基于組分的地聚合物膠凝材料反應機理及其制備參數的研究進展

陳柯宇，吳大志，胡俊濤

(浙江理工大學建筑工程學院，杭州 310018)

0 引 言

地聚合物膠凝材料(Geopolymer)的概念最早由法國Davidovits教授在1978年提出[1]。它是一種具有物理力學性能優異、耐高溫、滲透性好、耐久性好、制備能耗成本低等諸多優勢的硅鋁酸鹽礦物聚合材料[2-5]。其實質是將富含硅鋁基的工業廢料(粉煤灰、偏高嶺土、礦渣、煤矸石等)，在非高溫環境下受堿激發下(氫氧化物、堿式鹽和氟化物等)發生縮聚反應后形成的膠凝材料。

地聚合物膠凝材料的反應具有時間短，所需溫度與壓強要求較低等特點。其礦物化學反應機理如圖1(a)所示，結構如圖1(b)所示。硅鋁質氧化物在堿性環境下發生鋁氧鍵(Al-O)與硅氧鍵(Si-O)的斷裂，生成物在介質水中通過斷開氧橋形成PS、PSS、PSDS低聚結構單元，其中PSS型硅鋁長鏈被視為是強度達到最高的鏈型[6-7]。后隨著反應進行，上述單元集合形成以硅氧四面體[SiO4]4-和鋁氧四面體[AlO4]5-為單元的三維網絡狀結構，堿金屬或堿土金屬離子分布于網絡孔隙以平衡電荷，其基體呈非晶態或半晶態[8-10]。

在地聚合物生成的過程中，各組分均協同承擔著不同的功能:硅鋁質礦物提供聚合的原料；堿激發劑溶解原料的表面，釋放出反應單體并中和過剩電荷[11-12]；水作為傳播媒介，促進硅鋁酸鹽的溶解[13]。但籠統的從礦物的角度分析地聚合物合成只說明了硅鋁基的結合情況，具有一定的局限性，并不能有效區分不同結構的硅鋁質氧化物內在反應機理。且由于制備地聚合物原材料種類越來越廣泛，外摻無定形SiO2后更為復雜的鏈式結構[14],鈣組分在堿性環境下如何與硅鋁相結合等問題，目前仍無定論[15-16]。……