地質聚合物強化增韌方法研究綜述

沙東, 王寶民, 潘寶峰*, 包超

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021；2.大連理工大學 建設工程學部，大連 116024）

地質聚合物是以硅鋁酸鹽材料為前驅體，在堿性激發(fā)劑作用下，前驅體溶解并釋放鋁酸鹽和硅酸鹽單體，隨后進行縮聚反應生成具有三維網(wǎng)狀凝膠體結構的膠凝材料[1-2]。與普通硅酸鹽水泥相比，地質聚合物不僅具有優(yōu)異的力學強度和耐久性，而且其生產(chǎn)過程中碳排放減少了53%～72%，具有低碳環(huán)保的特點[3-5]。此外，地質聚合物原材料來源廣泛，大多數(shù)硅鋁酸鹽源工業(yè)副產(chǎn)品均可當作地質聚合物原材料[6]?；谝陨蟽?yōu)點，地質聚合物被視為最具潛力替代普通硅酸鹽水泥的無機膠凝材料[7-8]。

目前地質聚合物還存在一定的缺陷，一方面，在室溫養(yǎng)護條件下，粉煤灰、煤矸石及煤制天然氣殘渣等低鈣煤系工業(yè)廢渣的地聚反應效果不佳，制備的地質聚合物早期強度較低[9]；另一方面，與硅酸鹽水泥相比，地質聚合物具有脆性高、韌性低等缺點，使該類膠凝材料難以達到實際工程使用要求[10]。為了緩解以上缺陷，各國學者結合地聚反應特點開展了地質聚合物強化增韌的相關研究。本文從機械力化學作用，硅、鋁、鈣物質復摻，纖維及有機物改性4個方面展開綜述。

1 機械力化學作用

機械力化學作用(機械力活化)是通過機械力的作用(沖擊、研磨、摩擦等)，降低材料顆粒粒徑，增加材料比表面積，提高原材料反應活性，從而增加地質聚合物力學強度[11-12]。

1.1 力學性能

受機械力化學作用后的硅鋁酸鹽材料制備的地質聚合物力學性能會有明顯改善。李娜等[13]研究發(fā)現(xiàn)，機械球磨2 h可以使粉煤灰粒徑降低32%，球磨后粉煤灰地質聚合物中凝膠體分布更加均勻、微觀結構更加致密，孔隙率較未球磨粉煤灰地質聚合物降低11.58%，試件抗壓強度增加9.5%。Sha等[14]發(fā)現(xiàn)機械球磨可以有效增加煤制氣殘渣比表面積和反應活性，使煤制氣殘渣地質聚合物強度得到改善。

1.2 作用機制

機械力化學作用對固體材料的活化效應主要包括以下3個方面[12,15]：

(1)物理效應：降低固體顆粒粒徑大小，增加其比表面積[14]；使顆粒中玻璃體物質解體，釋放活性較高的玻璃微珠，增加原材料反應活性[16]；對固體顆粒表面進行改性，使顆粒表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，增多表面活性位[16]；增加固體顆粒表面自由能[17]；

(2)結晶狀態(tài)：破壞晶體結構，使材料中晶體物質晶格變小，產(chǎn)生晶格錯位及晶格缺陷等[18]；使晶體物質結構無序性增加、穩(wěn)定性降低，促進晶體向非晶態(tài)轉化[19]；

(3)化學變化：促使固體粉末中部分高聚合態(tài)物質(Si-O-Si、Al-O-Si)向低聚合態(tài)物質和單體結構(活性硅、鋁單體)轉化[20]。如圖1所示[21]，為不同機械力化學作用的粉煤灰在堿性環(huán)境下Al、Si的溶出量(圖中RCFA、CFA8、CFA23分別代表粉煤灰原灰、機械球磨8 min和23 min的粉煤灰)，隨著機械力作用時間增加，粉煤灰中Al、Si溶出量逐漸增多，而粉煤灰的反應活性主要取決于其活性Al、Si的含量，因此機械球磨有助于提升粉煤灰的反應活性；具有破鍵作用，對硅氧和鋁氧四面體等結構造成破壞，使其結構穩(wěn)定性降低，反應活性增加[22]；促進材料中羥基的遷移，使其與無定形SiO2結合形成Si-OH結構存在于玻璃體中[23]；增加材料的熱學活性，降低熱反應閾值[12]；改變材料顆粒表面電性[24]。

圖1 不同機械力化學作用下粉煤灰在堿性環(huán)境下Al、Si的溶出量[21]Fig.1 Dissolution amount of Al and Si of fly ash under different mechanochemical effects in alkaline environment[21]

此外，Kato等[25]發(fā)現(xiàn)機械球磨是研磨作用和活化作用的雙重效應。研磨作用使顆粒形貌和粒徑發(fā)生變化；而活化作用可以增加顆粒中非晶體物質數(shù)量。在短的球磨時間內(nèi)，研磨作用是導致原材料溶解量增加的主要因素；而隨著球磨時間的增加，活化作用將占主導作用。此外，球磨時間不宜過長，過長時間的機械球磨會使顆粒處于亞穩(wěn)的高能狀態(tài)，在分子力的作用下，顆粒會發(fā)生團簇。因此，球磨時間的選取對機械力化學作用的活化效果有重要影響。

2 鋁、硅、鈣物質改性

地質聚合物是由硅氧四面體和鋁氧四面體相互交聯(lián)、并結合一定數(shù)量堿金屬陽離子形成的呈三維網(wǎng)狀結構的無機聚合物。從元素組成來看，Si、Al及堿金屬陽離子是影響地質聚合物合成的主要成分。因此通過在反應活性較低的材料中復摻富含Si、Al及部分堿金屬陽離子的活性粉末是克服因原材料反應活性低而導致地質聚合物力學性能較差的有效途徑。

2.1 鋁物質

2.1.1 力學性能

富鋁物質的摻入可以增加反應體系中活性鋁的數(shù)量，有助于地聚反應的進行。Tchakoute Kouamo等[26]發(fā)現(xiàn)摻入氧化鋁可以提升偏高嶺土和火山灰基地質聚合物力學性能，當氧化鋁摻量為20wt%和40wt%時，偏高嶺土和火山灰基地聚合物28天抗壓強度分別提高18.1%和32.4%。Ren等[27]發(fā)現(xiàn)隨著鋁渣的摻入，銅尾礦基地質聚合物抗壓強度逐漸增加，當鋁渣摻量為20wt%時，銅尾礦基地質聚合物7天抗壓強度增加57.2%。García-Lodeiro等[28]研究發(fā)現(xiàn)鋁酸鈉的摻入有助于膨潤土基地質聚合物抗壓強度的提升，當鋁酸鈉摻量為10wt%時，地質聚合物抗壓強度超過30 MPa。

2.1.2 作用機制

在堿性溶液中，富鋁物質中鋁會被溶出并生成[Al(OH)4]–單體，為地聚反應提供更多反應前驅物；而且在地聚反應中，[Al(OH)4]-參與的反應會優(yōu)先進行，從而有效推進地聚反應的發(fā)生[29-30]。此外，摻入富鋁材料有助于地聚反應中低活性物質的非晶化轉化，形成以-SiO4-AlO4-為基礎的三維空間網(wǎng)絡結構[31]。鋁源物質摻量不宜過大。一方面，過高鋁含量會導致反應體系中形成鋁八面體結構，而該類結構不能被納入地質聚合物三維網(wǎng)狀結構中，這會對地質聚合物強度產(chǎn)生影響；另一方面，鋁含量過高會使反應體系硅鋁比降低，影響地質聚合物凝膠合成，而且部分鋁不能參加反應而剩余在溶液中，致使試樣強度偏低[32]。

2.2 硅物質

2.2.1 力學性能

目前最常用硅源補足物為硅灰和廢玻璃。Uysal等[33]發(fā)現(xiàn)摻入硅灰可以使偏高嶺土地質聚合物抗折和抗壓強度分別增加29.44%和11.48%。Kim等[34]發(fā)現(xiàn)摻入硅灰有助于提升原材料反應活性，使地質聚合物力學性能得到增強。Zhang等[35]研究發(fā)現(xiàn)，隨著廢玻璃粉殘渣摻量增加，粉煤灰基地質聚合物強度呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，當廢玻璃粉殘渣摻量為30wt%時，地質聚合物抗壓強度提高35%。Samarakoon等[36]發(fā)現(xiàn)在粉煤灰-礦渣堿激發(fā)體系摻入廢玻璃粉，試件28天和56天抗壓和抗拉強度均有明顯增加。

2.2.2 作用機制

摻入富硅物質可以有效增加地聚反應中活性硅的數(shù)量，改變反應體系Si/Al，使反應產(chǎn)物中凝膠產(chǎn)量增多、微觀結構更密實[33]。適量硅灰的摻入有助于地質聚合物孔徑細化和膏體-顆粒界面過渡區(qū)致密化[37]。玻璃是一種無定形固體物質，具有潛在的火山灰活性，在堿性溶液的作用下，OH-離子攻擊Si-Si鍵，導致玻璃產(chǎn)生溶解，為地聚反應發(fā)生提供反應前驅物[38]。在早期反應階段，玻璃中較高的堿含量有利于前體溶解和水化，進一步促使地聚反應進行[39]。此外，Zhang等[35]和Si等[40]發(fā)現(xiàn)摻入廢玻璃粉不僅可以增加地聚反應初始硅鋁比和Si-O-Si鍵數(shù)量，而且可以有效提高原材料中硅和鈣溶解度，促進凝膠形成，增加凝膠網(wǎng)絡聚合度。硅源物質摻量不宜過大，當硅源物質摻量過多時，不僅會導致反應體系中鋁量的不足，影響硅鋁酸鹽凝膠合成；而且還會影響激發(fā)劑堿度[41]。例如Cheah等[37]發(fā)現(xiàn)，過量的硅灰將阻礙地質聚合過程，導致試件強度下降。

2.3 鈣物質

摻入硅、鋁物質可以優(yōu)化地質聚合物力學性能，但并沒有改變其膠凝體組分及三維網(wǎng)狀結構。而引入鈣離子會使地質聚合物凝膠體系由“Me2OMe2O3-SiO2-H2O”轉變?yōu)椤癕e2O-MeO-Me2O3-SiO2-H2O”，從而進一步對地質聚合物結構和性能產(chǎn)生影響[42]。

2.3.1 力學性能

目前常用鈣源外加材料有高爐礦渣、熟石灰、電石渣、氧化鈣、高鈣草木灰及各類鈣含量較高的水泥等。Mehta等[43]發(fā)現(xiàn)礦渣對粉煤灰地質聚合物混凝土抗壓強度影響十分明顯，當?shù)V渣摻量為20wt%時，地質聚合物混凝土90天抗壓強度可達65 MPa。Lyu等[44]發(fā)現(xiàn)增加礦渣含量和降低硅酸鹽模量可以提高礦渣-粉煤灰地質聚合物斷裂強度、抗壓強度和拉伸強度。Abdollahnejad等[45]發(fā)現(xiàn)石灰可以有效改善粉煤灰地質聚合物抗壓強度，當石灰摻量為20wt%時，地質聚合物28天抗壓強度提高約60%。Hanjitsuwan等[46]發(fā)現(xiàn)在煤底灰中摻入電石渣和硅酸鹽水泥均有助于地質聚合物抗壓強度提升，當電石渣和硅酸鹽水泥摻量為30wt%時，地質聚合物28天抗壓強度分別提高96.6%和137.9%。

2.3.2 作用機制

(1) 摻入鈣源物質有助于反應過程中凝膠體數(shù)量增多，微觀結構更加密實。在堿性溶液作用下，摻入富鈣物質的反應體系中活性鈣含量增加，鈣離子會與Si(OH)4、Al(OH)4–等單體物結合生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)凝膠，使凝膠體數(shù)量增多[47]。此外，水化硅鋁酸鈉(N-AS-H)與水化硅(鋁)酸鈣(C-(A)-S-H)凝膠可以相互填充，使結構更加致密[48]。圖2為富鈣物質(硅酸鹽水泥)摻入后，粉煤灰基地質聚合物體系凝膠產(chǎn)物CaO-Al2O3-SiO2三元相圖[49]。由圖可知，在堿激發(fā)粉煤灰(FA)/水泥(OPC)體系中，當鈣含量較低時，水化產(chǎn)物主要以N-A-S-H、水化硅鋁酸鈉、鈣((N, C)-A-S-H)凝膠為主；而當鈣含量較高時，水化產(chǎn)物主要為C-(A)-S-H凝膠。由此可見，鈣源物質的引入會對凝膠體的結構產(chǎn)生影響。

圖2 堿激發(fā)粉煤灰/水泥體系凝膠產(chǎn)物CaO-Al2O3-SiO2三元相圖[49]Fig.2 Ternary phase diagram of gels projected onto CaO-Al2O3-SiO2 in alkali-excited fly ash/cement system[49]

(2) 摻入鈣源物質有助于原材料溶解及地聚反應發(fā)生。富鈣物質與水反應產(chǎn)生氧化鈣的反應在室溫條件下屬于放熱反應，該放熱過程中產(chǎn)生的熱量可以加快原材料溶解速率和地聚反應速度[50-51]。

(3) 摻入鈣源物質對地質聚合物凝結速率和早期強度有明顯改善。在摻入鈣源物質的地聚反應體系中，原材料在堿性溶液作用下開始溶解，存在于原材料中Si-O-Si鍵、Si-O-Al鍵及Ca-O鍵在OH-的作用下發(fā)生斷裂，從而進一步發(fā)生反應。由于各化學鍵鍵能大小不同，Ca-O鍵能最低、Al-O鍵次之、Si-O鍵能最大。因此，Ca2+會首先釋放出來，形成鈣系凝膠體[52]。此外，鈣源物質中鈣的反應活性會因其存在形式的不同而有很大差異。例如，礦渣與高鈣粉煤灰，鈣含量與玻璃態(tài)硅鋁酸鹽含量相近，但在地聚反應中二者的反應活性卻不同，尤其在室溫條件下，礦渣的反應活性明顯優(yōu)于高鈣粉煤灰。當鈣源物質摻量過多時會使地質聚合物力學性能降低。這是由于過多鈣源物質摻入時會導致反應中存在大量游離鈣，游離鈣會生成氫氧化鈣，該物質不僅會降低反應體系pH值、阻礙地聚反應進行和試件強度發(fā)展，而且過多氫氧化鈣會引入氣泡導致試件密實度下降[53]。

3 纖維改性

由于脆性高、韌性低等缺點，地質聚合物通常表現(xiàn)出較差的抗拉強度和抗彎強度，很容易導致災難性的失效，這也是目前限制該類材料大面積應用推廣的主要原因之一[54]。為此，國內(nèi)外不少學者采用纖維等增強相材料對其進行強化增韌。

3.1 力學性能

纖維按生產(chǎn)方式可分為天然纖維和合成纖維兩類。Korniejenko等[55]表明，適當添加棉花、劍麻、椰子樹等天然纖維可以提高粉煤灰地質聚合物抗壓強度、改善其彎曲性能。此外，菠蘿葉、亞麻、高粱等天然纖維對粉煤灰、礦渣、建筑垃圾和尾礦地質聚合物均具有較好強化增韌效果，而且纖維種類、尺寸、摻量和前處理方式等因素對合成材料性能有不同影響[56]。但部分天然纖維存在一定缺陷。例如，天然纖維中木質素半纖維素化合物產(chǎn)生的極化羥基含量較高，這會導致膠凝材料吸水性較差、尺寸穩(wěn)定性較低[57]。

?z等[58]發(fā)現(xiàn)摻入聚乙烯醇纖維可以增加地質聚合物韌性，當聚乙烯醇纖維為0.25vol%時，纖維在基體中會產(chǎn)生微聚效應，使材料孔隙率降低。El-Hassan等[59]表明摻入鋼纖維可以增加礦渣-粉煤灰基地質聚合物中裂縫擴展和橋接微裂縫的能量需求，延遲了斷裂過程，使材料拉伸劈裂強度和彎曲強度分別提高31%和25%。Choi等[60]發(fā)現(xiàn)聚乙烯纖維可以有效改善地質聚合物拉伸特性和斷裂韌性并控制裂紋發(fā)展。Xu等[61]發(fā)現(xiàn)添加0.6%的玄武巖纖維，地質聚合物28天抗壓、抗折和抗拉強度分別提高59.43%、85.20%和121.74%。

3.2 作用機制

纖維等增強相主要作用是減少材料基體中裂紋的出現(xiàn)和增長及限制分子鏈運動[62]。纖維可以通過脫粘、斷裂、拔出、裂紋橋連及裂紋轉向等行為將斷裂能分散和消耗，緩解膠凝材料基體中的應力集中，防止裂紋擴展和基體開裂，進而對地質聚合物產(chǎn)生強化增韌效果[63-65]，纖維作用機制如圖3所示[66]。與未摻入纖維的地質聚合物相比，摻入纖維地質聚合物在破壞時表現(xiàn)出穩(wěn)定的撓曲-硬化響應，而不是傳統(tǒng)地質聚合物的脆性破壞，這表明摻入纖維可以提高地質聚合物能量吸收能力、增強其韌性，使其破壞模式從脆性失效模式轉換成更具延展性的失效模式[67]。此外，纖維的物理特性、組成、幾何形狀、表面紋理、長細比及分散程度等因素的不同，均會對地質聚合物的強化增韌造成不同影響。Yu等[64]發(fā)現(xiàn)部分纖維對地質聚合物基體表現(xiàn)出很強的物理附著力，這有助于增強材料力學性能；Xu等[61]發(fā)現(xiàn)摻入纖維有利于形成額外的凝膠，為地質聚合物提供更好的粘合和摩擦應力傳遞路徑，使地質聚合物能量吸收能力得到提升；Gu等[68]發(fā)現(xiàn)部分纖維表面溝壑可以為地質聚合物凝膠和C-S-H凝膠水化反應提供成核點，加速原料中活性Si(OH)4和[Al(OH)4]-溶出，促進地質聚合凝膠和C-S-H凝膠生成。

圖3 纖維強化增韌機制[66]Fig.3 Reinforcing and toughening mechanisms of fibers[66]

4 有機物改性

4.1 力學性能

在地聚反應中加入有機物可以將有機物官能團與地質聚合物三維網(wǎng)結構相結合，從而改變地質聚合物性能[69]。Singla等[70]表明無機-有機物的相互作用可以顯著改善地質聚合物力學性能，摻入20wt%環(huán)氧樹脂后，偏高嶺土基地質聚合物抗壓和抗折強度分別提高150.5%和107.7%。Lu等[71]發(fā)現(xiàn)摻入5wt%叔丁醇鈉，地質聚合物28天抗壓強度增加2倍。Chen等[72]發(fā)現(xiàn)摻入聚乙二醇、聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉可以增加礦渣基地聚合物抗折強度、抗壓強度和抗折韌性。Qin等[73]發(fā)現(xiàn)摻入1.0wt%的殼聚糖可以使偏高嶺土地質聚合物28天抗折強度、抗折韌性系數(shù)分別增加33.3%和83.63%。

4.2 作用機制

(1)提高反應速率，促進凝膠體產(chǎn)生。摻入部分有機物可以提高地聚反應速率。Khater等[74]和Catauro等[75]研究表明摻入聚乙二醇單體可以增加偏高嶺土地質聚合物反應速率和N-A-S-H凝膠數(shù)量，而且乙二醇可以結合無機材料的微晶并安排其方向，形成具有優(yōu)良性能的復合膠凝材料。苯丙乳液可以通過降低反應體系Zeta電位增加地聚反應速率[63]。

(2)生成網(wǎng)絡結構，增強材料韌性。摻入有機物有助于在材料基體中形成相互連接的網(wǎng)絡結構薄膜，該薄膜與地質聚合物相互滲透，增強材料密實度和韌性[76]。Roviello等[77]發(fā)現(xiàn)以低聚二甲基硅氧烷和粉煤灰制備地質聚合物中，粉煤灰地質聚合物縮聚反應和硅氧烷單元聚合反應同時發(fā)生，二者反應產(chǎn)物相互結合，形成有機物和無機物交聯(lián)的網(wǎng)絡結構，使地質聚合物具有更好的力學性能。Qin等[73]和Lu等[71]發(fā)現(xiàn)殼聚糖中的-CONH2和叔丁醇水解后的C-OH可以在地聚反應中與-OH結合形成Si-O-C鍵，降低SiO4四面體聚合度，形成更復雜的三維網(wǎng)絡結構。Zhang等[78]發(fā)現(xiàn)摻入硅烷偶聯(lián)劑有助于地質聚合物凝膠中硅醇基和硅鋁酸鹽低聚物之間Si-O-Al和Si-O-Si鍵增加，從而在微觀結構中形成相互交聯(lián)網(wǎng)絡，使地質聚合物性能得到改善。圖4為摻入聚丙烯酸酯后偏高嶺土基地質聚合物介觀結構[76]?？梢钥闯?，摻入聚丙烯酸酯后，有機物與地質聚合物相互滲透、填充，形成交聯(lián)網(wǎng)絡，無機-有機物的相互作用有助于地質聚合物力學性能(尤其是彎曲韌性)的提升。

圖4 聚丙烯酸酯改性偏高嶺土基地質聚合物介觀結構[76]Fig.4 Mesoscopic structures of metakaolin-based geopolymers modified by polyacrylate[76]

(3)增加界面連結，增強粘結力。Wang等[69]發(fā)現(xiàn)摻入殼聚糖有助于地聚反應中陽離子與陰離子相結合，二者結合產(chǎn)生的黏附力使地質聚合物結構更加緊密。Colangelo等[79]發(fā)現(xiàn)摻入有機環(huán)氧樹脂可以為偏高嶺土基地質聚合物提供更有凝聚力的微結構，減少微裂縫數(shù)量，優(yōu)化集料與漿體之間的界面過渡區(qū)，使地質聚合物呈現(xiàn)出更好的抗壓強度和韌性。Zhang等[78]發(fā)現(xiàn)水性固化劑、環(huán)氧樹脂、地質聚合物凝膠和自由水之間形成的氫鍵可以增強水性環(huán)氧樹脂和偏高嶺土之間相容性，提高其黏附強度。

(4)填料效應，降低裂縫產(chǎn)生和發(fā)展。摻入有機物后，附著在地質聚合物表面的有機物可以對材料孔隙進行填充[80]。Chen等[72,76]研究表明，聚乙二醇、聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉的摻入會對反應產(chǎn)物起到較好的填充作用，使地質聚合物中大毛細孔比例明顯減少。Qin等[73]發(fā)現(xiàn)殼聚糖顆?？梢蕴畛淦邘X土地質聚合物內(nèi)部孔隙，提高地質聚合物的致密性。圖5所示為分別摻入聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酰胺(PAM)和聚丙烯酸鈉(PAAS)后的地質聚合物孔徑分布圖[72]。由圖可知，在未摻入有機物的地質聚合物中存在部分孔徑大于1 μm的多害孔；而摻入有機物后，地質聚合物的孔隙孔徑明顯減小，這表明摻入有機物可以有效改善地質聚合物孔隙率。此外，適當?shù)奶嵘袡C物含量有助于降低基體中孔徑的大小。

圖5 有機物的種類和含量對試件孔徑分布的影響[72]Fig.5 Effects of the type and content of organic matter on the pore size distribution of specimens[72]

(5)增強材料保水性，持續(xù)進行反應。苯丙乳液、乙二醇、聚乙烯醇等有機聚合物具有較好的蓄水性和內(nèi)聚力，將其摻入到地質聚合物中可以有效增加地質聚合物的保水性，有助于地聚反應的持續(xù)發(fā)生[63,74,81]。此外，水溶性有機物可以利用自身的極性基團與水分子結合形成氫鍵以此來抑制水分子的流失，降低地質聚合物中裂紋和孔隙數(shù)量。

5 結論與展望

(1)機械力化學作用是集物理效應、晶態(tài)轉變及化學變化三者為一體的復合過程，是提高粉煤灰、煤矸石等原材料反應活性進而提升地質聚合物力學性能的有效途徑。機械力作用時間是影響機械力化學作用的主要因素之一。當作用時間太短時，固體顆粒不能得到很好的活化；而當作用時間過長時，會使細小顆粒之間產(chǎn)生團簇。因此，需深入探究不同時間機械力化學作用對原材料粒徑、表觀形貌、內(nèi)部晶體物質、玻璃相及化學鍵的影響，建立機械力化學作用與原材料反應活性之間的聯(lián)系，確立原材料機械力化學作用機制。此外，探究機械力化學作用、熱活化及化學激發(fā)等多種方式對硅鋁酸鹽前驅物的協(xié)同活化效應，對提升地質聚合物力學性能也有重要意義。

(2)在地聚反應中，摻入富含硅、鋁、鈣活性物質可以有效促進原材料溶解，增加反應前驅物數(shù)量，改善反應體系Si/Al，優(yōu)化凝膠體結構，增加凝膠體數(shù)量，生成更加密實的微觀結構，從而提升地質聚合物性能。但目前該方面(力學強度提升及反應機制分析)的研究主要是以定性分析為主，定量分析研究有限。若能探明地聚反應中不同組分與反應生成物之間的量化關系及影響規(guī)律，并輔以分子動力學模擬，建立相關的反應模型與調控機制，將會更好地揭示富含硅、鋁、鈣等活性物質對地質聚合物強化增韌的作用機制，為地質聚合物特定目標性能的調控提供理論指導。

(3)添加纖維可以抑制裂紋擴展，提高地質聚合物韌性、抗彎強度、劈裂強度和延性承載能力。但摻入纖維會增加新拌漿體流動的剪切阻力，導致漿體流動性降低，而且纖維需要借助輔助手段才可以實現(xiàn)其在材料基體中的均勻擴散。因此有必要進一步開發(fā)適合纖維與新拌漿體流變特性的有效分散手段和分散機制。此外，纖維種類繁多，特性各異，需對不同纖維與地質聚合物基體的相容性進行深入探究，根據(jù)不同纖維特性及對地質聚合物產(chǎn)生特定作用所需的功能進行歸類，從而為纖維在地質聚合物中大規(guī)模的應用提供理論與技術指導。

(4)有機物可以通過促進反應效率、成膜、粘結、填充及蓄水等作用實現(xiàn)地質聚合物強化增韌。但目前關于復摻有機物對地質聚合物長期力學性能及耐久性等方面的研究較少，而且有機物對地聚反應中各種離子與單體的平衡關系及硅、鋁單體聚合反應動力學等方面的影響還有待深入研究。此外，在受外部荷載(例如力與溫度)作用下，有機物產(chǎn)生的力學響應、結構演化及其對地質聚合物力學性能的影響還有待研究，有必要建立強化增韌效果明顯、耐久性更優(yōu)的有機物改性地質聚合物的控制理論與設計方法。