地聚水泥是20世紀70年代法國Davidovits教授開發出的水泥新品種。後來，在英國、美國和加拿大等國都有這類水泥的研究情況報導。
基本介紹
- 中文名：地聚水泥
- 外文名：Geopolymeric Cement
- 研究國家：英國、美國和加拿大
- 學科：土木工程
定義,成分,相關資料,反應機理,主要性能,高強、耐高溫,耐久性優良,功能多樣性,
定義
地聚水泥是20世紀70年代法國Davidovits教授開發出的水泥新品種。後來，在英國、美國和加拿大等國都有這類水泥的研究情況報導。地聚水泥曾引起我國水泥學術界的重視。一些高等院校對其開展了大量研究工作，還召開過專題報告會，加深了對這種水泥的認識。
該水泥的英文名稱叫Geopolymeric Cement，按原意的譯名為地質聚合水泥，簡稱地聚水泥。按主要成分，地聚水泥是無熟料水泥系列中的一個品種。
成分
無熟料水泥組分主要是基礎組分和激發劑。基礎組分有兩種：一種是火山灰質材料，來源於火山灰、煅燒高嶺土和粉煤灰等，其活性成分是偏高嶺土和矽鋁玻璃體；第二種是礦渣材料，來源於粒化高爐礦渣、粒化鋼渣和磷渣等，活性成分是鈣矽鋁玻璃體。無熟料水泥的激發劑也有兩種：一種是Ca(OH2型激發劑，如石灰、水泥熟料等；第二種是NaOH型激發劑，如Na0H、水玻璃等。基礎組分與激發劑的不同配置可製成各種無熟料水泥品種。石灰火山灰水泥主要由火山灰質材料與Ca(0H)2型激發劑組成；石膏礦渣水泥主要由粒化高爐礦渣與Ca(OH)2型激發劑組成；鹼礦渣水泥主要由粒化高爐礦渣與NaOH型激發劑組成；地聚水泥主要由火山灰質材料與Na0H型激發劑組成。在無熟料水泥系列各品種的比較中可看到，地聚水泥與鹼礦渣水泥相比，基礎組分不同而激發劑屬相同類型；與石灰火山灰水泥相比．激發劑類型不同，但基礎組分相同。地聚水泥與其他無熟料水泥品種在組成上都有著密切關係，據此將它定位於無熟料水泥系列的一個品種是有充分理由的。
相關資料
據報導，地聚水泥的基礎組分大都採用煅燒高嶺土、火山灰和粉煤灰等，Na0H型激發劑採用NaOH、Na2C03和水玻璃等。有些報導中基礎組分還採用高爐礦渣，這種水泥應屬鹼礦渣水泥。地聚水泥組成中除基礎組分和NaOH型激發劑外還採用增強劑，正如石膏礦渣水泥採用石膏增強劑一樣。地聚水泥組成中的增強劑有矽灰、氟矽鋁酸鈉和低鈣矽比水化矽酸鈣等。
據介紹，地聚水泥具有很好的強度性能，4d抗壓強度達20MPa，28d抗壓強度可達100MPa。抗滲性和耐腐蝕性都很優秀，水化熱很低。這種水泥已在一些特殊工程中試用，如用於耐腐管道、有害廢棄物固化、建築物保護和搶修工程等。但是在各種文獻資料中，尚未見到關於地聚水泥耐久性和用於建築結構工程上的報導。地聚水泥尚處於研究開發階段，是否具有像通用矽酸鹽水泥那樣普遍推廣套用的前景尚不明朗。
反應機理
目前最為廣泛接受的的是法國J.Davidovits提出的解聚和縮聚的理論。他認為地聚物材料的凝結硬化過程就是原材料中矽氧鍵和鋁氧鍵在鹼性催化劑作用下斷裂後再重組的反應過程。
J.Davidovits在研究中假設鋁矽酸鹽地聚合過程是通過一些假設基團逐步發生縮聚過程，這些假設的組成單元進一步縮聚形成三維大分子結構。他將這些低相對分子質量單元（單體、二聚體、三聚體等）稱為低聚物。低聚矽鋁酸鹽指的是單體正矽鋁酸鹽、二聚體二矽鋁酸鹽等；類似的，也有低聚矽鋁酸鹽—矽氧體和低聚矽鋁酸鹽—二矽氧體。
J.Davidovits提出地聚合物的反應可以如下表述：
（1）鋁矽酸鹽原料在鹼性溶液( NaOH, KOH) 中的溶解。
（2）溶解的鋁矽配合物由固體顆粒表面向顆粒間隙的擴散。
（3）凝膠相M {一(SiO2)z—AlO2}n·wH2O的形成, 導致在鹼矽酸鹽溶液和鋁矽配合物之間發生聚合作用;。
（4）凝膠相逐漸排除剩餘的水分, 固結硬化成礦物聚合材料塊體 。
對於不同原料成分、不同用途的地聚合物材料，其具體反應機理不完全相同，但骨幹反應為上述過程。
主要性能
高強、耐高溫
地聚合物本身是個氧化物網路結構體系，在l000℃一1200℃之間不氧化、不分解；另一方面，密實的氧化物網路體系可以隔絕空氣、保護內部物質不被氧化。經複合改性後．材料的抗壓、抗拉、抗彎曲強度都是普通水泥基材的10倍以上，同時高溫性能好、不燃、隔熱、保溫（導熱係數：0.24~0.38W/m·k）、沒有毒性氣體釋放。所以可以用來替代金屬、陶瓷和水泥套用於航天、航空、土木工程、鑄造、裝飾等領域。
耐久性優良
地聚合物的優良性能一方面源於其穩定的網路結構，另一方面是因為可以完成避免普通水泥因金屬離子遷移與骨料反應而引起的鹼集料反應，沒有膨脹(普通矽酸鹽水泥混凝土在200天后因鹼集料反應而膨脹1.5mm/m，是極大的安全隱患)，因而經受自然破壞的能力很強。J.Davidovits在對羅馬古競技場、希臘古Cister混凝土牆、埃及古金字塔等考察後，發現這些古建築物材料具有“類沸石”結構，並認為這是那些古建築能夠屹立千年的主要原因。
功能多樣性
矽元素存在穩定的+4價態，因此地聚合物材料中的矽氧四面體顯電中性；鋁氧四面體中的鋁元素是+3價態，但卻與四個氧原子結合成鍵，因此鋁氧四面體顯電負性，需要吸收體系中的正離子來平衡電荷，總的結果使體系顯電中性。鋁離子的這一行為以及地聚合物材料本身的結構特點，使得該種材料具備多種功能特性。
