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、耐高溫效果好及耐腐蝕性能強等優(yōu)點。文章總結了近年來國內外學者關于地聚物力學性能的研究成果，為地聚物在土木工程中的應用提供參考。

【關鍵詞】地聚物;耐高溫;耐腐蝕;力學性能

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

0 引言

地質聚合物（Geopolymer，簡稱地聚物），是近年來研究熱點中新出現(xiàn)的一種新型非水泥基綠色無機膠泥材料，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）作用下經化學反應制備而成，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資源。地聚物生產工藝簡單，不需要高溫煅燒，因而能耗大幅度降低。地聚物生產的碳排放量約為水泥的20%，而且?guī)缀醪划a生有害氣體，基本上實現(xiàn)污染物零排放。

1 地聚物力學性能的研究

1.1 快硬早強性能的研究

Li Q等人[3]進行了以齡期、堿激發(fā)劑類型為主要試驗參數(shù)研究地聚物的抗壓強度。試驗表明，以水玻璃作為堿激發(fā)劑的堿激發(fā)混凝土快速凝結且早期強度高，而且強度迅速發(fā)展。1 d抗壓強度可以達到68 MPa，3 d后抗壓強度就能夠迅速提高到96 MPa，2 d抗壓強度增幅達到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%的復合堿作用下，制備而成地聚物水泥混凝土，它的8 h抗壓強度及抗折強度分別達到30.5 MPa及3.1 MPa，同時強度隨著齡期的增加都不斷增長，它的28 d抗壓強度達到50.1 MPa且抗折強度為5.1 MPa。

吳怡婷等人[5]研究分析了地聚物抗壓強度關于養(yǎng)護制度、促硬劑、堿性激發(fā)劑種類等為試驗因素的影響規(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)制得的地聚物標準養(yǎng)護3 d、7 d、28 d的抗壓強度分別達36.5 MPa、49.8 MPa、55.6 MPa。

1.2 黏結性能的研究

王愛國等人[6]通過抗折試驗對地聚物砂漿的黏結性能進行研究，分別采用地聚物砂漿與普通硅酸鹽水泥砂漿將預先進行抗折試驗而斷裂的水泥砂漿抗折試件重新黏結起來，然后進行二次抗折試驗。研究表明，與普通硅酸鹽水泥砂漿黏結修補試件相比較，地聚物砂漿黏結修補試件的抗折強度均較大，并且其抗折強度更接近于水泥砂漿抗折試件未經修補而進行首次抗折試驗的抗折強度。

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剪切試驗對地聚物與碳纖維布之間的黏接性能進行研究。結果表明，當用水量是高爐礦渣粉質量的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面內剪切強度為1.38 MPa，基本上和環(huán)氧樹脂與碳纖維布之間的面內剪切強度相同，此時地聚物作膠結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的黏結強度試驗。結果表明，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 ℃下的黏結強度均能滿足相關規(guī)范對修復或加固砂漿應達到的拉伸黏結強度，所以地聚物砂漿可以應用于300 ℃以下高溫環(huán)修復境加固混凝土結構;常溫下地聚物砂漿與碳纖維網的黏結強度略低于環(huán)氧樹脂與碳纖維網的黏結強度，但溫度不高于300 ℃時，地聚物砂漿的黏結強度幾乎不降低，而環(huán)氧樹脂的黏結強度大幅降低。

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建筑材料常遇到的建筑物防火問題，因此他們進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合材料煅燒2 h后，仍然能夠達到原基體強度的61%，可以和其他的陶瓷/碳纖維材料的高溫力學性能相媲美。

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構。一方面是由硅氧四面體及鋁氧四面體聚合而成的三維網狀空間鏈結構具有十分優(yōu)異的穩(wěn)定性;另一方面是它致密的三維網狀空間鏈結構能夠隔絕空氣，從而保護內部物質不易被氧化。

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聚合物高溫后的抗折強度。經250 ℃煅燒2 h后，地質聚合物膠砂與水泥膠砂抗折強度損失分別為9.7%與31.3%;經650 ℃煅燒2 h后，水泥試樣已斷裂，而地聚物膠砂抗折強度損失為62.5%，且外觀整體完整。結果表明：相較于水泥，高溫煅燒后地聚物強度損失明顯更小。這是因為地質聚合物微觀結構在高溫環(huán)境中由原來的非晶態(tài)結構轉變?yōu)榻Y晶的沸石結構，所以地質聚合物具有優(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行腐蝕，經過1年后觀察得硅酸鹽水泥試塊產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]將同等強度的地質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，地質聚合物試塊的質量損失平均為10%左右，抗壓強度降低幅度最小為2.1%且最大為42%;相反，普通硅酸鹽水泥試塊的質量損失分別為-2.5%、35%、3.2、40%，而且抗壓強度降低幅度為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因素對地質聚合物的耐酸性進行研究。研究表明，地聚物耐酸性的強弱取決于地聚物材料化學成分與酸的濃度，原材料鈣含量與酸的濃度越高則地聚物越容易受到侵蝕，這是因為鈣容易被酸溶出;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，分析原因為在受酸侵蝕時，地聚物中不穩(wěn)定Al-OH結構主要受H+破壞，并且H+也可能替換溶出平衡離子如Na+。

2 地聚物的強化增韌研究

地聚物的微觀結構及組成特性一方面使它具有較高的力學性能，但是另一方面也導致它具有延性小、韌性低、脆性大的缺點。分析原因是地聚物微觀結構即三維網狀空間鏈結構中原子互相之間存在較多間隙，當?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，近些年來國內外學者結合混凝土領域中普遍應用的纖維增韌技術與有機聚合物增韌技術對地聚物進行復合強化增韌改性研究。

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，可從試驗結果中發(fā)現(xiàn)在受荷載作用下，PVA纖維強化增韌的粉煤灰基地聚物混凝土裂縫發(fā)展轉變?yōu)椤凹毝堋奔鞍l(fā)生彎曲變形硬化的特點。

Natali等人[18]系統(tǒng)地探討了地質聚合物受PVA纖維、碳纖維、PVC纖維、玻璃纖維強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)地研究了地質聚合物受聚丙烯酸（PAA）系列有機物復合強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，使其抗折強度達到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）強化增韌后的改性效果，結果表明多壁碳納米管（MWCNTs）既能夠增大試件的抗折韌性、楊氏模量及抗折強度，也能夠提高電導率及增加斷裂能。

3 地聚物的發(fā)展方向及應用

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

3.1 土木工程搶險修復材料

快速凝結及硬化、早期強度高是地聚物無機膠泥材料最為突出的優(yōu)點之一，被視作為一種理想的土木工程搶險修復加固材料并且得到應用。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場便以極高的建造效率和質量在全世界范圍內引起極大轟動，采用地聚物建造的飛機跑道1 h后便可在其上步行，4 h后便可通行機動車輛，6 h后飛機便可在其上進行起降[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用到實際工程即桂柳高速公路修復加固工程之中，施工過程方便快捷，施工后不需要進行專項養(yǎng)護，修復加固1 d后便可通車且路面狀況良好。

3.2 建筑結構膠結劑

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

3.3 耐火耐高溫材料

地聚物微觀結構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行明火試驗。研究表明，在荷載比為0.19時即使不設防火保護，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

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

4 結語

水泥生產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，減少水泥生產對環(huán)境的污染，是建筑行業(yè)迫在眉睫的問題。地質聚合物（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，生產碳排放量為水泥的20%[35]。地聚物具有以下特點：初凝時間短，早期強度高;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，地聚物被認為是最有前景的水泥替代物之一[39]。

參 考 文 獻

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