地聚合物

最為廣泛接受的的是法國(guó)J.Davidovits提出的解聚和縮聚的理論。他認(rèn)為地聚物材料的凝結(jié)硬化過(guò)程就是原材料中硅氧鍵和鋁氧鍵在堿性催化劑作用下斷裂后再重組的反應(yīng)過(guò)程。

J.Davidovits在研究中假設(shè)鋁硅酸鹽地聚合過(guò)程是通過(guò)一些假設(shè)基團(tuán)逐步發(fā)生縮聚過(guò)程，這些假設(shè)的組成單元進(jìn)一步縮聚形成三維大分子結(jié)構(gòu)。他將這些低相對(duì)分子質(zhì)量單元（單體、二聚體、三聚體等）稱為低聚物。低聚硅鋁酸鹽指的是單體正硅鋁酸鹽、二聚體二硅鋁酸鹽等；類似的，也有低聚硅鋁酸鹽—硅氧體和低聚硅鋁酸鹽—二硅氧體。

J.Davidovits提出地聚合物的反應(yīng)可以如下表述：

（1）鋁硅酸鹽原料在堿性溶液( NaOH, KOH) 中的溶解。

（2）溶解的鋁硅配合物由固體顆粒表面向顆粒間隙的擴(kuò)散。

（3）凝膠相M {一(SiO2)z—AlO2}n·wH2O的形成, 導(dǎo)致在堿硅酸鹽溶液和鋁硅配合物之間發(fā)生聚合作用;。

（4）凝膠相逐漸排除剩余的水分, 固結(jié)硬化成礦物聚合材料塊體 。

對(duì)于不同原料成分、不同用途的地聚合物材料，其具體反應(yīng)機(jī)理不完全相同，但骨干反應(yīng)為上述過(guò)程。

地聚合物高強(qiáng)、耐高溫

地聚合物本身是個(gè)氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，在1000℃一1200℃之間不氧化、不分解；另一方面，密實(shí)的氧化物網(wǎng)絡(luò)體系可以隔絕空氣、保護(hù)內(nèi)部物質(zhì)不被氧化。經(jīng)復(fù)合改性后．材料的抗壓、抗拉、抗彎曲強(qiáng)度都是普通水泥基材的10倍以上，同時(shí)高溫性能好、不燃、隔熱、保溫（導(dǎo)熱系數(shù)：0.24~0.38W/m·k）、沒(méi)有毒性氣體釋放。所以可以用來(lái)替代金屬、陶瓷和水泥應(yīng)用于航天、航空、土木工程、鑄造、裝飾 等領(lǐng)域。

地聚合物耐久性優(yōu)良

地聚合物的優(yōu)良性能一方面源于其穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，另一方面是因?yàn)榭梢酝瓿杀苊馄胀ㄋ嘁蚪饘匐x子遷移與骨料反應(yīng)而引起的堿集料反應(yīng)，沒(méi)有膨脹(普通硅酸鹽水泥混凝土在200天后因堿集料反應(yīng)而膨脹1.5mm/m，是極大的安全隱患)，因而經(jīng)受自然破壞的能力很強(qiáng)。J.Davidovits在對(duì)羅馬古競(jìng)技場(chǎng)、希臘古Cister混凝土墻、埃及古金字塔等考察后，發(fā)現(xiàn)這些古建筑物材料具有“類沸石”結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為這是那些古建筑能夠屹立千年的主要原因。

地聚合物功能多樣性

硅元素存在穩(wěn)定的 4價(jià)態(tài)，因此地聚合物材料中的硅氧四面體顯電中性；鋁氧四面體中的鋁元素是 3價(jià)態(tài)，但卻與四個(gè)氧原子結(jié)合成鍵，因此鋁氧四面體顯電負(fù)性，需要吸收體系中的正離子來(lái)平衡電荷，總的結(jié)果使體系顯電中性。鋁離子的這一行為以及地聚合物材料本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得該種材料具備多種功能特性。

固定金屬離子

地聚合物的結(jié)構(gòu)是由環(huán)狀分子鏈構(gòu)成的“類晶體”結(jié)構(gòu)。環(huán)狀分子之間結(jié)合形成密閉的空腔(籠狀)，可以把金屬離子和其他毒性物質(zhì)分割包圍在空腔內(nèi)；同時(shí)骨架中的鋁離子也能吸附金屬離子；Mallow認(rèn)為金屬離子還參與了地聚合物結(jié)構(gòu)的形成，因此可以更有效地固定體系中的金屬離子。J.Davidovits的研究表明，地聚合物基質(zhì)對(duì)Hg、As、Fe、Mn、Ar、Co、Pb的固定率大于或等于90% 。另外網(wǎng)絡(luò)骨架即使是在核輻射作用下，仍比較穩(wěn)定。利用這一特點(diǎn)，可將其應(yīng)用于有毒廢料處理、核廢料處理 、催化、吸附等領(lǐng)域。

快凝

地聚反應(yīng)過(guò)程中，溶膠的形成和脫水反應(yīng)速度比較快，網(wǎng)絡(luò)骨架比較容易形成，另外微波、加熱、干燥對(duì)反應(yīng)都有促進(jìn)作用。 因此可快速制得高強(qiáng)度制品。應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、道路、橋梁和軍事設(shè)施的快速修建與修復(fù)等。

耐酸

地聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中Si—O和Al—O在室溫下較難與酸(HF酸除外)反應(yīng)， 可以用其制造耐酸材料。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比：把波特蘭水泥和地聚合物材料浸漬于硫酸(pH=0)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)60天后，水泥重量損失63%，而地聚合物僅失重3%。

低污染

地聚反應(yīng)過(guò)程是由鋁硅酸之間的脫水反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)在強(qiáng)堿性條件下是可逆的；另一方面，原料變成產(chǎn)物，除了脫水外沒(méi)有損失其他的物質(zhì)。所以，地聚合物廢料經(jīng)粉碎后，應(yīng)該可以直接當(dāng)作原料再來(lái)制各地聚合物材料，這樣就節(jié)省了大量的原材料、能源并減少對(duì)環(huán)境的污染。2100433B

人們對(duì)地聚物學(xué)科的研究源自于科學(xué)家們對(duì)水泥硬化機(jī)理研究的成果。20世紀(jì)30年代，美國(guó)的Purdon 在研究了波特蘭水泥(普通硅酸鹽水泥)的硬化機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，少量的NaOH在水泥硬化過(guò)程中可以起催化劑的作用，使得水泥中的硅、鋁化合物比較容易溶解而形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉，再進(jìn)一步與Ca(OH)2，反應(yīng)形成硅酸鈣和鋁酸鈣礦物，使水泥硬化并且重新生成NaOH再催化下一輪反應(yīng)，因此他提出了所謂的“堿激活”理論。

前蘇聯(lián)投入了大量的人力、物力對(duì)堿激活材料進(jìn)行了大量的、系統(tǒng)的研究。他們發(fā)現(xiàn)除了氫氧化鈉以外，堿金屬的氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、氟化物、硅酸鹽和鋁硅酸鹽等都可以作為反應(yīng)的激活劑 ，較大程度地豐富了堿激活劑的種類，并于60年代就把這種“新型”膠凝材料應(yīng)用于建筑工業(yè)，同時(shí)提出了“堿液反應(yīng)機(jī)理”；到了1972年，法國(guó)的Davidovits教授申請(qǐng)了地聚合物歷史上的第一篇關(guān)于用高嶺土通過(guò)堿激活反應(yīng)制備建筑板材的專利。

隨后J.Davidovits開(kāi)始對(duì)地聚合物材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的研究，并于隨后幾年里申請(qǐng)了大量的專利。他以硅鋁比(Si/Al)為依據(jù)，將地聚物材料的結(jié)構(gòu)大致分為三類：PS(Si/Al=1)、PSS(Si/Al=2)和PSDS(Si/Al=3)。1987年，賓州大學(xué)的Della.M.Roy教授，以水泥為對(duì)比，詳細(xì)闡述了化學(xué)堿合陶瓷(堿激活聚鋁硅酸鹽材料)的優(yōu)異性能 ，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了樂(lè)觀的預(yù)測(cè)，進(jìn)一步提高了各國(guó)爭(zhēng)相研究地聚合物材料的熱情。世界上有許多專門研究機(jī)構(gòu)如法國(guó)的“GeopolymerInstitute”和美國(guó)的“WaterwaysExperimentStation”等和許多其他科學(xué)家們”“在致力于地聚物材料的研究工作，國(guó)內(nèi)外有關(guān)地聚物科學(xué)的理論和應(yīng)用研究成果正在快速增長(zhǎng)。

水泥生產(chǎn)具有嚴(yán)重的高耗能和高污染問(wèn)題，另外我國(guó)每年產(chǎn)生大量工業(yè)廢渣得不到充分利用。利用工業(yè)廢渣赤泥制備地聚合物材料部分替代水泥，對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)能源緊缺和環(huán)境污染比較嚴(yán)重的國(guó)家具有重要意義。本項(xiàng)目以制備性能優(yōu)良的赤泥地聚合物材料為目標(biāo)，通過(guò)研究材料組成對(duì)赤泥地聚合物材料物理力學(xué)性能的影響，剖析鋁硅酸鹽聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程與材料力學(xué)性能發(fā)展之間的關(guān)系，探索赤泥地聚合物材料結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的基本原理和方法，建立地聚合物強(qiáng)度發(fā)展的定量預(yù)測(cè)模型。在上述研究的基礎(chǔ)上，利用人工氣候的加速試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)赤泥地聚合物基鋼筋混凝土的加速老化；分析赤泥地聚合物混凝土原材料配合比、赤泥的用量、礦物摻合料的品種和用量、堿激發(fā)劑溶液濃度與比例等對(duì)赤泥地聚合物混凝土碳化、氯離子傳輸和鋼筋銹蝕速率的影響，分別建立赤泥地聚合物混凝土的碳化、氯離子傳輸和鋼筋銹蝕的速率預(yù)計(jì)模型，為赤泥地聚合物基鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

地聚合物是一類以無(wú)機(jī)[SiO4]、[AlO4]四面體為主要骨架，由離子鍵、共價(jià)鍵鍵合而成的無(wú)機(jī)硅鋁酸鹽。地聚合物具有絕熱、耐燃、高強(qiáng)度、抗酸堿腐蝕、生產(chǎn)能耗低等特點(diǎn)。由于其原材料來(lái)源廣泛、制備方便、能耗小、基本不排放 CO2，因此工程應(yīng)用前景非常廣泛。本項(xiàng)目以堿激發(fā)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)燒結(jié)法赤泥的物理、化學(xué)性質(zhì)分析，研究赤泥活性激發(fā)的有效措施，制備出高強(qiáng)、高赤泥摻量、良好的施工性能、高耐久性的堿激發(fā)赤泥基地聚合物膠凝材料。并通過(guò)微觀檢測(cè)方法分析了赤泥地聚合物膠凝材料的水化硬化過(guò)程，研究了堿激發(fā)赤泥基膠凝材料的微觀結(jié)構(gòu)、基體相的物相組成和結(jié)構(gòu)對(duì)材料物理力學(xué)性能的影響。在上述研究的基礎(chǔ)上，利用人工氣候的加速試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)赤泥地聚合物基鋼筋混凝土的加速老化；分析赤泥的用量、堿激發(fā)劑種類、溶液濃度與比例等對(duì)赤泥地聚合物混凝土抗?jié)B、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕、氯離子傳輸和鋼筋銹蝕速率的影響。本項(xiàng)目的研究成果將為赤泥地聚合物基鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)計(jì)奠定基礎(chǔ)。本項(xiàng)目共發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文28篇，其中SCI收錄論文8篇， EI收錄11篇；參加國(guó)際會(huì)議2次，發(fā)表會(huì)議論文2篇；獲得國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)、實(shí)用新型專利1項(xiàng)，申請(qǐng)受理發(fā)明專利3項(xiàng)。 2100433B

本書針對(duì)在役黃土公路隧道結(jié)構(gòu)病害問(wèn)題，在總結(jié)已有黃土公路隧道相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究黃土圍巖浸水惡化后隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能演化特征和劣化機(jī)理，并選取適用于圍巖浸水惡化情況下黃土隧道襯砌結(jié)構(gòu)的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立相應(yīng)的隧道健康評(píng)級(jí)體系。同時(shí)，選取適用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)的地聚合物膠凝材料的最佳配合比，并研究地聚合物膠凝材料在兩種狀態(tài)下的黏結(jié)性能和修補(bǔ)效果，論證了地聚合物膠凝材料作為襯砌裂縫修補(bǔ)材料的可行性。