地質聚合物的應用研究進展*

譚 弘，孫林柱

（1.江西財經大學 藝術學院，江西 南昌 330000；2.溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325000）

隨著人們對環境保護意識的加強，世界各國對CO2等物質的排放限制越來越嚴格。傳統硅酸鹽水泥無法滿足反應過程中消耗低、污染小等的要求，而解決問題的關鍵是尋求一種可替代波蘭特水泥的材料，從而使建筑材料的生產更加環保、綠色和可持續化。Davidovits［1-2］在1978年首次提出了“地質聚合物”這一概念，它是一種化學鍵合陶瓷，多以硅、氧、鋁為主要元素的硅鋁質材料構成，經過一定的化學激發反應得到一種具有類似水泥、陶瓷等特性的新型無機聚合物材料［3-5］。地質聚合物的基本結構單元多為硅-鋁-氧四面體，最終產物以共價鍵、離子鍵為主，氫鍵、范德瓦爾斯鍵為輔，因此地質聚合物表現出耐高溫、耐熱、吸附有害物質等特點，其應用范圍廣泛［6-8］。

1 反應機理

法國科學家Davidovits［1］將鋁硅原材料進行縮聚反應后形成的無定形三維空間網絡結構的一種無機凝膠材料定義為地質聚合物。研究表明，鋁硅酸鹽地質聚合物是通過一些假設基團逐步發生縮聚反應，而這些假設而成的單元基團進一步縮聚形成一個三維大分子結構。通常，地質聚合物的反應機理包括三個階段，分別是：溶解階段、單體重建階段、單體縮聚階段。圖1為偏高嶺土堿激發離子縮聚反應機理的過程。

圖1 偏高嶺土堿激發離子縮聚反應過程

2 固化重金屬

隨著世界經濟的快速發展，環境污染、全球變暖等成為全球人們開始關注的問題。對于污染物而言，水起到至關重要的角色。水污染通常來源于各種廢水、雨水和生活污水等，其中包含鐵 （Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉛（Pb）等重金屬元素［9］。活性炭被商業界認為是一種吸附力強的材料，可以吸附水中的有害雜質，但是它也有自身的缺點。例如，長久使用后需要定期更換，高溫下會放出有害氣體，用途有局限性等［10］。近年來，地質聚合物由于自身良好的結構特性，通過吸附作用可去除重金屬離子，減少高消耗、廢物排放多的產品，使其成為一種綠色環保的新型建筑材料［11］。在工程應用上，部分電廠將排放出的粉煤灰進行合成反應，制備成粉煤灰基地質聚合物，用來去除重金屬。研究表明，粉煤灰基地質聚合物的固化重金屬效果較好。這一發現給學者們的后續研究提供了一條新的探索方向。采用粉煤灰基地質聚合物去吸附廢水中的鉛元素，隨著接觸時間的增加，吸附效果也更好。對重金屬離子（Cr、Cd、Pb等）的固化和溶解效果，金屬類的鹽離子對地質聚合物的抗壓強度影響不大，但其內部凝膠和鋁硅酸鹽相互結合，可以有效固定金屬離子，同時在較高的pH環境中，氫氧化物相的溶解度更大。Tan等［12］和Novais等［13］研究了粉煤灰基（FA）、偏高嶺土基（MK）組成的多孔、傳統和透水的地質聚合物，觀察不同結構吸附鉛、銅、鉻、鋅等重金屬離子的能力，發現吸附性能從高到低的排序依次為：粉狀、塊狀、透水性地質聚合物，這可能與自身比表面積的接觸和作用點位置有關。

3 加固材料

隨著建筑領域的迅速發展，道路及橋梁工程中出現路基變形、基礎不穩定等一系列的問題，這引起了廣大學者的重視。為了開發一種更好的新型地基加固劑，完善傳統的粒化高爐礦渣、粉煤灰等鈣基加固劑，研究人員發現了地質聚合物這一類加固材料。由于地質聚合物材料本身具有高流動性、高性能強度和固化結硬快等特點，同時地質聚合物的堿渣注漿技術能夠有效填充道路中的裂縫和加固道路中的基層、面層，因此可以防止鋼筋銹蝕、加固路基的密實度和提高相應的承載力。長期以來，研究學者在地質聚合物的加固試驗過程中取得了一定的成果。例如，Cristina Zanotti等［14］人進行了偏高嶺土與混凝土基底采用地質聚合物修補砂漿和PVA纖維來加固其黏結強度的試驗，發現地質聚合物的開發和應用促進了硅酸鹽水泥混凝土的修復，而纖維的加入提高了膠凝材料之間的內聚力；Costantino Menna等［15］人也研究了地質聚合物在外部黏結復合材料中用于鋼筋混凝土梁的加固試驗，發現地質聚合物基質和混凝土、鋼絲簾線相互粘結，不會出現分層機制，從而大大改善了鋼筋混凝土梁的彎曲性能。

4 泡沫材料

地質聚合物泡沫材料具有高熱穩定性、綠色環保、不易燃等特點，所以在實際工程應用中地質聚合物被廣泛考慮和研究［13］。為提高更高的應用價值，地質聚合物通常用于隔音隔熱［16-17］、熱絕緣［18］等。目前，地質聚合物泡沫材料的合成方法有兩種，一種是加入發泡劑［19］，另一種是直接添加氣泡［20-23］。發泡劑通常選用過氧化氫、微細金屬粉末等。將發泡劑加入地質聚合物泥漿中，利用發泡劑在堿性環境中的原位反應，使產生的氣泡被困在地質聚合物泥漿中，從而導致硬化體中產生空洞；而直接添加氣泡是通過事先準備好的泡沫濃縮物與地質聚合物泥漿混合反應，在固相萃取過程中有大量空隙產生。此外，多孔地質聚合物也可以通過加入添加劑來生產，它主要存在于生產地質聚合物砂漿和構建致密的混凝土，目的是提高強度用于尺寸、孔洞分布復雜的結構［24-25］。Rasouli等［26］人在此基礎上提出使用聚合物來生產地質聚合物泡沫材料。在發泡劑含量達到一定值時，地質聚合物泡沫材料的性能由發泡劑性質、混合物成分等因素決定。相比于單用發泡劑，加入表面活性劑可以穩定液氣界面，使孔徑分布更加均勻［27］。實踐證明，地質聚合物泡沫材料在工程應用上面具有很大的潛力價值。無論是加入發泡劑還是直接加入氣泡，都可以較好的提高地質聚合物材料本身的性能。對于如何加強材料與地質聚合物之間的結合，以及地質聚合物泡沫的催化效果的性能評估，都還需要進一步研究。

5 結語

本文介紹了國內外研究者在地質聚合物應用方面取得的研究成果，包括：固化重金屬、加固材料、泡沫材料等方面的研究。縱觀文獻資料可知，目前國內外已經開展了許多有效的研究工作，獲得了很多有益的知識。盡管這樣，下列問題特別需要進一步探討：

1）傳統的地質聚合物大多數應用于建筑材料裝飾、耐火保溫材料、核廢料固化材料等領域，今后可以進一步探討地質聚合物對梁、板、柱等結構性能的影響，尤其是在抗氯離子、抗耐火能力、抗碳化以及施工性能等方面的研究。

2）目前各國學者對于地質聚合物的堿激發反應機理始終沒有形成統一的理論，今后在應用過程中需要進一步地指導，結合微觀、宏觀性能和材料自身特性，制定相應的生產技術規范，建立一套獨特且準確的技術參數，用于地質聚合物基礎應用過程的評價標準。

3）在沿海地區，人工砂資源匱乏，可以嘗試著采用海水、海砂制備地質聚合物混凝土，并且進一步研究海水海砂地質聚合物混凝土之間的反應機理、性能調控、力學性能和耐久性能等，以擴大地質聚合物材料的使用規模效應。