荀小偉 ，肖亞雄 ，張佰發(fā) ，李國會 ，姚思雯

（1.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410000；2.廣東工業(yè)大學(xué)土木工程與交通學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000）

堿激發(fā)地質(zhì)聚合物（alkali-activated geopolymer；簡稱“地聚物”）是一種高聚的無機(jī)膠凝材料。鋁硅酸鹽礦物在堿溶液的作用下，發(fā)生解聚與重排，再縮聚形成鋁硅質(zhì)凝膠，進(jìn)而固化形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物[1-2]。得益于特殊的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，地聚物具有許多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高耐化學(xué)腐蝕和耐高溫性能等，這引起了全世界對地聚物材料的關(guān)注。隨著研究的深入，地聚物已經(jīng)被研究應(yīng)用于建筑材料加工[3]、核廢料處理[4]、水處理[5]、催化載體[6]等領(lǐng)域。

除了優(yōu)異的性能，地聚物還具有制備工藝簡單、成本低廉、原料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)[7]。通過具有活性前驅(qū)體（precursor）（如黏土礦物、粉煤灰、長石等）和堿激發(fā)劑（如氫氧化鈉、硅酸鈉等）混勻反應(yīng)就可以得到高強(qiáng)度的地聚物材料。更重要的是，與傳統(tǒng)的膠凝材料（波特蘭水泥）相比，地聚物制備的二氧化碳排放量更低、耗能更少[8]。因此，作為一種綠色建材，地聚物具有取代水泥的巨大潛力。對地聚物材料研究的回顧，將對地聚物制備原料的拓展、地聚反應(yīng)機(jī)理的理解、地聚物材料應(yīng)用領(lǐng)域的新發(fā)展等具有啟示意義，也對促進(jìn)節(jié)能減排、資源利用和環(huán)境保護(hù)等具有實(shí)際意義。

本文主要從地聚反應(yīng)機(jī)理、地聚物的微結(jié)構(gòu)與性能，以及相關(guān)的應(yīng)用等方面回顧了堿激發(fā)地聚物的研究進(jìn)展與不足，希望這一綜述有助于地聚物在未來的發(fā)展。

1 堿激發(fā)地聚反應(yīng)的機(jī)理研究

一般含有活性硅鋁的物質(zhì)都可以作為地聚物的制備原料，天然黏土礦物（高嶺石、埃洛石和蒙脫石等）和多種工業(yè)固廢（如粉煤灰、礦渣和尾礦等）均已被證實(shí)可用于地聚物的制備[9-10]。其中，高嶺石具有比表面積大、Al/Si 摩爾比高、顆粒細(xì)微、脫羥基溫度低、化學(xué)成分簡單等特點(diǎn)，被廣泛用于地聚物的制備及機(jī)理的研究。

Glukhovsky 教授在1965 年就已經(jīng)提出堿激發(fā)反應(yīng)的模型—“Glukhovsky 模型”，用來解釋堿激發(fā)膠凝材料的反應(yīng)機(jī)理[11]?！癎lukhovsky 模型”將堿激發(fā)反應(yīng)分為三個(gè)階段，即“溶解-凝結(jié)”，“凝結(jié)-縮聚”，“縮聚-結(jié)晶”。在“溶解-凝結(jié)”階段，原料中的活性硅、鋁溶解并形成低聚凝膠；在“凝結(jié)-縮聚”階段，低聚凝膠進(jìn)一步縮合形成三維網(wǎng)絡(luò)狀的高聚態(tài)凝膠；在“縮聚-結(jié)晶”階段，高聚態(tài)凝膠逐漸硬化，并在一定條件下結(jié)晶形成沸石?！癎lukhovsky 模型”的提出為堿激發(fā)地聚物反應(yīng)過程機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)。

基于“Glukhovsky 模型”，許多研究[12-14]都將堿激發(fā)偏高嶺石基地聚反應(yīng)過程分為四步：溶解、擴(kuò)散、聚合與固化。首先，在堿激發(fā)劑的作用下，鋁硅酸鹽的結(jié)構(gòu)被破壞，形成水溶性的硅單體和鋁單體；隨后，硅單體和鋁單體向外擴(kuò)散，并發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成凝膠相；凝膠相通過在毛細(xì)管中運(yùn)動排除水分，最終固化形成地聚物。研究還表明[15]，地聚反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，雖然水參與了地聚反應(yīng)，但只起到一個(gè)反應(yīng)媒介的作用，在反應(yīng)結(jié)束被全部排出。

張?jiān)粕萚16]則通過應(yīng)用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）原位定量追蹤K-PS 型地聚物的生成—發(fā)展—演化的全過程。結(jié)果表明：在水化早期，偏高嶺土顆粒松散地堆積導(dǎo)致存在許多大孔隙；隨著齡期的增長，大量的海綿狀膠體積淀在顆粒表層，并向外擴(kuò)充；到了后期，顆粒被膠體厚厚包裹，空隙被填滿而變得非常致密，但是并沒有規(guī)則產(chǎn)物的形成。

Fernández 等[17]則通過掃描電子顯微鏡（SEM），透射電子顯微鏡（TEM）等測試手段，深入探究粉煤灰從溶解到形成地聚物的步驟，并提出了堿激發(fā)粉煤灰的反應(yīng)模型。該模型將堿激發(fā)粉煤灰過程分以下三個(gè)階段：（1）溶解階段：在強(qiáng)堿溶液中，反應(yīng)最初發(fā)生在粉煤灰顆粒表面的一個(gè)點(diǎn)上，然后擴(kuò)展成一個(gè)大孔，此時(shí)，堿激發(fā)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生在粉煤灰的內(nèi)外表面，不斷消耗粉煤灰。（2）擴(kuò)散階段：堿溶液不斷擴(kuò)散，當(dāng)堿性溶液滲透并接觸容納在較大球體內(nèi)的較小顆粒時(shí)，后者的內(nèi)部空間開始充滿反應(yīng)產(chǎn)物，形成致密的地聚物基質(zhì)。（3）沉淀階段：這些致密的產(chǎn)物的覆蓋粉煤灰小球體，防止它們與堿性介質(zhì)接觸。隨著堿激發(fā)的繼續(xù)進(jìn)行，埋在產(chǎn)物下的未反應(yīng)粉煤灰可能不會受到堿溶液的影響，反應(yīng)速率從而下降。最終得到沉淀產(chǎn)物為幾種形態(tài)共存：未反應(yīng)的顆粒，受堿性溶液侵蝕的顆粒，反應(yīng)的地聚產(chǎn)物等。

閆姝等[18]則將“反應(yīng)終止控制方法”應(yīng)用于地聚反應(yīng)機(jī)理研究中，結(jié)合不同測試分析手段，系統(tǒng)闡述了堿激發(fā)偏高嶺石基地聚反應(yīng)的過程：在與堿反應(yīng)初期，偏高嶺石顆粒表面首先溶解，即Si-O-Si 鍵和Si-O-Al 鍵水解斷裂，并形成以[Al(OH)4]-、[AlO(OH)3]2-、[Al(OH)4(OH2)]-、[Al(OH)5]2-、[Al(OH)4(OH2)2]-、[Al(OH)5(OH2)]2-和[SiO(OH)3]-為主的單體以及少量的[SiO2(OH)2]2-單體。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，四配位鋁（AlIV）的含量逐漸增加，而五配位（AlV）和六配位鋁（AlVI）的含量逐漸減少，6 h 后，AlV和AlVI完全轉(zhuǎn)變?yōu)锳lIV。在這期間，各單體之間縮聚并脫去水分子，最終生成一種網(wǎng)絡(luò)狀混合結(jié)構(gòu)的無定形地聚物，其中Si 主要以Q4(3Al)結(jié)構(gòu)單元形式存在，Al 全部以AlIV結(jié)構(gòu)單元形式存在，顯微組織則由反應(yīng)初期的疏松多孔轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘木鶆蛑旅苄蚊病?/p>

2 堿激發(fā)地聚物的微結(jié)構(gòu)與性能

2.1 堿激發(fā)地聚物的微結(jié)構(gòu)

堿激發(fā)地聚物具有三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，由[SiO4]四面體和[AlO4]四面體通過共用氧原子相互交聯(lián)而形成，其中堿金屬陽離子（如Na+，K+，Li+等）分布于三維網(wǎng)絡(luò)中，平衡[AlO4]四面體所帶的負(fù)電荷[19]。地聚物的結(jié)構(gòu)與沸石的相似，但并沒有長程有序，屬于無定型的鋁硅酸鹽聚合物，其結(jié)構(gòu)通式見式（1）：

其中M表示堿金屬陽離子；z表示Si/Al 的摩爾比值；n表示縮聚度；w表示化學(xué)結(jié)合水的數(shù)目。根據(jù)Si/Al 摩爾比，Davidovits 教授將地聚物的結(jié)構(gòu)單元分為4 類（圖1），并且符合Loewenstein 的Al 排斥原理，即不存在AlIV-O-AlIV結(jié)構(gòu)[20]。

圖1 地聚物結(jié)構(gòu)單元[20]Fig.1 Geopolymer structural units

因此，學(xué)者們一般用Q4（mAl）（0≤m≤4）來描述地聚物結(jié)構(gòu)中[SiO4]四面體通過Al-O 鍵與其他[SiO4]四面體連接的情況，其中m代表一個(gè)Si 原子鄰近的Al 原子數(shù)。與波特蘭水泥中C-(A)-S-H 結(jié)構(gòu)相似，許多研究提出堿激發(fā)地聚物為非晶態(tài)N-A-S-H 凝膠（N：Na2O，S：SiO2，A：Al2O3，H：H2O），其化學(xué)成分與天然沸石材料相似。Barbosa 等[21]通過X 射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和核磁共振譜（NMR）等測試手段，對堿激發(fā)地聚物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并提出了地聚物的三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。

近年來，得益于測試技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于地聚物結(jié)構(gòu)的解析更加深入：Duxson 等[22]通過高分辨的透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察到地聚物中存在納米級顆粒（5 nm），并且被其他連續(xù)相和納米孔隙所包圍。Das 等[23]利用同步X 射線斷層掃描（XRT）觀察到粉煤灰基地聚物主要含有10～20 μm 的孔。

Melar 等[24]結(jié)合小角X 射線散射、電阻抗法、中子對分布函數(shù)等技術(shù)手段研究地聚物的多孔結(jié)構(gòu)、界面、堿離子與老化時(shí)間之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在5 年的老化期內(nèi)，結(jié)構(gòu)形成的Na+導(dǎo)致地聚物形成較大的孔結(jié)構(gòu)，而使用K+或Cs+取代Na+，地聚物所形成的孔在較長的老化期內(nèi)更穩(wěn)定。

此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們可以通過量子力學(xué)計(jì)算，分子動力學(xué)模擬等技術(shù)，可以更細(xì)致、更直觀地觀察與研究地聚物網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)[25-26]。

2.2 堿激發(fā)地聚物的性能

由以上可知，地聚物具有特殊氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這使得其具有優(yōu)越的力學(xué)性能，并且即使在極端條件下也能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和完整[27]。與傳統(tǒng)的水泥、陶瓷和有機(jī)聚合物相比，地聚物主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）優(yōu)異的機(jī)械性能。地聚物的機(jī)械性能是基于的[-Si-O-Al-O-]n三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和框架。傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥，由于具有某些低強(qiáng)度的化學(xué)鍵（如范德華鍵，氫鍵），在高壓下很容易被破壞，出現(xiàn)裂紋。相反，地聚物的結(jié)構(gòu)不依賴于這些低強(qiáng)度鍵，因此地聚物具有較高的強(qiáng)度[28]。

（2）耐久性能高。地聚物通常由無機(jī)材料組成，這些無機(jī)材料包括一些類沸石礦物，如方鈉石[Nan（Si-O-Al-O-）n]，方沸石[（Na，Ca，Mg）n（Si-O-Al-O-）n]等。這些結(jié)構(gòu)不僅不會像有機(jī)聚合物那樣存在老化問題，而且能夠提供優(yōu)異的耐用性。這種結(jié)構(gòu)還可以避免因金屬離子遷移導(dǎo)致的堿集料反應(yīng)[29]，與硅酸鹽水泥相比，更耐受各種極端環(huán)境條件[30]。

（3）耐火性和耐熱性強(qiáng)。研究表明地聚物在高溫（1000～1200 ℃）也不會氧化和分解，甚至在 680 ℃煅燒后，強(qiáng)度有一定的提升，這可能由于高溫煅燒會促進(jìn)晶體的形成，提高強(qiáng)度[31]。同時(shí)，地聚物的氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不但可以保證其在高溫下（1000～1200 ℃）保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且還可以保護(hù)內(nèi)部物質(zhì)不被氧化[30]。

另外，地聚物還具備優(yōu)越的化學(xué)性能：（1）良好的耐化學(xué)腐蝕性。一般情況下，除氫氟酸（HF）外，地聚物中鍵合的Si-O 和Al-O 很難與其他酸反應(yīng)。

（2）固化速度快，界面結(jié)合力強(qiáng)。由于凝膠的形成和脫水過程快速，與水泥相比，地聚物即使在早期也能夠具有非常高的強(qiáng)度。此外，地聚物能夠與骨料緊密結(jié)合，彌補(bǔ)傳統(tǒng)修補(bǔ)水泥和骨料之間由于結(jié)晶過渡區(qū)（氫氧化鈣，鈣礬石等）存在導(dǎo)致界面結(jié)合力不穩(wěn)定的不足地聚物的這種顯著優(yōu)點(diǎn)使其可以用作混凝土的修復(fù)產(chǎn)品[32]。

（3）與金屬離子結(jié)合性能強(qiáng)。地聚物具有類沸石結(jié)構(gòu)，由環(huán)狀的分子鏈構(gòu)成，金屬離子或者其他有毒物質(zhì)很容易被分割包圍在環(huán)狀分子所形成密閉的空腔中。同時(shí)，地聚物中的堿金屬離子具有離子交換性能，很容易與金屬離子發(fā)生交換，從而固定有害的金屬離子[33]。

地聚物的優(yōu)越性能與其微結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系：形成地聚物的含量越多，其網(wǎng)絡(luò)鏈越長，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越大，其性能越好，而地聚物的含量又與前驅(qū)體的反應(yīng)性有很大的關(guān)系。因此，尋找反應(yīng)性高、分布廣泛、成本低廉的地聚物前驅(qū)體具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[34]。此外，雖然對地聚物的微觀結(jié)構(gòu)解析已經(jīng)非常深入，但只側(cè)重于N-A-SH 凝膠結(jié)構(gòu)的分析。對于一些未反應(yīng)的物質(zhì)如何影響地聚物的微觀結(jié)構(gòu)和性能未得到重視。例如，埃洛石是一種具有特殊管狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物，在地聚過程中，部分的埃洛石溶解，發(fā)生聚合反應(yīng)形成地聚物，而未溶解的埃洛石由于還保持納米管狀結(jié)構(gòu)，既可能充當(dāng)填料，又可以作為纖維，增強(qiáng)地聚物的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度[35]。而對于不規(guī)則形狀的尾礦、礦渣，其對地聚物微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響也需要得到重視。另外，對于含鈣的前驅(qū)體在堿激發(fā)后，會出現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)不同的凝膠：C-A-S-H 凝膠與N-A-S-H 凝膠。而兩種凝膠以何種形式共存，相互是否存在影響，對最終地聚物性能的影響機(jī)理也尚未明確[36]。充分理解地聚物的“構(gòu)-性”關(guān)系，對高性能地聚物的制備具有很重要的啟示意義。

3 地聚物的應(yīng)用

由于擁有良好的物理化學(xué)性能，地聚物已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在綠色建筑材料、高強(qiáng)材料、密封材料和耐高溫材料等方面。隨著對地聚物研究的深入，其在環(huán)境材料以及新型材料制備方面也顯示出巨大的應(yīng)用前景。

3.1 建筑領(lǐng)域

在20 世紀(jì)90 年代以前，地聚物主要作為一種粘結(jié)劑，即類似于水泥的替代品，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。Davidovits 教授[37]對地聚物的應(yīng)用做出了突出的貢獻(xiàn)，早在20 世紀(jì)70 年代，他就利用地聚物膠凝材料制備了防火芯片面板，并且申請第一項(xiàng)有關(guān)地聚物的專利，這是第一次對地聚物進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的嘗試。80 年代初，Davidovits 利用地聚物制備低溫陶瓷，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和極低的熱膨脹性。1981 年，Davidovits 教授首次結(jié)合硅酸鹽水泥，制備出高強(qiáng)地聚物水泥，并將其小規(guī)模地應(yīng)用在工業(yè)設(shè)施、機(jī)場建設(shè)中。到了90 年代，Davidovits 教授則深入研究防火地聚物纖維復(fù)合材料，取得了重要成果。這種復(fù)合材料包裹混凝土柱，能夠顯著提升新建筑、損壞橋梁和易發(fā)生地震和颶風(fēng)地區(qū)的建筑物強(qiáng)度，已應(yīng)被用在日本和美國基礎(chǔ)設(shè)施中。

近年來，越來越多研究關(guān)注到基于地聚物膠凝材料的建材：Zhang 等[38]綜合研究了粉煤灰基地聚物泡沫混凝土的機(jī)械性能，隔熱性能，耐熱性能和吸聲性能，發(fā)現(xiàn)其比相應(yīng)的水泥基泡沫材料的性能好；Duan 等[39]通過添加疏水劑制備防水的偏高嶺石基地聚物材料，成功提升了地聚物的防水性能；Zevedo 等[40]利用陶瓷廢料作制備地聚物基陶瓷瓦片，成功實(shí)現(xiàn)陶瓷廢料的綜合利用。

由于地聚物優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，地聚物是一種理想的海洋土木工程材料：Zhang 等[41]詳細(xì)研究了偏高嶺石基地聚物作為涂料用于防護(hù)海邊大橋的橋墩。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，制備一種具有合適的凝固時(shí)間、較高的結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)良的防腐性能的涂料，刷上涂層的橋墩受到很好防護(hù)，顯著增加橋墩的耐腐蝕性。

此外，地聚物具有優(yōu)異的抗高溫和低溫循環(huán)性能，在真空中能夠保持穩(wěn)定，制備時(shí)需水量少，同時(shí)具有良好的機(jī)械性能[42]。有研究表明，月球和火星土壤可能具有的堿激發(fā)活性，這些特性符合月球和火星建筑材料所有具體性能要求，可以作為一種潛在的月球和火星建筑膠凝材料[43]。

3.2 環(huán)境領(lǐng)域

地聚物不僅具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而且對于金屬離子固封效果顯著，可以代替水泥作為新型核廢料固封材料。另外，地聚物具有類沸石結(jié)構(gòu)，其對重金屬離子，如Cu2+、Pb2+、Cd2+等也具有優(yōu)異的吸附特性，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水的凈化處理。

（1）固定化材料。重金屬固定化是指在物理和化學(xué)（吸附，包封，螯合，絡(luò)合，沉淀等）的一系列作用下，將重金屬廢物與粘合劑（硅酸鹽水泥，有機(jī)聚合物或地聚物）混合，重金屬被轉(zhuǎn)化為環(huán)境可接受的廢物形式，最終可用于土地處置或建筑材料[30]。1999 年，Hermann 等[44]利用地聚物小規(guī)模地處理放射性固廢，并取得了很好的固定化效果。地聚物不但顯示出優(yōu)異的耐久性，以及核廢料和重金屬固定的長效性，其抗壓強(qiáng)度，耐腐蝕性和固定效果優(yōu)于傳統(tǒng)水泥。更重要的是，地聚物固定產(chǎn)品在資源利用，節(jié)能減排等方面具有明顯的優(yōu)勢。。

Guo 等[45]利用粉煤灰基地聚物對三種含Pb 化合物（1%～8%的PbO，PbSO4和PbS）和四種含Cr 物質(zhì)（Cr(NO3)3，Cr2O3，Cr 和CrO3）進(jìn)行固定化機(jī)理的研究。研究結(jié)果表明，對不與堿反應(yīng)的含Pb、Cr 化合物，其主要通過物理封裝方式固定在地聚物中，并且分布在整個(gè)地聚物基質(zhì)。對于與堿反應(yīng)的含Pb、Cr 化合物，化學(xué)鍵合是固定化的主要機(jī)制，Pb、Cr 離子進(jìn)入地聚網(wǎng)絡(luò)而得到固定。

關(guān)于核廢料的處理一般在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，利用無放射性的同位素作為模型，研究地聚物對核廢料中的核素離子的固定性能以及穩(wěn)定性。El-Naggar 等[46]通過調(diào)節(jié)偏高嶺石，長石和礦渣三者的組分，制備地聚物用以固定離子交換樹脂廢棄物，其中離子交換樹脂上負(fù)載了不同濃度的134Cs，60Co，152+154Eu 的放射性核素。加入樹脂的地聚物抗壓強(qiáng)度能達(dá)到45 MPa 以上。核素的浸出量順序?yàn)椋?52+154Eu >134Cs >60Co。負(fù)載多組分的樣品浸出量大于負(fù)載單組份的樣品，并且γ 射線會促進(jìn)核素的浸出。Jia 等[47]利用高嶺石基地聚物固定Sr，并通過高溫將其穩(wěn)定下來。研究表明，在1200 ℃煅燒，表觀孔隙率降低，也有助于更好的固定性能。而Sr 以非晶相存在，并被很好地包裹在霞石結(jié)構(gòu)中。

一般情況下，地聚物能夠有效地抑制陽離子物質(zhì)的遷移，但對含氧陰離子物質(zhì)的固定化效果不佳。Al-Mashqbeh 等[48]嘗試?yán)闷邘X石基地聚物固定三種含氧陰離子（Cr2O7-，MnO4-，F(xiàn)e(CN)63-）。當(dāng)陰離子濃度由0.2%上升到1.5%時(shí)，其浸出率從10%上升到20%。研究的結(jié)果表明，地聚物具有包封高度可溶性陰離子的能力，但是固定化效果較差。此外，研究表明，制備過程中，地聚物合成的Si/Al 比對固定化效果有很大的影響。

（2）吸附材料。地聚物的結(jié)構(gòu)似于沸石，可以通過離子交換，吸附廢水中的重金屬離子。另外，由于地聚物的堿度較高，處理污水時(shí)，能夠提高污水放入pH 值，使一些過渡金屬陽離子沉淀。現(xiàn)階段，地聚物已經(jīng)被用來吸附以下離子[49]：（1）潛在的有毒元素，例如Co，Pb，Cu，Zn，Cr，Ni，As，Sb 等；（2）有放射性同位素的元素，例如銫、鍶、鐳和鈷等；（3）堿性陽離子，如染料亞甲基藍(lán)和結(jié)晶紫；（4）銨離子。

Andrejkovicová等[50]研究了斜發(fā)沸石填料對偏高嶺石基地聚物力學(xué)性能和重金屬吸附性能的影響。沸石的添加有利于強(qiáng)度的提升，添加25%沸石所制備的地聚物對Pb2+，Cd2+，Zn2+的吸附效果較好。地聚物對重金屬的吸附順序?yàn)镻b2+>Cd2+>Zn2+，Cu2+>Cr3+。其中Cu2+和Cr3+在不添加沸石的條件下，吸附量較高。他們認(rèn)為這個(gè)順序可能是由于多種因素造成的，如，金屬離子的活性，水合的自由能，水合離子的大小，可用于絡(luò)合的游離鍵的變化和地聚物表面上的孔徑分布等；Walkley 等[51]利用偏高嶺石基地聚物吸附溶液中的Sr2+，結(jié)果表明，地聚物凝膠中的無序（N，K）-A-S-H 型凝膠很容易將Sr2+固定在骨架結(jié)構(gòu)中。Sr2+部分取代Na+、K+，起到電荷平衡的作用，而其余堿離子不受影響。

（3）固廢資源化利用。由于富含活性硅、鋁的鋁硅酸鹽都可以作為原料制備地聚物，許多研究也關(guān)注到利用含硅鋁的固廢（如粉煤灰、礦渣、尾礦）制備地聚物，實(shí)現(xiàn)固廢的資源化利用。Hertel 等[52]利用赤泥制備多孔地聚物用以吸附亞甲基藍(lán)，合成的多孔性塊體具有較高的吸附量（最高可達(dá)17 mg/g 地聚物，初始濃度為75 mg/L）。地聚物塊體的孔隙度越高，則pH 值和孔隙率越高。大的孔隙率，高的pH 值和初始濃度，以及溶液攪拌對吸附量有積極的影響。Zhao等[53]通過調(diào)節(jié)堿激發(fā)劑的濃度、Si/Na 摩爾比、液固比和養(yǎng)護(hù)溫度，制備強(qiáng)度達(dá)31.4 MPa 的煤矸石基地聚物，并用以固定化城市垃圾焚燒飛灰，飛灰中的Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+固定化效率均能達(dá)95%以上。

3.3 其他材料

隨著地聚物研究的發(fā)展，對地聚物的物理化學(xué)特性有了更深入地了解，地聚物的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬。

（1）油氣地?zé)峁I(yè)中的固井[54]。與硅酸鹽水泥相比，地聚物作為固井材料，除了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢外，地聚物具有更高的耐久性，耐酸和耐化學(xué)侵蝕性，更高的強(qiáng)度，與套管的粘接性更好，收縮率更低，無堿活性反應(yīng)。結(jié)合井下條件下的極低滲透率，這些性質(zhì)使地聚物成為侵蝕性井下環(huán)境中區(qū)域隔離的有利替代材料。

（2）通過各種擠出和粉末床工藝進(jìn)行增材制造或“3D 打印”的材料[55]，但是，地聚物凝膠材料的粘稠度隨著時(shí)間的變化而變化，所以其制備的條件需要嚴(yán)格控制，防止提早凝結(jié)而導(dǎo)致無法擠出。

（3）緩釋材料。在地聚物制備過程中，加入藥物混合，所得到的產(chǎn)品由于其高抗壓強(qiáng)度和耐熱性，難以直接取得藥物。此外，在藥物釋放測試中，基于地聚物的制劑在研磨后保持其控釋特性，使藥物緩慢釋放[56]。這樣可以有效避免藥物成癮的危害。

（4）pH 值緩沖劑材料。多孔地聚物具有較高的緩沖容量和較長的緩沖容量，是一種有潛力的pH 值緩沖材料[57]。

（5）催化材料。地聚物可以通過離子交換（NH4+，F(xiàn)e3+，Cu2+，Co2+）或者負(fù)載零價(jià)鐵在地聚物表面上，能夠作為催化劑還原NOx[58]。

可以看出，近五十年的研究與發(fā)展，地聚物被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，取得許多重要的成果。但必須指出，地聚物在應(yīng)用方面的研究也存在一些亟需解決的問題。在建筑領(lǐng)域，建材的長期性能非常重要，而地聚物的發(fā)現(xiàn)、研究到應(yīng)用也只不過五十年，作為建筑材料，能否經(jīng)歷長時(shí)間而不劣化需要得到重視。雖然有研究表明，許多古建筑材料中含有地聚物成分，側(cè)面反映了地聚物優(yōu)異的耐久性[59]，但還是缺乏“科學(xué)”的數(shù)據(jù)作為支撐，這也限制了地聚物的大規(guī)模應(yīng)用。此外，在環(huán)境治理領(lǐng)域，與沸石相比，地聚物對離子的固定效果并沒有十分出眾，這需要考慮通過改性地聚物增強(qiáng)其性能。同時(shí)，綜合考慮成本和資源化，利用固廢作為地聚物合成原料，對污水、污泥進(jìn)行處理，能夠達(dá)到“以廢治廢”的效果，這也是地聚物應(yīng)用的一個(gè)方向。隨著研究的深入，還需要積極探索地聚物的新應(yīng)用，不局限于建材和吸附材料兩方面，通過對地聚物結(jié)構(gòu)、性能的深入研究，一定能夠不斷拓寬地聚物的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié)論

（1）地聚物作為一種綠色的膠凝材料，具有取代傳統(tǒng)膠凝材料的巨大潛力。由于具有三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，地聚物具有許多優(yōu)良的性能。同時(shí)，地聚物的低成本、廣泛的來源、特殊結(jié)構(gòu)的潛在應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。

（2）目前關(guān)于地聚物的研究已經(jīng)非常深入，地質(zhì)聚合技術(shù)也得到了廣泛地使用。但為了充分開發(fā)地聚物材料的潛力，還有許多方面需要進(jìn)一步探索，特別是缺乏對凝固時(shí)間和流變學(xué)控制的研究，地聚反應(yīng)機(jī)理也亟待更深入研究。同時(shí)，制備原料的多樣性既突出了地聚過程的多樣性，又突出了與材料特性和優(yōu)化有關(guān)的科學(xué)問題。此外，國內(nèi)對地聚物的研究還處在起步階段，需要更深入研究此類材料，特別是在實(shí)際應(yīng)用方面的研究。地聚物的應(yīng)用還是比較局限，并沒有完全發(fā)揮其應(yīng)有的功能，更多的功能有待挖掘。

（3）隨著國家對環(huán)保事業(yè)的重視，地聚物作為環(huán)境友好型材料，具有很好的發(fā)展前景。這一方面要求我們對地聚物做深入的理論和機(jī)理研究，另一方面也要求我們拓寬地聚物的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)一步充分利用好地聚物材料。