堿激發(fā)礦渣地質(zhì)聚合物的制備與力學(xué)性能

堿激發(fā)礦渣地質(zhì)聚合物的研究進(jìn)展專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：

提要一、堿激發(fā)地質(zhì)聚合物二、堿激發(fā)地質(zhì)聚合物的研究發(fā)展現(xiàn)狀三、堿激發(fā)膠凝材料的制備四、堿激發(fā)膠凝材料的應(yīng)用五、展望堿激發(fā)地質(zhì)聚合物膠凝材料由來堿激發(fā)膠凝材料是近年來新發(fā)展起來的一類新型無機(jī)非金屬材料，是由鋁硅酸鹽膠凝成分固結(jié)的化學(xué)鍵合的一種新型膠凝材料。它是通過鋁硅酸鹽組分的溶解、分散、聚合和脫水硬化而成。其礦物組成與沸石相近，物理形態(tài)上呈三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此其具有有機(jī)聚合物、陶瓷、水泥的優(yōu)良性能。

。20世紀(jì)20年代：美國的Purdon在研究添加礦渣對(duì)波特蘭水泥的作用時(shí)制得的一種膠凝材料。這種材料的特點(diǎn)是，凝固時(shí)間快，強(qiáng)度高。南京工業(yè)大學(xué)楊南如教授認(rèn)為堿激發(fā)膠凝材料的由來可以追溯到1957年烏克蘭基輔建工學(xué)院V.D.Glukhovsky教授成功研制堿激發(fā)礦渣粉煤灰膠結(jié)材，得到強(qiáng)度高達(dá)120MPa、穩(wěn)定性好的膠凝材料，隨后歐美各國也開始進(jìn)行對(duì)這種新型膠凝材料的研究。

20世紀(jì)70年代，法國科學(xué)家JosephDavsdovits通過用堿激發(fā)偏高嶺土制得了一種新型的材料并申請(qǐng)專利。1976年，在國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)的大分子會(huì)議上，J.Davidovits提出對(duì)這類堿激發(fā)膠凝材料進(jìn)行統(tǒng)一命名為：聚鋁硅酸鹽。1978年，他首先提出并采用了“Geoplymer(地聚物)”。自此，歐美各國對(duì)這種新型材料進(jìn)行了各方面的研究，內(nèi)容涉及混凝土、耐火材料、涂料、堿品種以及其它建筑材料等。地質(zhì)聚合物簡(jiǎn)介地質(zhì)聚合物：是以含氧化硅、氧化鋁等為主要成分的硅鋁質(zhì)材料為主要原料，經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に囂幚砑盎瘜W(xué)反應(yīng)得到的一類新型的無機(jī)非金屬聚合物材料，其基本結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體和鋁氧四面體聚合而成的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠體。四個(gè)主要要素：

以硅、鋁質(zhì)廢棄物的粉體為原料以堿金屬或（和）堿土金屬鹽為激發(fā)劑經(jīng)歷溶解、解聚、再聚合過程而凝結(jié)硬化擁有與硅酸鹽水泥等傳統(tǒng)膠凝材料相似甚至優(yōu)越的性能性能研究(1)優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性能(2)良好的耐高溫性能(3)良好的重金屬固結(jié)能力(4)快硬早強(qiáng)(5)耐久性堿激發(fā)地質(zhì)聚合物的特點(diǎn)地質(zhì)聚合物的化學(xué)組成為鋁硅酸鹽,其基體相呈非晶質(zhì)至半晶質(zhì)相,具有[SiO4]和[AlO4]四面體隨機(jī)分布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),堿金屬或堿土金屬離子分布于網(wǎng)絡(luò)空隙之間以平衡電價(jià)。網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)單元為硅鋁氧鏈(Si–O–Al–O–Si–O–Si–O–)等。正是由于地聚合物材料具有類似有機(jī)聚合的鏈狀結(jié)構(gòu),且能夠與礦物顆粒表面的[SiO4]和[AlO4]四面體通過脫羥作用形成化學(xué)鍵,因而具有無機(jī)化合物和有機(jī)化合物的共同特點(diǎn)。(1)強(qiáng)度高。主要力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)于玻璃與水泥,可與陶瓷、鋁、綱等金屬材料相媲美。(2)具有較強(qiáng)的耐腐蝕性與較好的耐久性,大大優(yōu)于傳統(tǒng)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。其導(dǎo)熱系數(shù)好,可與輕質(zhì)耐火粘土磚相媲美。(5)原料價(jià)格低廉,儲(chǔ)量豐富,其主要構(gòu)成元素硅、鋁、氧在地殼中儲(chǔ)量分別為27%、8%、47%。(6)增韌、增強(qiáng)外添加劑選擇范圍廣,由于反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行,避免了高溫可能導(dǎo)致的添加物變質(zhì),添加物與基體的熱失配與化學(xué)不相容,從而可采用多種外添加劑進(jìn)行增強(qiáng)、增韌,提高材料性能。(7)滲透率低,可固化有毒廢物,地聚合物材料的滲透率與波特蘭水泥接近,可用于固封有毒金屬及放射性核廢料。國內(nèi)外研究發(fā)展歷程及現(xiàn)狀國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀

我國在這方面的研究不多。均為探索性研究．沒有國家級(jí)課題或地方政府鶯點(diǎn)經(jīng)費(fèi)的支持，參與研究的單位有中國地質(zhì)大學(xué)、北京科技大學(xué)、馬鞍山礦山研究院、蘇州混凝土水泥制品研究所，但均沒有產(chǎn)業(yè)化的報(bào)道，也沒有申報(bào)專利和成果鑒定的報(bào)道，只有少量的論文發(fā)表。堿激發(fā)膠凝材料的理論研究成果主要以J．Davidovits等通過對(duì)礦物聚合物材料的硬化過程的研究提出的反應(yīng)機(jī)理為代表，他們把礦物聚合反應(yīng)理解為“解聚·縮聚”過程，認(rèn)為礦物聚合材料的形成足在堿性催化劑作用下的硅氧鍵和鋁氧鍵的斷裂,形成一系列的低聚硅(鋁)四面體單元，這些低聚結(jié)構(gòu)單元隨著反應(yīng)進(jìn)程的進(jìn)行，逐漸脫水重組聚合反應(yīng)過程懈。與普通硅酸鹽水泥的硬化機(jī)理不同。堿激發(fā)膠凝材料的硬化過程是堿性材料與礦渣材料的反應(yīng)過程,水主要起傳質(zhì)媒介作用。而水泥的硬化過程是熟料礦物與水反應(yīng)的過程。在這里,水是一種主要反應(yīng)物。堿激發(fā)膠凝材料反應(yīng)產(chǎn)物一直是研究的熱點(diǎn),而且不同的學(xué)者的觀點(diǎn)難以統(tǒng)一。究其原因，一是反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)晶程度低，現(xiàn)有的測(cè)試手段難以準(zhǔn)確地描述和測(cè)量；二是不同學(xué)者研究手段和實(shí)驗(yàn)條件各異；另外，隨著激發(fā)劑體系的不同，反應(yīng)產(chǎn)物也有所不同。堿激發(fā)水泥存在的問題和研究中的不足之處1.堿礦渣水泥的快凝問題：快凝早強(qiáng)足堿礦渣水泥的一大特點(diǎn)。不加緩凝組分的堿礦渣水泥的初凝時(shí)間一般在30min以內(nèi)。堿礦渣水泥要像硅酸鹽水泥一樣推廣應(yīng)用，就必須將其凝結(jié)時(shí)間控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。2.堿骨料反應(yīng)問題重視不足：堿激活水泥的堿含量以Na2O當(dāng)量計(jì)一般都在3％以上,堿激活水泥砂漿或混凝土中是否會(huì)發(fā)生堿骨料反應(yīng)足人們普遍關(guān)心的問題。堿骨料反應(yīng)的破壞是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，加速堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)并不能精確地反映活性骨料在實(shí)際工程中的變化情況，多年的工程實(shí)例也不能排除堿骨料反應(yīng)存在的可能性。因此，對(duì)堿激括水泥的研究不能忽視堿骨料反應(yīng)的存在。3.表面泛霜：堿激活水泥因?yàn)槊?xì)孔中堿濃度較高,在形成水化物之前，堿容易隨水分蒸發(fā)而在表面析出，并與空氣中的CO2反應(yīng)，在水泥制品表面形成一層R2CO3，R2SO4(R為堿金屬離子)等的?！鞍姿?，稱為“表面泛霜”。表面泛霜不僅影響制品的外觀,而且會(huì)降低制品的抗?jié)B性和界面結(jié)合強(qiáng)度,影響其耐久性。在95％的相對(duì)濕度下對(duì)堿激活水泥加速養(yǎng)護(hù)，可以減少表面泛霜現(xiàn)象。但在實(shí)際工程中很難做到。4.收縮問題：堿激活水泥的收縮不僅與激活劑的性質(zhì)有關(guān)，而且還與火山灰活性材料的性質(zhì)、細(xì)度、水膠比以及養(yǎng)護(hù)條件等有關(guān)。因此,在對(duì)堿激活水泥的研究中，把握各組分之間的相互關(guān)系以及堿激活水泥產(chǎn)生收縮的實(shí)質(zhì),并通過相應(yīng)的}段控制其收縮，是一個(gè)非常重要的課題。5.堿礦渣水泥的強(qiáng)度波動(dòng)問題：與硅酸鹽水泥相比，堿礦渣水泥的強(qiáng)度具有較大的波動(dòng)性。堿礦渣水泥的強(qiáng)度對(duì)堿和礦渣本身的特性都足敏感的。并且各種交叉因素對(duì)堿礦渣水泥強(qiáng)度的發(fā)展影響較大。另外，堿礦渣水泥因大量地利用工業(yè)副產(chǎn)品或廢渣，這些工業(yè)副產(chǎn)品或廢渣成分和性質(zhì)渡動(dòng)往往較大,實(shí)際生產(chǎn)中難以穩(wěn)定堿礦渣水泥的質(zhì)量與性能。堿激發(fā)膠凝材料的制備堿激發(fā)劑

減激發(fā)劑是堿激發(fā)膠凝材料的專業(yè)術(shù)語，在化學(xué)中叫做催化劑。一般是指苛性堿、含堿性元素的硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽等物質(zhì)。堿激發(fā)劑的催化原理

堿激發(fā)膠凝材料就是利用堿激發(fā)劑的催化原理，堿激發(fā)劑對(duì)礦渣的水化起催化作用，使礦渣的水化反應(yīng)速度加快，但是隨著時(shí)間推移水化反應(yīng)速度很快減慢或基本終止。減慢的原因：一是堿激發(fā)劑（催化劑）參與反應(yīng)生成新的礦物，造成激發(fā)劑（催化劑）永久性中毒，活性離子大量的減少。二是新生成的礦物附著在表面，堵塞了活性離子反應(yīng)的通路，使反應(yīng)速度很快減慢或反應(yīng)無法進(jìn)行。具體的講，一是礦渣與激發(fā)劑反應(yīng)將生成低鈣硅酸鹽、鋁酸鹽、硅鋁酸鹽凝膠，硅鋁酸鹽將消耗一定量的活性離子（造成激發(fā)劑永久性中毒），使活性離子大量的減少。

二是硅鋁酸鹽、硅酸鹽、鋁酸鹽凝膠等礦物，附著在細(xì)小的礦渣顆粒表面（造成結(jié)焦和堵塞中毒），活性離子很難穿透硅鋁酸鹽、鋁酸鹽、硅酸鹽凝膠等礦物，使活性離子失去激發(fā)作用，造成堿激發(fā)膠凝材料的反應(yīng)率很低。如在水熱蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，堿激發(fā)膠凝材料的反應(yīng)率有很大提高。另外，堿激發(fā)膠凝材料的質(zhì)量均衡性差。在堿激發(fā)膠凝材料中，礦渣是其它工業(yè)的副產(chǎn)品，不同廠家或同一廠家的不同時(shí)間，礦渣的化學(xué)成分及含量變化都很大。因此，以礦渣為主要原料的堿激發(fā)膠凝材料其質(zhì)量的均衡性很難控制。上述三點(diǎn)是堿激發(fā)膠凝材料或凝石的致命缺陷。制備考慮的因素地聚合物的主要成分Al2O3，SiO2的摩爾比將決定地聚合物的組成結(jié)構(gòu)是PS（單硅鋁），PSS（雙硅鋁）或PSDS（三硅鋁），不同結(jié)構(gòu)種類的地聚合物性能有較大差別，因此Al2O3，SiO2之間的摩爾比是制備地聚合物時(shí)要考慮的重要因素之一。其次，堿性介質(zhì)在合成地聚合物膠凝材料時(shí)主要起兩個(gè)作用：（1）產(chǎn)生高濃度堿性環(huán)境，使Si-Al質(zhì)材料發(fā)生溶解，釋出可自由移動(dòng)的Si，Al離子單體；（2）作為平衡電荷來平衡由于四配位Al3+造成的過剩負(fù)電荷，使體系始終處于平衡、穩(wěn)定狀態(tài)。因此，M2O（M代表Na或K）多少直接關(guān)系到地聚合物反應(yīng)能否發(fā)生，形成速度如何以及生成的地聚合物能否穩(wěn)定存在，所以M2O也是制備地聚合物時(shí)要考慮的重要因素之一。另外，地聚合物形成過程中，H2O在其中起至關(guān)重要的作用：（1）輸運(yùn)各種反應(yīng)離子的介質(zhì)；（2）作為反應(yīng)媒介；（3）地聚合物膠結(jié)硬化時(shí)作為結(jié)構(gòu)水存在于產(chǎn)物中，即充當(dāng)反應(yīng)物；（4）保證反應(yīng)混合物具有良好的工作性。因此H2O也應(yīng)該是制備地聚合物時(shí)要考慮的重要因素之一。同時(shí)，在保證拌合物具有良好的流動(dòng)性的前提下，應(yīng)盡可能降低用水量，以提高地聚合物的力學(xué)性能和耐久性能。堿激發(fā)膠凝材料的應(yīng)用地聚合物的原材料豐富,以粘土、工業(yè)廢渣或礦渣為主要原料。地聚合物生產(chǎn)成本低,能耗小,幾乎無污染,是一種環(huán)保型可持續(xù)發(fā)展的材料。它的這些特性和優(yōu)勢(shì)已經(jīng)引起了普遍的重視,可以使用于航空航天、冶金、礦山、化工、建材和環(huán)保等多種領(lǐng)域,前景十分廣闊。例如：在建材,石材領(lǐng)域。地聚合物是一種很好的藝術(shù)及裝飾性的材料,可以將其作為制作人造大理石的一個(gè)方法,其制品具有天然石材的外觀,并具備較好的加工性能,便于成型及制作各種藝術(shù)及裝飾材料,還可以將其作為建筑材料,建造美觀而且十分堅(jiān)固的建筑物,能夠屹立2000年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。展望

堿激發(fā)膠凝材料混凝土拌合物和易性較差，且對(duì)硅酸鹽水泥具良好減水作用的減水劑往往對(duì)堿激發(fā)材料無效。雖然蔡系減水劑對(duì)Na0H激發(fā)膠凝材料體系有效，但仍具很大局限性，且減水劑用量過大導(dǎo)致混凝土性能下降，因此，迫切需要尋找適應(yīng)于堿激發(fā)材料的減水劑。

目前，相關(guān)研究還不夠系統(tǒng)和深入，特別是原材料熱歷史和含鈣量、激發(fā)劑種類和用量對(duì)堿激發(fā)工業(yè)廢渣膠凝材料結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律、機(jī)理及其定量表征等，均有待進(jìn)一步開展系統(tǒng)而深入的研究。但我相信只要本著從節(jié)約能源、利用工業(yè)廢渣，使