地聚物混凝土

小組成員：簡思敏、曹亮、閆佳、肖永波、海嘯指導老師：蔡健、左志亮地聚物混凝土地聚物定義地聚物的國內外研究現狀地聚物混凝土的性能地聚物定義地聚物定義地聚合物材料是近年來國際上研究非常活躍的材料之一。它是以粘土（偏高嶺土）、

工業廢渣或礦渣，堿激發劑為原料,

采用適當的工藝處理,

在較低的溫度條件下(

50

~

180

℃),

通過化學反應得到的具有與陶瓷性能相似的一種新材料。地聚物定義地聚合物材料是近年來國際上研究非常活躍的材料之一。地聚物的制備硅鋁酸鹽材料如：偏高領土、粉煤灰、礦渣如：硅酸鈉、硅酸鉀堿性溶液地聚物地聚物的制備硅鋁酸鹽材料如：偏高領土、粉煤灰、礦渣如：硅酸鈉一、地聚物混凝土發展歷程與現狀使用普通硅酸鹽水泥建造的現代混凝土建筑的壽命一般在50年左右，然而許多古代的建筑：如古羅馬的斗獸場，埃及的金字塔等卻能千年屹立不倒。

一、地聚物混凝土發展歷程與現狀使用普通硅酸鹽J.Davidovits經過大量調查和研究發現古埃及金字塔所用的石材是人工合成的，而這種人工合成的材料正是所謂地聚物。接著通過X光(XR)、X光衍射(XRD)、核磁共振(NMR)、電子衍射等手段證實了這一觀點。地聚物(Geopolymer)最早于1978年由法國科學家J.Davidovits提出，在對耐久性優異的古埃及金字塔等的研究中發現了網狀的硅鋁化合物，而該化合物的結構與地殼中的沸石類結構非常類似，因此被稱為地聚物。發展歷程J.Davidovits經過大量調查和研究發現古埃及金國外研究澳大利亞的J.Temuujin,A.van

Riessen研究了火山灰初步煅燒對地聚物性能的影響，印度尼西亞Sotya

Astutingsih

和HenkiWibowo

Ashadi等組成的科研團隊，研究了利用制備地聚物膠凝材料的課題，新西蘭的Jona混凝土廢料thanTaiby、Kennth

、J.D.MacKenzie對硅鋁地聚物與波特蘭水泥復合材料的結構和物理性能、以及其內含物質進行了研究。國外研究澳大利亞的J.Temuujin,A.van

Ries國內研究最有代表性的是張云升博士和孫偉教授的研究團隊以及香港科學與技術大學的李宗津教授，早在2000年就開始了對地聚物的形成機理、結構特征、配比設計、工藝體系、物理性能、耐久性及其在土木工程中的應用進行了研究，此外，楊巧、楊曉鴻研究了利用偏高嶺土制備地聚物膠凝材料的工藝和特性；孫家瑛首次討論了地聚物與粉煤灰復合灌漿材料的物理力學性能，并對其制備工藝進行了研究。

國內研究最有代表性的是張云升博士和孫偉教授的研究團隊以及香港

關于地聚物的形成機理主要有以下幾種認識，如下表所示：

關于地聚物的形成機理主要有以下幾種認識，如J.Davidovits觀點

目前，最為認可的就是J.Davidovits提出的解聚和縮聚理論，認為地聚物材料的凝結硬化過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過程。

以偏高嶺土為原材料，NaOH和KOH為激活劑制備(

N

a，K

)—PSS為例對其反應機理進行說明：首先，摩爾比為1:2的偏高嶺土和無定型二氧化硅在強親核試劑NaOH和K

OH以及水的作用下，發生S

i—O和AI—O共價鍵的斷裂反應。可以這么說，在水溶液中生成了硅酸和氫氧化鋁的混合溶膠，溶膠顆粒之間部分脫水縮合生成正鋁硅酸。其次正鋁硅酸在堿性或干燥環境下不穩定，會進一步脫水聚合形成聚鋁硅氧縮聚大分子鏈。

J.Davidovits觀點J.Davidovits觀點地聚物的結構地聚物縮聚大分子的通式為：

Mx[–(Si–O)w–Al–O–]n?zH2O

其中，M代表堿金屬元素，x代表堿離子個數，–表示化學鍵，w表示硅鋁比，n表示縮聚度，z表示化學結合水的數目(0≤w≤4)。J.Davidovits觀點地聚物的結構地聚物縮聚大分子的通地聚物優點地聚合物具有以下優點

(1)強度高,主要力學性能指標優于玻璃與水泥。

(2)具有較強的耐腐蝕性與較好的耐久性,大大優于傳統水泥材料。

(3)具有較好的快硬固化性。

(4)材料耐高溫,隔熱效果好。

(5)原料價格低廉,儲量豐富,其主要構成元素硅、鋁、氧在地殼中儲量分別為27%,8%,47%。

(6)生產能耗低,其能耗只有陶瓷的1/20,鋼的1/70,塑料的1/150。

(7)增韌、增強外添加劑選擇范圍廣。地聚物優點地聚物混凝土

地聚物膠凝材料是一種高性能的堿激活水泥,不同于普通硅酸鹽水泥。地聚物混凝土研究發現,地聚合物具有許多硅酸鹽系列水泥難以達到的優異性能,在土木工程、固核固廢、高強、密封及高溫材料等方面均顯示出很好的開發應用前景。由于偏高嶺土價格較高,近年來采用各種工業廢渣,如粉煤灰、礦渣、爐渣、尾礦等鋁硅酸鹽材料部分或全部取代偏高嶺土，制備堿激發復合膠凝材料再次成為國內外的研究熱點。地聚物混凝土地聚物膠凝材料是一種高性能的堿激活水泥,混凝土拌合物和易性

研究發現,對硅酸鹽水泥具有良好減水作用的減水劑對堿激發膠凝材料效果往往很差。此外，隨NaOH和水玻璃濃度增加,堿激發粉煤灰砂漿流動度下降。混凝土拌合物和易性研究發現,對硅酸鹽水泥具有良好減水作用堿激發膠凝材料-集料界面特性在硅酸鹽系列水泥混凝土中,通常集料與水泥石間存在界面過渡區,對強度和耐久性影響較大,但堿激發膠凝材料與集料間不存在類似界面過渡區。原因：石灰石砂與膠凝材料間存在化學作用,石英砂和花崗巖砂中鋁硅成分則在堿激發作用下,也參與聚合反應,從而在堿激發膠凝材料與集料之間不存在界面過渡區。堿激發膠凝材料-集料界面特性在硅酸鹽系列水泥混凝抗化學侵蝕性研究表明,雖然礦渣含鈣量較高,但與硅酸鹽系列水泥相比,堿礦渣水泥仍具有良好的抗化學侵蝕性能且其抗化學侵蝕性能似乎優于堿激發粉煤灰材料,其原因可能與堿激發材料孔結構有關,水玻璃激發粉煤灰試樣平均孔徑約6.28nm

,水玻璃激發礦渣試樣大部分孔均為10nm以下的凝膠孔,因此,水玻璃激發礦渣混凝土抗化學侵蝕性優于水玻璃激發粉煤灰混凝土。抗化學侵蝕性研究表明,雖然礦渣含鈣量較高,但與硅酸鹽系列水泥對鋼筋的保護作用1）粉煤灰混凝土

研究發現。抗壓強度相當時,與普通硅酸鹽水泥相比,堿激發粉煤灰混凝土對鋼筋具有更好保護作用,強度越高,鋼筋防銹能力越強。NaOH和水玻璃激發粉煤灰混凝土與普通水泥混凝土類似,可迅速在鋼筋表面形成鈍化保護層,因而對鋼筋具有良好保護作用,但堿激發粉煤灰混凝土中含有2%的Cl-時,其銹蝕速率將增大100倍。對鋼筋的保護作用1）粉煤灰混凝土對鋼筋的保護作用2）堿礦渣混凝土堿礦渣砂漿抗氯離子滲透能力優于硅酸鹽水泥砂漿,水玻璃激發礦渣砂漿28d，氯離子滲透電通量僅約為硅酸鹽水泥砂漿的1/3

,Na2CO3和激發礦渣砂漿抗氯離子滲透能力更強。可見,堿激發膠凝材料混凝土具有良好抗氯離子滲透能力,特別適合海工鋼筋混凝土結構。對鋼筋的保護作用2）堿礦渣混凝土混凝土變形性能1）化學變形一般認為,堿激發偏高嶺土和粉煤灰材料化學減縮變形較小,但相關研究很少。廖佳慶研究發現,激發堿礦渣水泥化學減縮與硅酸鹽水泥相當,水玻璃激發試樣化學減縮略小于硅酸鹽水泥。2）干縮變形

堿激發偏高嶺土材料和堿激發粉煤灰材料的干縮變形都小于硅酸鹽水泥，而堿礦渣水泥干縮較大，其干縮與激發劑種類和用量有關,水玻璃和NaOH激發試樣干縮分別達混凝土變形性能1）化學變形混凝土變形能力硅酸鹽水泥干縮的6倍和3倍,且隨激發劑用量增加而增大,而碳酸鈉激發試樣干縮比硅酸鹽水泥略低或相當,加入減縮劑可有效減小水玻璃激發礦渣砂漿干縮,但相對濕度較低時,干縮仍遠高于硅酸鹽水泥砂漿。3）彈性模量與Poisson比堿激發粉煤灰材料配制成混凝土后,其彈性模量大大提高。但是與硅酸鹽水泥混凝土相比,堿激發粉煤灰和礦渣混凝土彈性模量較小,但目前相關研究還不多,其原因有待進一步研究。混凝土變形能力硅酸鹽水泥干縮的6倍和3倍,且隨激發劑用量混凝土變形性能堿激發粉煤灰混凝土Poisson比為0.