐，何 欣，徐 鐘

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059； 2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 研究背景

水泥作為當(dāng)前建筑行業(yè)中應(yīng)用廣泛的膠凝材料卻并不節(jié)能環(huán)保。據(jù)研究，1 kg普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)過程中就會(huì)產(chǎn)生0.66～0.82 kg碳排放[1]，而我國(guó)每年水泥工業(yè)的CO2排放量約占全國(guó)CO2排放總量的10%左右[2]。另一方面，水泥生產(chǎn)又會(huì)消耗大量的石灰石和黏土資源，不利于長(zhǎng)期發(fā)展。鑒于人們對(duì)生態(tài)環(huán)保和節(jié)能減排的呼聲越發(fā)強(qiáng)烈，探索與研發(fā)綠色建筑材料成為研究工作的重點(diǎn)。其中地聚物(Geopolymer)因其價(jià)格低廉，來源廣泛被認(rèn)為是最具前景的一種新型綠色膠凝材料，它能大幅降低傳統(tǒng)硅酸鹽水泥帶來的碳排放[3]。1 kg地聚物水泥制備過程中碳排放量為0.18 kg，僅為普通硅酸鹽水泥的24%[4]；同時(shí)在生產(chǎn)過程中能耗更低，同比只占水泥生產(chǎn)能耗的30%，若提高固體廢棄物的活性，其能耗更可以降到水泥生產(chǎn)的10%[5]。地聚物的概念是在1978年由法國(guó)人Davidovits提出的，又稱地質(zhì)聚合物。它是一種由[AlO4]和[SiO4]四面體結(jié)構(gòu)單元組成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)聚合物，化學(xué)式為Mn{(SiO2)zAlO2}n·wH2O，從無定形到半晶態(tài)的非金屬材料。地聚物具備優(yōu)異的力學(xué)性能、耐火性、耐高溫、抗侵蝕性能[6]及良好的抗?jié)B性[7]，頗受科研人員青睞，被認(rèn)為能夠在某些領(lǐng)域替代水泥或作為水泥材料的補(bǔ)充[8]。

如圖1[9]所示，地聚物是以硅鋁質(zhì)原料和激發(fā)劑在常溫或一定養(yǎng)護(hù)條件下經(jīng)過“溶解-單體重構(gòu)-縮聚”的反應(yīng)凝結(jié)硬化過程，最終形成具有類沸石結(jié)構(gòu)的新型膠凝材料[10]。大量研究表明，地聚物的性能表現(xiàn)會(huì)受到多種因素的影響，如不同的硅鋁質(zhì)原料、激發(fā)劑、外加劑和養(yǎng)護(hù)制度等。為給今后的地聚物研究提供參考，本文將從上述影響因素對(duì)地聚物性能改善的影響以及地聚物當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

圖1 地聚物形成過程Fig.1 Geopolymer formation process

2 地聚物性能的主要影響因素

2.1 不同硅鋁質(zhì)原料的影響

地聚物的常用原料有礦渣[11]、粉煤灰[12]、偏高嶺土[13]、硅灰[14]、赤泥[15]、稻殼灰[16]等工業(yè)廢棄物。地聚物的性能取決于水化反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠體，這由硅鋁原料中的Si、Al等元素的溶出量決定。Si、Al等元素的溶出量越高，產(chǎn)生的凝膠體越多，賦予地聚物的力學(xué)性能越好[17]。上述材料中活性較低的赤泥、硅灰、稻殼灰因所含的礦物組分大多結(jié)合成晶態(tài)形式，即便在激發(fā)劑作用下Si、Al元素要溶出也十分困難，不利于縮聚和凝膠化過程的進(jìn)行，所以當(dāng)前研究人員更多用活性較高的礦渣、粉煤灰和偏高嶺土作為反應(yīng)原料[18]。

礦渣是冶煉生鐵時(shí)排出的廢渣，粉煤灰是煤燃燒后煙氣中的細(xì)灰。礦渣具有較高的CaO含量，水化反應(yīng)活性較高，會(huì)產(chǎn)生更多的水化硅酸鈣(C-S-H)，因而使用礦渣作為地聚物制備原料會(huì)使地聚物獲得較高強(qiáng)度。但缺點(diǎn)是聚合速度過快、收縮大、易開裂，單獨(dú)使用時(shí)會(huì)受到較大的限制[19]?，F(xiàn)在更多是把礦渣和粉煤灰按一定比例混合使用，這樣可保證地聚物在擁有較高強(qiáng)度的情況下同時(shí)具備良好的工作性能。Azizul Islam等[20]將礦渣、低鈣粉煤灰和棕櫚油粉煤灰按不同比例組成了多種復(fù)合材料，在相同的實(shí)驗(yàn)下得出的結(jié)論是地聚物抗壓強(qiáng)度會(huì)隨礦渣摻量的增加而增大，而礦渣摻量超過70%則會(huì)影響工作性能。這和Kürklü[21]的研究結(jié)果相吻合。Shang等[22]也通過研究得出了在粉煤灰中摻入礦渣粉有利于改善地聚物早期性能的結(jié)論，并且指出低摻量礦渣的地聚物砂漿可以獲得與硅酸鹽水泥相似的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度發(fā)展、體積穩(wěn)定性和氯離子滲透性等性能。不同配比復(fù)合原料制備的地聚物之所以有不同的性能表現(xiàn)，其主要原因是不同原料的活化能不同，以及原料各自的粒徑和形狀不同。Kua等[23]用掃描電鏡從微觀角度觀察了粉煤灰和礦渣的形態(tài)(見圖2)，發(fā)現(xiàn)粉煤灰主要呈不規(guī)整的球形，礦渣則為多角度顆粒狀。粉煤灰的玻璃體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于滾珠，可以有效減小漿體顆粒間相對(duì)滑移時(shí)的阻力，以此促進(jìn)漿體流動(dòng)，工作性能表現(xiàn)更好；礦渣則因比表面積較大且形狀不規(guī)則不利于漿體顆粒的相對(duì)滑移，因此會(huì)降低漿體流動(dòng)度。

圖2 粉煤灰與礦渣微觀圖Fig.2 Micrograph of fly ash and slag

偏高嶺土是由高嶺土在高溫(500～800 ℃)下煅燒所得到的，這種原料顆粒細(xì)小，容易團(tuán)聚，需水量大，在經(jīng)過800 ℃煅燒會(huì)后更具活性，容易轉(zhuǎn)變成地聚物的類沸石結(jié)構(gòu)[24]。近年來，人們對(duì)偏高嶺土的研究主要以礦渣-偏高嶺土復(fù)合原料[25]與粉煤灰-偏高嶺土復(fù)合原料[26]等為主。相比其他硅鋁質(zhì)原料，偏高嶺土含有更高含量的Si、Al元素，反應(yīng)過程中能提供更多的四面體結(jié)構(gòu)單元，從而形成更多的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Li[27]提出偏高嶺土在經(jīng)過高溫煅燒后硅酸鹽結(jié)構(gòu)會(huì)高度損壞，原料的活性狀態(tài)發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型，原料中Si、Al物質(zhì)的活性因此得到提高，Wang[13]通過核磁共振分析得出與之相同的結(jié)論。從聚合物的形成過程來說，伴隨著堿激發(fā)劑的作用，偏高嶺土較容易地提供地聚合結(jié)構(gòu)中Al元素，促進(jìn)Al-O-Al鍵的形成，而Al層的解離也促進(jìn)了Si的快速溶解。原料中Si、Al的溶出量是促進(jìn)聚合過程及地聚物獲得高性能的關(guān)鍵因素，因而在制備地聚物時(shí)可以先對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，提高硅鋁原料的活性，這對(duì)低活性原料制備地聚物有重大意義。

2.2 骨料級(jí)配及摻量的影響

級(jí)配良好的骨料不僅能夠降低地聚物混凝土的孔隙率，提高地聚物的和易性和強(qiáng)度，而且更加經(jīng)濟(jì)。焦向科等[10]調(diào)整了骨料摻量與級(jí)配來測(cè)試地聚物砂漿的早期抗壓強(qiáng)度，提出骨料摻量最佳值為50%，此時(shí)能夠產(chǎn)生最多的高強(qiáng)度試件。陳偉等[28]基于 Dinger-Funk方程最緊密堆積理論，對(duì)地聚物進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，得到粉煤灰、礦渣粉和石英砂骨料的理想級(jí)配，制備的地聚物試件強(qiáng)度較高，早期強(qiáng)度發(fā)展快。尹明等[12]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對(duì)于給定類型的粗細(xì)骨料，隨著骨料摻量和砂率的增加試件的抗壓強(qiáng)度會(huì)先增大后減小，他認(rèn)為在強(qiáng)度達(dá)到峰值前，增加骨料摻量和砂率會(huì)使地聚物的孔隙被逐步填充，試件密實(shí)度更高，因而強(qiáng)度得到增長(zhǎng)，而在峰值后，過量的填充將造成新的缺陷，且該缺陷導(dǎo)致的強(qiáng)度降低效應(yīng)要高于峰值前的填充效應(yīng)。

2.3 堿激發(fā)劑對(duì)地聚物性能的影響

除了堿激發(fā)劑的種類，堿激發(fā)劑的濃度與模數(shù)(SiO2/Na2O)對(duì)激發(fā)效果也有很大影響。徐慶等[38]研究了堿激發(fā)劑模數(shù)對(duì)使用高爐礦渣作為主要膠凝材料的地質(zhì)聚合物透水混凝土性能的影響。結(jié)果表明：模數(shù)達(dá)到1.5時(shí)，強(qiáng)度最高；模數(shù)高于1.5時(shí)強(qiáng)度開始下降，其原因是隨著堿激發(fā)劑模數(shù)增加，體系中引入的SiO2增加，促進(jìn)了C-S-H凝膠生成與強(qiáng)度增長(zhǎng)；但當(dāng)SiO2含量超過一定量后，過量的SiO2無法進(jìn)入地聚物網(wǎng)絡(luò)中，反而會(huì)對(duì)強(qiáng)度發(fā)展不利。Chi等[39]指出 4%的Na2O用量是激發(fā)礦渣活性，獲得較好抗壓強(qiáng)度的最低堿濃度水平，模數(shù)為0.8時(shí)地聚物抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最高。Krizan等[40]的研究表明：當(dāng)激發(fā)劑的模數(shù)在0.6～1.5之間時(shí)，堿礦渣水泥的累積水化熱低于硅酸鹽水泥的累積水化熱，但堿礦渣水泥的干縮率明顯高于硅酸鹽水泥，且干縮率會(huì)隨著模數(shù)和水玻璃用量的增加而增加。Morsy等[41]發(fā)現(xiàn)隨著堿激發(fā)劑模數(shù)增加，地聚物的抗壓抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。因?yàn)槟?shù)增加的過程中，Al 能在堿液中迅速溶解，同時(shí)原料溶解之前提供 Si離子，可以促進(jìn)聚合過程。當(dāng)模數(shù)過高時(shí)，過多的的Na2SiO3會(huì)影響硅鋁質(zhì)原料的溶解，影響反應(yīng)過程中硬質(zhì)結(jié)構(gòu)的生成。彭暉[42]通過研究發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)劑濃度對(duì)強(qiáng)度的影響最大，偏高嶺土地聚物的抗壓強(qiáng)度隨著激發(fā)劑濃度的增加而不斷提高；另外隨著激發(fā)劑濃度增大，(AlO4)4-基團(tuán)就會(huì)代替Si-O-Si結(jié)構(gòu)上的(SiO4)4-基團(tuán)，Si-O-Al結(jié)構(gòu)逐步取代Si-O-Si結(jié)構(gòu)，材料的硅鋁比提高，促進(jìn)水化反應(yīng)趨于完全。同時(shí)他指出激發(fā)劑模數(shù)的影響是次要因素，模數(shù)不宜過高也不宜低于1.2。激發(fā)劑模數(shù)是通過添加NaOH調(diào)節(jié)的，NaOH的摻量越多，模數(shù)就越低，同時(shí)激發(fā)劑的堿性越強(qiáng)。因而當(dāng)模數(shù)過高時(shí)激發(fā)劑的堿性就會(huì)減弱，從而影響縮聚反應(yīng)的進(jìn)行；而模數(shù)低于1.2時(shí)，由于激發(fā)劑濃度過大，最終會(huì)產(chǎn)生不溶的白色SiO2凝膠，影響激發(fā)劑的效果。Lyu[43]的研究同樣發(fā)現(xiàn)激發(fā)劑模數(shù)減小對(duì)地聚物強(qiáng)度是有利的。Gao[44]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高激發(fā)劑模數(shù)降低了偏高嶺土基地聚物的孔隙率，有利于地聚物強(qiáng)度的提升，但延長(zhǎng)了地聚物聚合凝結(jié)的時(shí)間。Alonso等[45]認(rèn)為，激發(fā)劑濃度對(duì)地聚物性能的影響是最關(guān)鍵的，原因是濃度增大會(huì)使溶液的pH值提高，pH值過高就會(huì)降低反應(yīng)速率，并限制了離子的遷移率，最終導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

現(xiàn)階段研究者們對(duì)堿激發(fā)劑的認(rèn)知還存在著一定分歧，如前文所述，不同研究人員所采用的激發(fā)劑種類、濃度及模數(shù)都不相同，這可能是他們各自研究所用的鋁硅質(zhì)原料的性質(zhì)不同造成的。地聚物的膠凝性質(zhì)需要激發(fā)劑的活化，這使得激發(fā)劑比其他因素對(duì)地聚物的影響程度更大。當(dāng)前的研究表明不同類型的激發(fā)劑會(huì)導(dǎo)致地聚物的性能差異巨大，為了更全面地認(rèn)識(shí)堿激發(fā)劑的作用機(jī)理，在今后還需要做更多的研究工作。

2.4 納米材料對(duì)地聚物性能的影響

地聚物雖具備早強(qiáng)快硬，耐高溫、抗?jié)B性好等優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在脆性大、韌性差、易開裂等缺陷，這些已成為地聚物在工程應(yīng)用中的瓶頸[46-47]。為了改善這些缺陷，研究者通過引入石墨烯/氧化石墨烯[48]、納米SiO2[17]、納米Al2O3[17]等納米材料來改善地聚物的性能。納米材料擁有十分優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)性能、熱學(xué)性能和磁性能等，是當(dāng)前備受科研人員青睞的熱門材料，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。通過添加納米級(jí)填料，能使地聚物的機(jī)械性能和耐久性得到顯著改善。

2.4.1石墨烯材料對(duì)地聚物改性

石墨烯(Graphene)是一種六角形呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，是單層結(jié)構(gòu)的石墨，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但由于石墨烯具有很大的比表面積和表面能，因此石墨烯薄片在極性液體中的分散性非常低，并且會(huì)凝聚并相互粘附，從而降低了它們?cè)谀蹠r(shí)的強(qiáng)化效果[49]。氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO )是制備石墨烯的中間產(chǎn)物，是更具成本效益的石墨烯基材料[50]。如圖3所示，GO的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)和石墨烯類似，因所帶的含氧官能團(tuán)增多而使其性質(zhì)較石墨烯更加活潑，具有親水性。目前GO作為基礎(chǔ)的填料被廣泛應(yīng)用到各種塑料和有機(jī)復(fù)合材料中[51]。這些復(fù)合材料力學(xué)性能的改善主要是由于GO薄片的高比表面積和優(yōu)異的力學(xué)性能[52]。Saafi等[53]以GO和粉煤灰為原料，制備出新型還原氧化石墨烯(RGO)地聚物復(fù)合材料，GO與堿性溶液的相互作用產(chǎn)生了高度還原和交聯(lián)的RGO，這些交聯(lián)粒子使粉煤灰地聚物的孔隙和空隙被充分填充并橋接，令其結(jié)構(gòu)更加致密，抗彎強(qiáng)度和楊氏模量大幅提高。Ranjbar等[54]以石墨烯納米薄片(GNPs)作為一種添加劑來改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明，添加1%(重量百分率)GNPs后，地聚物的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了144%和216%。地聚物力學(xué)性能增強(qiáng)的原因主要是GNPs的超高彈性模量降低了基體中的應(yīng)力集中，并將應(yīng)力均勻地傳遞到基體的其他部分，從而提升了基體高剛性和不變形的能力。Xu等[55]研究了GO對(duì)粉煤灰地聚物形態(tài)的影響，闡明了GO的微觀效應(yīng)。如圖4所示，未加GO的地聚物有較多的孔隙，水化產(chǎn)物的分布較為散亂；而摻入GO之后，它作為生長(zhǎng)點(diǎn)所具備的成核效應(yīng)，能夠調(diào)控水化產(chǎn)物形成致密規(guī)整的微觀結(jié)構(gòu)，從而提升了地聚物的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性能。 GO的性能和結(jié)構(gòu)與石墨烯相近，并且成本更低，在未來必然有廣闊的發(fā)展空間，期望今后能發(fā)掘氧化石墨烯在地聚物復(fù)合材料中更多的應(yīng)用。

圖3 石墨烯與氧化石墨烯平面結(jié)構(gòu)Fig.3 Plane structure of graphene and graphene oxide

2.4.2其他納米材料對(duì)地聚物改性

郭曉潞等[17]研究了不同納米材料對(duì)地聚物性能的影響。結(jié)果表明：化學(xué)合成納米材料與天然納米材料對(duì)粉煤灰基地聚合物早期抗壓強(qiáng)度都有改善作用。其中納米 SiO2和納米Al2O3改善了地聚物的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，同時(shí)一定程度提高了地聚物抗?jié)B性能與耐水性能。在固定總摻量的情況下，復(fù)摻的效果優(yōu)于單摻，而單摻納米SiO2的改性效果優(yōu)于納米Al2O3[56]。Saafi等[57]研究了含多壁碳納米管地聚物的性質(zhì)，結(jié)果表明：加入0.5%的多壁碳納米管可顯著提升地聚合物的彎曲強(qiáng)度、楊氏模量、彎曲韌性和斷裂性能。這是由于高長(zhǎng)徑比和高模量的多壁碳納米管促進(jìn)了載荷從地聚合物基體向納米管的轉(zhuǎn)移。因此，如果多壁碳納米管充分分散在基體中，會(huì)顯著提高地聚物的強(qiáng)度和剛度。

圖4 28 d的粉煤灰糊的SEI顯微照片F(xiàn)ig.4 SEI micrographs of fly ash pastes at 28 days

納米材料為改善地聚物機(jī)械性能和耐久性能提供了新的方法。地聚物與傳統(tǒng)水泥基材料一樣，大部分水化產(chǎn)物以及凝膠孔的尺寸都是納米級(jí)的，導(dǎo)致傳統(tǒng)的改性方式不能從根本上解決問題，而納米材料優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和更小的尺寸，使其能形成更致密的微觀結(jié)構(gòu)，有效控制裂縫的數(shù)量及擴(kuò)張，進(jìn)而降低漿體的孔隙率，提升地聚物的機(jī)械性能和耐久性。

2.5 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)地聚物的影響

毛明杰等[58]研究了養(yǎng)護(hù)條件對(duì)粉煤灰地聚物混凝土早期收縮性能的影響，結(jié)果表明，包裹養(yǎng)護(hù)的地聚物90 d收縮率小于干燥養(yǎng)護(hù)，這是因?yàn)楸∧じ艚^了試件內(nèi)部水分的流失；水中養(yǎng)護(hù)14 d齡期前發(fā)生了有害膨脹，之后呈現(xiàn)不同程度的收縮；包裹條件下養(yǎng)護(hù)28 d后微觀結(jié)構(gòu)更密實(shí)，且在7～28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率更顯著。Al-Majidi[59]發(fā)現(xiàn)初期的升溫養(yǎng)護(hù)和常溫養(yǎng)護(hù)相比，抗壓強(qiáng)度在早期有提高，但到28 d時(shí)兩種養(yǎng)護(hù)方式并沒引起強(qiáng)度差別。說明升溫養(yǎng)護(hù)只是加快了早期的反應(yīng)速率，并沒有導(dǎo)致新物質(zhì)的產(chǎn)生。Rovnaník[60]研究逐漸提高初期養(yǎng)護(hù)溫度的高嶺土基地聚物時(shí)發(fā)現(xiàn)，低溫養(yǎng)護(hù)的樣品密度更高，結(jié)構(gòu)緊湊且更加均勻，這是硬化太快和氣孔增多的緣故，造成了鋁硅酸鹽凝膠收縮和脫水。Heah[61]也用高嶺土基地聚物進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)升溫養(yǎng)護(hù)(60 ℃，24 h)與常溫養(yǎng)護(hù)相比，抗壓強(qiáng)度提高了近4 倍。原因是升溫作用下高嶺土更易被激發(fā)。Ye[62]對(duì)地聚物采用蒸壓的方式養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)前期的蒸壓促進(jìn)了地聚物的聚合，試件經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)要比常溫常壓養(yǎng)護(hù)的試件抗折強(qiáng)度更高，但到了后期抗折度下降十分明顯，這是由于蒸壓導(dǎo)致氣孔增多進(jìn)而引發(fā)密實(shí)度的下降和水分的流失，形成了更多的孔隙和裂縫。佟鈺等[63]探討了微波加熱工藝在地聚物砂漿快速養(yǎng)護(hù)工藝中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，經(jīng)過微波加熱，試件的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)得到快速增長(zhǎng)，10 min 左右微波處理就能擁有相同試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28 d的強(qiáng)度，但微波處理的時(shí)間太長(zhǎng)或者功率過大反而會(huì)引起試件力學(xué)強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。雖然目前關(guān)于地聚物的養(yǎng)護(hù)方式眾多，但具體選擇哪種養(yǎng)護(hù)方式則要結(jié)合硅鋁質(zhì)原料的特性和堿激發(fā)劑一起考慮。

3 地聚物的應(yīng)用

地聚物因其在制備過程中的低能耗和低碳排放量受到人們的青睞，目前在土木工程材料、快速修補(bǔ)材料、防護(hù)涂料、固化化學(xué)污染和放射性廢物等方面得到廣泛應(yīng)用，被看作是第三代水泥材料[64]。

3.1 土木工程材料

地聚物具有早期機(jī)械強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域，如地聚物混凝土路面和地聚物灌漿料[65]等。Hoy等[66]的研究證明了粉煤灰基地聚物作為建筑材料對(duì)再生瀝青路面的強(qiáng)度與耐久性具有增強(qiáng)作用。姬廣祥等[67]為解決無機(jī)防水堵漏材料在應(yīng)用中存在早期強(qiáng)度低、耐久性差等問題，制備了地聚物基防水堵漏材料，試驗(yàn)證明該材料的性能均符合緩凝型無機(jī)防水堵漏材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 修補(bǔ)材料

因?yàn)榈鼐畚锞哂性鐝?qiáng)快硬且與骨料的界面結(jié)合度高等優(yōu)點(diǎn)，在近年來同樣被用作修復(fù)材料。Phoo-ngernkham[68]的研究表明高鈣粉煤灰基地聚物砂漿比混凝土界面區(qū)更均勻，可以作為替代修補(bǔ)材料；Hu[69]研究了地聚物與砂漿基質(zhì)的粘結(jié)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)地聚物的粘結(jié)強(qiáng)度高于普通硅酸鹽水泥；除此之外，地聚物也經(jīng)常被用于道路搶修，特別是機(jī)場(chǎng)跑道等場(chǎng)所[70]。

3.3 防護(hù)涂料

鋼混結(jié)構(gòu)的表面常因風(fēng)化、高溫侵蝕、化學(xué)侵蝕、凍結(jié)而退化，地聚物具有耐火、耐高溫及抗侵蝕等性能，因而用作防護(hù)涂料廣泛使用。Aguirre等[71]的研究表明，地聚物可用作混凝土涂料，并表現(xiàn)出良好的性能；Zhang[72]研究了地聚物作為海洋混凝土防腐涂料的應(yīng)用，提升了海洋混凝土對(duì)氯鹽侵蝕的抵抗能力；Cheng[73]以顆粒化的高爐礦渣制備了耐火地聚物材料。在美國(guó)，地聚物制備的防火纖維層壓板已被用于飛行器內(nèi)倉和貨柜材料，經(jīng)評(píng)估，該材料可以達(dá)到一流的防火標(biāo)準(zhǔn)[74]。

3.4 固化污染物

地聚物技術(shù)同樣可以將大量的工業(yè)固體廢物合成為有用的新產(chǎn)品，防止其滲入地表水，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的；同時(shí)還能固定有毒金屬和核廢料。郭曉潞等[75]的研究表明可以將Pb2+、Cr3+、Cu2+等重金屬離子固定粉煤灰基地聚物中；張媛等[76]也指出粉煤灰基地聚物因其獨(dú)特的三維網(wǎng)狀的類沸石結(jié)構(gòu)而在固化重金屬離子及用于核廢液處理方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

3.5 其他用途

地聚物還具有良好的導(dǎo)電性和作為自感知材料的潛力[77-78]，可用在基礎(chǔ)設(shè)施中對(duì)一些潛在威脅進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)測(cè)。地聚物粘結(jié)劑具有比普通混凝土更高的加筋率，為3D打印材料的應(yīng)用開辟了道路。到目前為止，已經(jīng)有一些關(guān)于地聚物應(yīng)用于3D打印的研究報(bào)告。Liew[79]采用鋼索加固3D打印地聚物復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果表明其抗彎強(qiáng)度提高了290%。除此之外，地聚物還可以被用于生產(chǎn)高抗彎強(qiáng)度的陶瓷。

4 挑 戰(zhàn)

經(jīng)過近幾十年的研究和探索，地聚物的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，在多個(gè)領(lǐng)域中有較為廣泛的應(yīng)用。研究人員也通過不同的方式對(duì)地聚物改性，使其獲得更好的性能，既滿足工程建設(shè)的需求，又能促進(jìn)廢物利用，減少污染。盡管地聚物具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在其發(fā)展應(yīng)用過程中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

(1) 體積收縮率大。地聚物在干燥過程中因水分的損失會(huì)導(dǎo)致體積減小。體積的變化量是根據(jù)混合物的比例和材料的性質(zhì)或組成而變化。

(2) 養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。目前養(yǎng)護(hù)方式雖然很多，但都還有其局限性，尤其是升溫養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)難以制定，在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn)。

(3) 性能穩(wěn)定性。工業(yè)廢棄物成分復(fù)雜，性能欠缺穩(wěn)定性。隨著環(huán)境中溫濕度的變化，其結(jié)構(gòu)有可能轉(zhuǎn)變的更規(guī)整，其微觀應(yīng)力分布有待進(jìn)一步研究。

(4) 增韌手段。對(duì)于地聚物韌性差的缺陷目前有用纖維增韌的手段來改善，但合成纖維工藝復(fù)雜，天然纖維在堿性環(huán)境中又易降解，因此其增韌改性及機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

(5) 激發(fā)劑成本高。大規(guī)模制備地聚物必然會(huì)消耗大量的堿激發(fā)劑以及改性劑，堿的價(jià)格昂貴，一些改性劑如石墨烯也價(jià)格不菲，因此抬高了地聚物的造價(jià)。

(6) 標(biāo)準(zhǔn)化。國(guó)外對(duì)地聚物的研究較早，現(xiàn)已進(jìn)入了實(shí)用化階段，國(guó)內(nèi)則因?qū)Φ刭|(zhì)聚合物的研究起步較晚，還缺乏相應(yīng)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，目前還沒有大規(guī)模生產(chǎn)地質(zhì)聚物產(chǎn)品。新開發(fā)的產(chǎn)品必須符合國(guó)家和國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)要求的標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)入市場(chǎng)，同時(shí)市場(chǎng)應(yīng)建立地聚物相關(guān)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)體系。

5 結(jié)論與展望

地聚物來源廣泛，以各類工業(yè)廢棄物為原料，既大大提高了工業(yè)廢料的利用率，又改善了工業(yè)廢料大量堆存占用土地資源和污染環(huán)境的問題；同時(shí)在制備地聚物過程中能耗低，碳排放量小，具有可持續(xù)發(fā)展的潛力。當(dāng)前地聚物材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，展現(xiàn)出的性能令人們驚喜。相信隨著對(duì)地聚物性能影響機(jī)理的認(rèn)識(shí)越發(fā)清晰，今后必能獲得更好的改性方式并有效解決當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)地聚物在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。