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1、地聚物混凝土小组成员：简思敏、曹亮、闫佳、肖永波、海啸指导老师：蔡健、左志亮地聚物定义地聚物的国内外研究现状地聚物混凝土的性能地聚物定义地聚合物材料是近年来国际上研究非常活跃的材料之 一。它是以粘土（偏高岭土）、 工业废渣或矿渣， 碱激发剂为原料, 采用适当的工艺处理, 在较低的温度 条件下( 50 180 ), 通过化学反应得到的具有与陶瓷 性能相似的一种新材料。地聚物的制备硅铝酸盐材料 如：偏高领土、粉煤灰、矿渣如：硅酸钠、硅酸钾碱性溶液地聚物一、地聚物 混凝土发展 历程与现状使用普 通硅酸盐水泥建 造的现代混凝土 建筑的寿命一般 在50年左右，然 而许多古代的建 筑：如古罗马的 斗兽场，
2、埃及的 金字塔等却能千 年屹立不倒。 J.Davidovits经过大量调查和研究发现古埃及金字塔所用的石材是人工合成的，而这种人工合成的材料正是所谓地聚物。接着通过X光(XR)、X光衍射(XRD)、核磁共振(NMR)、电子衍射等手段证实了这一观点。地聚物(Geopolymer)最早于1978年由法国科学家J.Davidovits提出，在对耐久性优异的古埃及金字塔等的研究中发现了网状的硅铝化合物，而该化合物的结构与地壳中的沸石类结构非常类似，因此被称为地聚物。发展历程国外研究澳大利亚的J.Temuujin,A.van Riessen研究了火山灰初步煅烧对地聚物性能的影响，印度尼西亚Sotya A
3、stutingsih 和HenkiWibowo Ashadi等组成的科研团队，研究了利用制备地聚物胶凝材料的课题，新西兰的Jona混凝土废料thanTaiby、Kennth 、J.D.MacKenzie对硅铝地聚物与波特兰水泥复合材料的结构和物理性能、以及其内含物质进行了研究。 国内研究最有代表性的是张云升博士和孙伟教授的研究团队以及香港科学与技术大学的李宗津教授，早在2000年就开始了对地聚物的形成机理、结构特征、配比设计、工艺体系、物理性能、耐久性及其在土木工程中的应用进行了研究，此外，杨巧、杨晓鸿研究了利用偏高岭土制备地聚物胶凝材料的工艺和特性；孙家瑛首次讨论了地聚物与粉煤灰复合灌浆材料
4、的物理力学性能，并对其制备工艺进行了研究。关于地聚物的形成机理主要有以下几种认识，如下表 所示： J.Davidovits观点 目前，最为认可的就是J.Davidovits提出的解聚和缩聚理论，认为地聚物材料的凝结硬化过程就是原材料中硅氧键和铝氧键在碱性催化剂作用下断裂后再重组的反应过程。 以偏高岭土为原材料，NaOH和KOH为激活剂制备( N a，K )PSS为例对其反应机理进行说明：首先，摩尔比为1:2的偏高岭土和无定型二氧化硅在强亲核试剂NaOH和K OH以及水的作用下，发生S iO和AIO共价键的断裂反应。可以这么说，在水溶液中生成了硅酸和氢氧化铝的混合溶胶，溶胶颗粒之间部分脱水缩合生
5、成正铝硅酸。其次正铝硅酸在碱性或干燥环境下不稳定，会进一步脱水聚合形成聚铝硅氧缩聚大分子链。J.Davidovits观点地聚物的结构地聚物缩聚大分子的通式为： Mx(SiO)wAlOnzH2O 其中，M代表碱金属元素，x代表碱离子个数 ，表示化学键，w表示硅铝比，n表示缩聚度，z表示 化学结合水的数目(0w4)。 地聚物优点地聚合物具有以下优点 (1)强度高,主要力学性能指标优于玻璃与水泥。(2)具有较强的耐腐蚀性与较好的耐久性,大大优于传统水泥材料。 (3)具有较好的快硬固化性。(4)材料耐高温,隔热效果好。(5)原料价格低廉,储量丰富,其主要构成元素硅、铝、氧在地壳中储量分别为27%,8%
6、,47%。(6)生产能耗低,其能耗只有陶瓷的1/20,钢的1/70,塑料的1/150。(7)增韧、增强外添加剂选择范围广。地聚物混凝土 地聚物胶凝材料是一种高性能的碱激活水泥,不同于普通硅酸盐水泥。地聚物混凝土研究发现 ,地聚合物具有许多硅酸盐系列水泥难以达到的优异性能,在土木工程、固核固废、高强、密封及高温材料等方面均显示出很好的开发应用前景。由于偏高岭土价格较高,近年来采用各种工业废渣 ,如粉煤灰、矿渣、炉渣、尾矿等铝硅酸盐材料部分或全部取代偏高岭土，制备碱激发复合胶凝材料再次成为国内外的研究热点。混凝土拌合物和易性 研究发现,对硅酸盐水泥具有良好减水作用的减水剂对碱激发胶凝材料效果往往很
7、差。此外，随NaOH和水玻璃浓度增加,碱激发粉煤灰砂浆流动度下降。碱激发胶凝材料-集料界面特性 在硅酸盐系列水泥混凝土中,通常集料与水泥石间存在界面过渡区,对强度和耐久性影响较大,但碱激发胶凝材料与集料间不存在类似界面过渡区。原因：石灰石砂与胶凝材料间存在化学作用,石英砂和花岗岩砂中铝硅成分则在碱激发作用下,也参与聚合反应,从而在碱激发胶凝材料与集料之间不存在界面过渡区。抗化学侵蚀性研究表明,虽然矿渣含钙量较高,但与硅酸盐系列水泥相比,碱矿渣水泥仍具有良好的抗化学侵蚀性能 且其抗化学侵蚀性能似乎优于碱激发粉煤灰材料,其原因可能与碱激发材料孔结构有关,水玻璃激发粉煤灰试样平均孔径约6.28nm
8、,水玻璃激发矿渣试样大部分孔均为 10nm以下的凝胶孔,因此 ,水玻璃激发矿渣混凝土抗化学侵蚀性优于水玻璃激发粉煤灰混凝土。对钢筋的保护作用1）粉煤灰混凝土研究发现。抗压强度相当时,与普通硅酸盐水泥相比 ,碱激发粉煤灰混凝土对钢筋具有更好保护作用,强度越高,钢筋防锈能力越强。NaOH和水玻璃激发粉煤灰混凝土与普通水泥混凝土类似,可迅速在钢筋表面形成钝化保护层,因而对钢筋具有良好保护作用,但碱激发粉煤灰混凝土中含有 2%的Cl-时,其锈蚀速率将增大 100倍。对钢筋的保护作用2）碱矿渣混凝土碱矿渣砂浆抗氯离子渗透能力优于硅酸盐水泥砂浆,水玻璃激发矿渣砂浆28d， 氯离子渗透电通量仅约为硅酸盐水泥
9、砂浆的1/3 ,Na2CO3和 激发矿渣砂浆抗氯离子渗透能力更强。可见,碱激发胶凝材料混凝土具有良好抗氯离子渗透能力,特别适合海工钢筋混凝土结构。混凝土变形性能1）化学变形 一般认为,碱激发偏高岭土和粉煤灰材料化学减缩变 形较小,但相关研究很少。廖佳庆研究发现,激发碱矿 渣水泥化学减缩与硅酸盐水泥相当,水玻璃激发试样化 学减缩略小于硅酸盐水泥。 2）干缩变形 碱激发偏高岭土材料和碱激发粉煤灰材料的干缩 变形都小于硅酸盐水泥，而碱矿渣水泥干缩较大，其 干缩与激发剂种类和用量有关,水玻璃和 NaOH激发 试样干缩分别达混凝土变形能力硅酸盐水泥干缩的6 倍和 3倍,且随激发剂用量增加而增大,而碳酸钠激发试样干缩比硅酸盐水泥略低或相当,加入减缩剂可有效减小水玻璃激发矿渣砂浆干缩,但相对湿度较低时,干缩仍远高于硅酸盐水泥砂浆。 3）弹性模量与Poisson 比 碱激发粉煤灰材料配制成混凝土后,其弹性模量大大提高。但是与硅酸盐水泥混凝土相比,碱激发粉煤灰和矿渣混凝土弹性模量较小,但目前相关研究还不多,其原因有待进一步研究。混凝土变形性能碱激发粉煤灰混凝土Poisson 比为 0.23一0.26 ,略高 于普通混凝土(0.110.21) 和高强混凝土的 (0.200.25)。 4）徐变 研究表明,与水泥混凝土相比,碱激发粉煤灰混凝 土徐变较小。 谢谢！
