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1、,地质聚合物混凝土,目 录,反应机理,应用,Reaction,Application,Expectation,Catalogue,地质聚合物混凝土的相关概念、分类及特点,基本概述Basic overview,地质聚合物混凝土,地质聚合物混凝土,以地质聚合物为胶凝材料制备的一种具有优异性能的新型混凝土类材料。此概念最早于1978年提出。,烧粘土（偏高岭土）,Si、Al、O为主要元素的硅铝质材料,工艺处理,较低温度,特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构的新型无机聚合物材料,地质聚合物混凝土,比高分子材料、陶瓷、水泥和金属更好的性能,原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小。是一种可持续发展的绿色环保
2、材料,应用于汽车及航空工业、土木工程、交通工程等领域。,地质聚合物混凝土特点,地质聚合物混凝土,根据地质聚合反应中所使用激发剂种类的不同,酸激发地质聚合物材料,碱激发地质聚合物材料,盐激发地质聚合物材料,工业水玻璃、氢氧化钠、氢氧化锂或它们之间的混合物,磷酸等,硫酸盐、氟化物、硅酸盐与铝酸盐等,激发剂,地质聚合物在10001200之间不氧化、不分解，在高温条件下很稳定，可以保持60 %以上的原始强度,地质聚合物混凝土,1,2,3,5,7,耐腐蚀性、耐久性好,早强快硬,力学性能好,早期强度高，凝结时间快。随着温度升高,凝结时间有缩短的趋势。在一定工艺条件下，强度可达300MPa 以上。,良好界面
3、结合能力,渗透率低耐冻融循环,形成致密的结构，强度高，抗渗性能优良；孔洞溶液中电解质浓度较高,4,固定有毒金属离子能力强,对Hg、As、Fe、Mn、A r、Co、Pb的固定率大于或等于90 %；“牢笼型”的网络骨架稳定。,耐高温隔热效果好,6,8,环境友好型绿色建筑材料,良好耐久性,地质聚合物混凝土,由于地质聚合物的脆性较大，地质聚合物混凝土表现出脆性较大的缺点。针对其缺点，国内外学者采用掺入高性能纤维等手段通过多种方式来增加韧性，进行改性研究。但由于大多是借鉴水泥、陶瓷的改性手段，没有结合地质聚合物的结构特点，且增韧机理不够明确，所以具有一定的局限性。有学者提出，引入有机聚合物与地质聚合物中
4、的活性物质反应来增强和增韧，初步试验结果表明这种方法可行，值得进一步研究。,反应机理,Reaction,1,2,3,4,以法国科学家Joseph Davidovits为代表的研究者提出的利用氢氧化钠/氢氧化钾激发偏高岭土制备地质聚合物的机理模型,曹德光等研究提出利用低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土制备地质聚合物的反应机理,马鸿文等研究提出利用碱硅酸盐混合溶液(氢氧化钠和水玻璃)激发粉煤灰和煅烧高岭石制备地质聚合物的反应机理李化建等研究提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂研制煤矸石质硅铝基胶凝材料的水化机理,地质聚合物混凝土,目前针对不同体系具有代表性的地质聚合物反应机理模型有以下几个：,地质聚合物混凝
5、土,反应机理1,根据反应产物中硅铝比(Si/Al)之间的比例关系，可将地质聚合物分为3 种类型：PS 型(-Si-O-Al-)、PSS型(-Si-O-Al-O-Si-)、PSDS 型（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-）。基于此将地质聚合物的分子式表为：Mn-(SiO2 )z-AlO2-n mH2O式中z为1、2 或3；M为碱金属离子(Na+、K +等)，n为聚合度，m为结合水量。,偏高岭土等活性材料,低聚铝氧四面体,低聚硅氧四面体,三维网状结构的无机高聚物,高碱性溶液,裂解,高碱,聚合反应,地质聚合物混凝土,反应机理2,低聚合度硅氧四面体基团起到一种“胶联”的键合作用，将偏高岭土颗粒“粘
6、联”在一起。,硅酸钠溶液低聚合状态的硅氧四面体基团,偏高岭石中的活性铝氧层,化合反应,“键合反应”,网络状的三维空间结构产物,张云升等应用环境扫描电镜原位定量追踪K-PS 型和K-PSDS 型地质聚合物水泥在相对湿度80 %条件下水化产物生成-发展-演化的全过程。结果表明：在水化早期,偏高岭土颗粒松散地堆积在一起，存在许多大空隙;随着龄期的延长,生成的大量海绵状胶体积淀在颗粒表层，并向外扩充;到了后期，颗粒被胶体厚厚包裹，空隙被填满，基体变得非常致密。,地质聚合物混凝土,反应机理2,段瑜芳等也对低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土胶凝材料进行了研究，并提出碱激发偏高岭土胶凝材料的水化同样可以分为初始期
7、、诱导期、加速期、减速期以及稳定期。但是，各水化阶段的反应机理与传统的水泥基材料完全不同。初始期主要是偏高岭土对溶液组分的表面吸附；诱导期主要表现为活性硅铝氧化物的溶解；加速期表现为四面体基团的聚合；减速期水化速度降低的主要原因是扩散阻力增大，同时偏高岭土反应面积减小，液相中的碱含量降低也是重要原因。,地质聚合物混凝土,反应机理2,粉煤灰中的铝硅酸盐玻璃相在强碱的作用下首先发生溶解，其中部分Si-O、Al-O键发生断裂;断裂之后的Si、A l组分在碱金属离子N a+、OH -等作用下形成Si、A l低聚体（-Si-O-Na、-Si-O-Ca-OH、A l (OH )4-、A l (OH )52
8、 -、A l-(OH)63 -），而后随着溶液组成和各种离子浓度的变化，这些低聚体又形成凝胶状的类沸石前驱体；最后前驱体脱水得到非晶相物质。,地质聚合物混凝土,反应机理3,地质聚合物混凝土,反应机理4,李化建等研究提出利用改性硅酸钠溶液作为成岩剂，研制煤矸石质硅铝基胶凝材料的水化机理：焊接原理(铝硅酸盐之间的缩聚)和包裹原理(硅凝胶、C-S-H凝胶以及铝硅酸盐之间的交织)的综合。煤矸石质硅铝基胶凝材料的硬化成岩分为3个阶段，即成岩剂的水解、迁移，原位键合以及包裹胶结。,应用,Application,地质聚合物混凝土,Application,地质聚合物混凝土具有良好的耐久性和力学性能，快凝早强，
9、结构致密，耐高温等优异性能是其工程应用的基础。,展望,Expectation,研究时间相对较短，尚缺少包括体积稳定性在内的长期耐久性数据，且脆性较大。针对实际工程应用的需要，建议进一步研究地质聚合物的复合、增强、增韧等改性措施，拓宽其应用领域。,虽然强度高、耐酸碱腐蚀，但是其粘聚性较强，对于施工还存在一定的困难，因此如何制备出高强度自流动性的地聚物混凝土成为今后研究的方向。,3,地质聚合物混凝土,Expectation,缺少相应的标准和规范，对产品的组成配比、技术指标、施工方法及应用范围等没有详 细的说明规定。建议进一步对其组成配比、技术指标、施工方法等研究，提供并制定规范和指导生产的准确 技
10、术参数，建立一套有别于传统水泥应用领域的评价标准。,NaOH 和Na2SiO3 等碱性激发剂资源有限、价格较贵，其生产与应用给环境带来的负面 影响，也影响了这种材料的推广应用。激发剂方面需要考虑替代品或采用复合激发的方式，降低成本,减少生产、应用对环境的污染。,地质聚合物混凝土,Expectation,地质聚合物混凝土,1Davidovits J. The ancient egyptian pyramids-concrete or rockJ. Concrint, 1987, 9(12):282Davidovits J. Geopolymers and geopolymeric new mat
11、erialsJ. J Thermal Analysis, 1989, 35(2):4293Davidovits J .Geopolymers:Inorg anic polymer new materials J .J Thermal Analysis, 1991 , 37:16334孙道胜,王爱国,胡普华. 地质聚合物的研究与应用发展前景J. 材料导报,2009,(07):61-65.5范飞林. 地质聚合物混凝土的制备及工程应用前景A. 中国岩石力学与工程学会工程安全与防护分会.第一届全国工程安全与防护学术会议论文集C.中国岩石力学与工程学会工程安全与防护分会:,2008:5.6韦旭朋,孙健婕
12、,赵双权,张圆圆. 粉煤灰地质聚合物的制备及研究现状综述J. 四川水泥,2017,(01):13.7李圣.有机树脂强化增韧偏高岭土矿渣基地质聚合物的性能研究D.西安建筑科技大学硕士论文，材料学，2014：1-2.8巩思宇.养护温度和时间对碱基发偏高龄土基地质聚合物反应过程及性能的影响D.广西大学硕士论文，材料化工，2012：1-2.,地质聚合物混凝土,9朱国振.粉煤灰/偏高岭土地质聚合物材料的制备及其性能研究D.景德镇陶瓷学院硕士论文，材料物理与化学，2014:34.10黄凤会. 废弃物基地质聚合物材料的制备及性能研究D.济南大学,2014.11龙伏梅. 粉煤灰地聚合物材料及性能研究D.南昌大
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