• 地质聚合物混凝土路面 路面混凝土与普通建筑用混凝土相比其主要特点 是要求混凝 土层具有更高的抗折强度和更好的耐磨 性。地质聚合物材料的主要特点就是其抗折强度大大 高于一般水泥基材料(当抗压强度相同时)，同时地质 聚合物还有比水泥硬化体更高的硬度。一般来说，水 泥净浆硬化体的莫氏硬度在5左右，而地质聚合物的 莫氏硬度一般在6左右。同时，地质聚合物的弹性模 量比水泥材料大的多，因而当混凝土的骨料相同时， 地质聚合物混凝土的耐磨性显然高于水泥混凝土。虽 然地质聚合物混凝土不适于泵送，但由于传统混凝土 路面多采用翻斗车运输，因而对施工无不利影响。
与有机聚合物相比, 地聚合物分子是由硅、 铝和氧等元素通过共价键连接而成, 氧的原子分 数是硅和铝总和的2倍; Si-O键能为535kJ/mol, 并且Si-O键和Al-O键具有方向性,不易转动。有 机聚合物中C-C键能为360 kJ/mol、C-O键能为 334.7 kJ/mol、C-N键能为284.5 kJ/mol, 都比 Si-O键能低,且高分子链大都是柔性链, 可在三 维空间自由转动和折叠, 因此地聚合物材料具有 比高分子材料高得多的强度、硬度、热稳定性 和抗氧化能力。
• 具有良好耐久性和耐磨性的高强结构材料及耐 高温注模材料
市政道路路面上铸铁井盖的丢失已成为我 国许多城市的顽疾。利用纤维增强的地质聚合 物制成的高强结构材料由于可能在强度和耐磨 性能等方面满足长期重车碾压的要求，故可以 代替普通铸铁井盖。这不但可避免井盖的丢失， 还可以大幅度降低市政工程造价。 许多形状复杂的铸件的铸造都要从蜡模设 计开始。利用地质聚合物具有良好的浸润性、 流动性以及可在常温下固化和线收缩小等特点， 可以容易地从蜡模翻制成能够在高温下进行铸 造的模具。
屋面瓦可认为是建筑用块体材料的延伸产 品。由于地质聚合物材料良好的抗折强度和耐 久性，再加上聚合物材料容易制成亮度较大的 彩色制品，因此用地质聚合物制造高档次、低 成本的屋面瓦将能够在红色粘土烧结瓦和水泥 砂浆瓦已经占据的市场中迅速抢占市场份额。 根据地质聚合物的性能特点，如果能够用其代 替水泥来生产纤维增强地质聚合物大型薄板状 波形瓦将比传统的水泥· 石棉瓦具有更好的耐久 性、更高的强度和更低的成本。
地质聚合物的另一个特点是当其制成泥膏 状时具有良好的可塑性。在使用水泥生产GRC 时，为了增加泥料的可塑性往往需要添加大量 的甲基纤维素(CMC)，这部分成本几乎占全部 原材料成本的1/3~1/4。使用地质聚合物代替水 泥后可大部分或全部取消CMC 的使用。这样可 使GRC 的生产成本进一步下降。 与水泥制品相比，地质聚合物制品特有的 高抗折强度、耐腐蚀和导热系数低的特点，使 得用地质聚合物生产的GRC特别适合作新型墙 体最外面的装饰性保护层。其特有的耐久性可 大大延长新型墙体服役的时间与安全性。
• 地质聚合物固结矿山尾矿、粉煤灰和用于固沙工程 由于地质聚合物具有不用湿养护(部分配方的地 质聚合物)、耐久性好、与硅酸盐颗粒能形成化学 结合和梯度层等特点， 因此用地质聚合物固结无 法综合利用的矿山尾矿、粉煤灰等微细颗粒固体废 弃物，防止土地沙化，保护环境，可以收到事半功 倍的效果。其与利用水泥或有机聚合物相比成本可 下降2倍～3倍。利用地质聚合物的上述特征可将地 质聚合物用于通过沙漠边缘地区铁路或公路两侧的 永久性工程固沙， 也可用于一些临时工程或沙漠 绿化初期的临时固沙。
式中:M为碱金属, m可以为1、2、3, n为聚合度, q为结合 水量。
资料显示反应如式⑵和⑶:
由于在式⑶中的反应不断发生, 并生成稳定的三维聚合铝 酸盐结构水化产物, 消耗了式⑵中反应生成物, 使得式⑵的反 应得以不断进行下去, 从而使反应物中的Si-O键和A1-O键不断 被破坏, 原结构解体。反应形成的铝酸盐结构水化产物不断交 织、聚合, 产生高强度无序的胶凝材料结构, 机械强度不断提 高。在网络结构中[SiO4]和[AlO4]四面体由4个角的共有氧原子 相连, 激发剂溶液中的碱离子填充在结构中平衡由Al3+取代Si4+ 后多余的负电荷。这些原材料以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 为主要成分, 在碱性条件下, 其活性组分要经历瓦解并再度链 接而形成以硅、铝为主要结构单元的化学键合陶瓷体结构,物 质之间以离子键和共价键连接为主, 氢键和范德华力为辅, 不 存在传统水泥水化生成的钙矾石和氢氧化钙粗大晶体, 因而具 有高强和耐久的结构特征。
综上所述, 地聚合物某些力学性能与陶瓷相 当,耐高温等性能要超过金属与有机高分子材料, 但其生产能耗只及陶瓷的1/20, 钢的1/70, 塑料 的1/150。因此, 地聚合物有可能在许多技术领 域内代替金属等材料。
聚合物的应用前景
随着各国对污染物排放的限制越来越严格，水泥生产的环 境成本将越来越高。国外许多国家已经从简单的征收排污费发 展到将污染物排放权进行商品化。持续攀高的环境成本迫使大 型工业企业花大力气在产品节能和环保方面提高技术水平。这 不但极大地促进了地质聚合物科学的研究与相关技术的开发， 也将为地质聚合物在许多领域代替水泥或其它胶凝材料创造巨 大的市场空间。由于地质聚合物既不同于普通水泥，也不同于 一般的有机聚合物，有着它自己一些独特的优异性能，因此地 质聚合物的早期应用不可能很快全部取代水泥， 更不能大量取 代有机聚合物。如地质聚合物在水泥的最重要应用领域— —大 流动性(泵送)混凝土中的应用，还有许多困难需要克服，如与 混凝土外加剂以及施工设备的相容性问题等。但是，目前普遍 采用水泥或有机聚合物的许多领域，地质聚合物都能充分发挥 其优异的特性，能够大幅度提高性能，降低成本。
• (3) 抗核辐射性好：地聚合物网络骨架即使是在核 辐射作用下, 仍比较稳定, 能长期经受辐射作用而 不老化, 有效地固封核废料, 这是有机高分子聚合 物及硅酸盐水泥所无法达到的性能。 • (4) 耐腐蚀性优良：在水热条件下, 传统水泥易受 到毁灭性的破环, 而地聚合物能保持较好的稳定性。 地聚合物是无机聚合物, 因此能经受硫酸盐侵蚀, 在各种酸溶液和碱溶液及各种有机溶剂中都表现 出了良好的稳定性, 具有较强的耐腐蚀性。 • (5)其它特性：与普通混凝土相比, 矿物聚合物不 仅具有早期强度高、渗透率低的特点, 而且还具有 较低的收缩值。地聚合物与波特兰水泥在28d后的 体积收缩值分别为0.5%和4.6%。
与水泥相比, 地聚合物在成型和反应过程中必须 有水作为传质介质及反应媒介。凝固后部分自由水作 为结构水存在于反应物中, 但地聚合物不存在硅酸钙 的水化反应, 其终产物以离子键及共价键为主, 分子间 作用力为辅。而传统水泥是以分子间作用力及氢键为 主, 且在水泥体系中存在大量的水化晶体和无定型物 质, 使得水泥基材料难以经受400℃以上的高温, 而地 质聚合物材料由于具有氧化物三维网络结构, 在高温 下亦能保持网络结构的完整性,因而具有比水泥更高的 强度、硬度、韧性、高温稳定性和抗冻性。
• 原理
目前，比较普遍被接受的地质聚合物形成 的原理是： 具有一定活性的含铝硅酸盐物质(一 般以非晶态为好)，在NaOH 或KOH 的作用下 水溶液中游离出AI(OH)4-和OSi(OH)3-，然后逐 渐聚合形成(-Si-O-Al-O-Si-O-)结构的聚合体， 使成型体的强度不断增加。其硬化和产生强度 的过程与传统的硅酸盐水泥有明显区别。
地质聚合物的结构
地聚合反应得到的地聚合物材料是由聚合的Si-O-Al网络结 构构成，其中硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子交替 键合。硅元素存在稳定的+4价态， 因此硅氧四面体呈电中性； 铝氧四面体中的铝元素是+3价态，却与四个氧原子结合成键， 因此铝氧四面体显电负性，需要阳离子(如K+， Na+)的出现来 平衡体系中的负电荷，总的结果使体系显电中性。这些Si-O 键和Al-O键分别以[SiO4]四面体和[AlO4]四面体或[AlO6]配位多 面体的形式存在，在碱溶液的作用下，结构中Si-O-Si 和Al-OAl 共价键衰竭并断键，形成离子进入溶液。据文献报道， [SiO4] 4-和[AlO4]5-结合形成三维网络结构，称为三维聚合铝酸 盐结构，其聚合模式具有以下一合材料的聚合反应过程为各 种铝硅酸盐(Al3+呈IV或V次配位) 与强碱性硅酸 盐溶液之间的化学反应, 有关机理方面研究的现 状概述如下:
地质聚合物的性能
• 力学性能 地聚合物材料的主要力学性能指标与陶瓷、水泥和有机 聚合物等材料相比显示了一定的优越性(见表1)。
与陶瓷相比, 地聚合物的组织是复杂的多晶和 多相聚集体, 包括晶态、玻璃态、胶凝态及气孔等, 而陶瓷是较为纯净的晶相, 晶界是陶瓷最薄弱的环 节(多包含无定形物质),晶界的性质决定了陶瓷的整 体性能; 而矿物聚合物的结构是以环状链构成的连 续三维网络构架, 不存在完全意义上的晶体和晶界, 各项性能取决于-[Si-O-Al-O]-骨架, 因此地聚合物材 料的性能与陶瓷相近或更高。
• 建筑用地质聚合物块体材料 这里建筑用块体材料主要指建筑用标准砖、 各种尺寸的建筑砌块、铺路砖等。由于地质聚 合物具有快硬、早强和不用蒸养的特点，再加 上地质聚合物具有良好的粘结性和可塑性， 比 水泥更适合制备建筑用块体材料。特别是利用 含硅铝酸盐类固体废弃物为粗骨料和细骨料制 备建筑砌块还能发挥固体废弃物本身的活性， 形成聚合物与骨料之间的化学结合及梯度界面， 从而达到大幅度降低生产成本和提高产品质量 的目的。
地质聚合物
——21世纪的绿色胶凝材料
地质聚合物的概念
地质聚合物(Geopolymer)的概念在上个世纪70年代 末首先由J．Davidovits提出。该材料是近年来新发展起 来的、有可能在许多场合代替水泥， 并有着比水泥更优 异性能的新型材料。其英文同义词还有Mineral Polymer， Geopolymeric Materials，Aluminosilicate Polymer， Inorganic Polymeric Materials等。中国地质大学的马鸿 文教授建将其译为“矿物聚合材料”。 地质聚合物被认为是由地球化学作用(Geochemistry) 或人工模仿地质合成作用(Geosynthesis)而制造出的、以 无机聚合物为基体的、坚硬的人造岩石。这种人造岩石 具有天然岩石样的硬度、耐久性和热稳定性。