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摘要：无机聚合物材料是一种新型的胶凝材料，由于其成本较低，同时可处理工业废渣，有望在建筑材料方面得到广泛应用。本论文主要针对无机聚合物材料的发展历史和特性进行阐述，以此为基础研究其在建筑工程中的应用前景，并对其机理进行了研究。
关键词：无机聚合物材料；活性；凝胶；硅铝酸盐
1.引言
无机聚合物材料作为一种新型的胶凝材料，它是以工业废渣与天然天然硅铝酸盐矿物为主要原料，在常温条件下与碱性溶液反应成型硬化，形成一种由铝硅酸盐胶凝材料。由于这种无机聚合物的原材料以工业废渣为主，降低材料的成本与能耗，因此这种材料可以作为新型绿色节能建筑材料，具有广泛的发展前景。
2.发展历史
从20世纪30年代以来，无机聚合物经历了以下的发展过程：
20世纪30年代，美国科学家Purdon提出了“碱激活”理论，他在进行波兰水泥的硬化实验时，发现在水泥的硬化过程中硅、铝化合物很容易溶解形成硅酸钠和偏硅酸纳，并接着与氢氧化钙形成硅酸钙和铝酸钙矿物，因此氢氧化钠加快了水泥硬化反应的速度。随后法国教授Davidovits提出将这种新材料的成为无机矿物聚合材料，并对制备这种新材料提出新构想。在无机聚合物制备方面，前苏联的Glukhovski等经过大量的实验系统的研究。他们发现除了NaOH外很多的化学物质都能作为应的激活剂，比如碱金属的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氟化物、硅酸盐和硅铝酸盐等都可以武汉理工大学硕士学位论文作为反应的激活剂，粘土类的矿物与碱性液体反应时能形成钠的硅酸盐凝胶材料。
在60年代，前苏联把这种新型材料广泛推广于建筑行业并提出了反应的固化机理，粘土矿物质溶解后形成了硅酸盐凝胶物质，最后产生复杂的晶体网状物质。
70年代到80年代，法国科学家Joseph Davidovits和Malone研究员对无机聚合物材料的内部结构和碱激发炉渣水泥的硬化机理进行了细致的研究。随后，无机聚合物进入了蓬勃的发展时期，性能不断得到提高，应用领域不断的拓展。与此同时，世界上很多专门研究无机聚合物材料的机构纷纷成立，这都对无机聚合物材料的发展有着重要的影响。Malone研究员认为矿物碱土在进入溶液后发生化学反应生成胶状硅酸钠并分布于矿渣颗粒的表面；铝氧化物溶于其中后形成半晶态的托贝莫来石，最后形成不同组成的沸石及类沸石相。90年代后期，研究主要集中于无机矿物聚合材料的制备和应用。
我国的无机聚合物胶凝材料研究起步较晚，主要集中在基础理论研究阶段，但也取得了一定的成果。中国矿业大学的付克明等人研究了利用碱激发剂和粉煤灰制备无机聚合物胶凝材料，研究得出粉煤灰中玻璃态的硅铝酸盐要比晶态的容易与碱激发剂反应，且反应生成的硅铝酸盐凝胶是无机聚合物强度的来源；同济大学的段瑜芳等人分别研究了碱激发煤石和偏高岭土胶凝材料的水化机理，认为其反应机理与普通水泥胶凝材料的完全不同，且产物是非晶态的硅铝酸盐，不存在任何的晶体；广西大学的韩要丛等人也对无机聚合物的反应机理进行了研究，认为无机聚合物是一种具有空间网络结构的非晶态硅铝酸盐，并以此制备出了NaA型分子筛。中国地质大学研究人员利用富钾板岩提钾后的废渣和粉煤灰为原料，制备出地面砖样品。中国石油集团工程技术研究院对高活性碱矿渣粉煤灰无机聚合物胶凝材料进行了研究，并申请了相关专利，其制备无机聚合物胶凝材料的过程是先固化后煅烧再粉磨，制备方法复杂且耗能，未见相关产品的后续报道。清华大学开发了内燃机排气管的外包隔热套，华南理工大学研究人员制备了无机聚合物与有机聚合物的复合材料。
3.无机聚合物的性质
无机聚合物指采用天然矿物或固体废弃物及人工硅铝化合物为原料，在碱激发剂的作用下，由硅氧四面体与铝氧四面体构成的三维网络结构的硬化体。无机聚合物除了具有硅酸盐水泥所具有的较高的力学性能外，还具有低收缩，低水化热，耐高温，比普通水泥更为优越的耐久性和抗腐蚀性，同时具有原材料丰富，工艺简单，价格低廉，节约能源等优点。
无机聚合物（Geopolymer）是20世纪70年代末首先由J．Davidovits提出的，其基本结构是由硅氧四面体和铝氧四面体聚合的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆与传统硅酸盐水泥相比，这类材料在制备过程中无需高温煅烧，二氧化碳排放量也比生产硅酸盐水泥低70％～80%，且原材料多为铝硅酸盐矿物或粉煤灰、矿渣等工业副产品，具有明显的经济效益和环境效益，因此受到国内外学者的广泛关注。
无机聚合物是一种结构复杂的混合物，原材料不同、制备工艺不同都会对其结构产生不同的影响。通常人们认为，无机聚合物是天然矿物或固体废弃物及人工硅铝化合物为原料在少量碱激发剂的作用下在低于150。C下甚至常温条件下养护所得到的不同强度等级由硅氧四面体和铝氧四面体聚合的具有非晶态和准晶态特征的三维网络结构的硬化体，硅一氧西面体和铝一氧四面体单体通过共用氧原子交替键合形成一定聚合度的无机大分子结构。
与以往的无机Si—Al质胶凝材料相比，无机聚合物具有以下几方面性质：
（1）非常优异的耐久性能；在制备工艺中不使用如生产硅酸盐水泥那样大量消耗资源和能源的“两磨一烧”煅烧工艺，基本不排放C02，并且采用的原材料为资源丰富、价格低廉的天然或人造的低钙Si-Al质材料。
（2）快硬、早强，且后期强度高，无机聚合物一般ld就可获得最终强度的70％，后期抗压强度可达到20～100 MPa。
（3）低收缩，无机聚合物的7，28 d的收缩率仅分别为0.02％，0.05％，而硅酸盐水泥硬化浆体7，28 d的收缩率却高达0.10％，0.33％。
（4）低渗透性，若以氯离子扩散系数来表征混凝土的抗渗性，则其氯离子扩散系数为10-9cm2/s，与花岗岩相近（10-10 cm2／s）。
（5）耐高温，隔热效果好，可抵抗1 000～1 200℃高温的炽烤而不损坏，导热系数为0．24～0.38 W／m•K，可与轻质耐火粘土砖（0.3～0.438 W／m•K）相媲美。
这些特点使得无机聚合物及其混凝土在市政、桥梁、道路、水利、地下、海洋以及军事等领域具有非常广阔的应用前景，有望成为硅酸盐水泥的替代产品。
4.反应机理
由于无机聚合物的聚合反应涉及到很多方面的多种因素，其聚合机理尚未能够完全解释清楚，相关的研究仍在继续。目前，国内外学者大都以碱激发机理为基础来解释无机聚合物的聚合机理，其中以J．Davidovits教授提出的反应机理为代表，他把无机聚合反应的机理解释为“解聚一缩聚”的过程，认为无机聚合物形成过程中，首先硅酸盐原料在碱溶液的作用下促使其硅氧键和铝氧键的断裂，形成一系列处于低聚状态的硅氧四面体和铝氧四面体单元，这些低聚的四面体单元随着反应的进行，逐渐脱水重新聚合，从而形成无机聚合物[12]。文献认为，无机聚合物的形成过程可分为4个阶段：①铝硅酸盐矿物粉体原料在碱性溶液（NaOH，KOH）中的溶解；②溶解的铝硅配合物由固体颗粒表面向颗粒间隙的扩散；③凝胶相[Mx（AlO2），（Si02）z•nMOH•mH2O]的形成，导致在碱硅酸盐溶液和铝硅配合物之间发生聚合作用；④凝胶相逐渐排除剩余的水分，固结硬化成矿物聚合材料块体。
以偏高岭土为例，高岭石煅烧失去部分结构水以后，结构呈无定形状态，从而演变成为准有序的偏高岭石，具有较高的活化能。当其再水化时，能重新恢复成原始结构。认为无机聚合物的内部结构以硅铝氧链（-Si-O-Al-O-）、硅铝硅氧链（-Si-O-Al-O-Si-O-）和硅铝二硅氧链（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-）等结构单元组成的三维网络结构。无机聚合物的这种结构与有机高分子材料的网络结构相类似，并且其结构单元链与链之间，以及链与矿物颗粒表面的[SiO4]和[AlO4]四面体通过脱羟基作用形成化学键，因而兼具一些有机聚合物与无机材料的性能。
5.结论
基于无机聚合物良好的力学性能、耐久性、防水防渗性能等特性，其在普通建筑材料、防渗材料、废料固封材料中得到了广泛的应用。但目前来说，由于其性质尚不稳定，应用仍不广泛，需要进一步开展研究。
参考文献：
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[4] 李克亮地聚合物材料及其重金属固化处理[M].中国水利水电出版社.2014，12.
论文作者:栗潮,徐露露
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/24
标签：聚合物论文; 无机论文; 材料论文; 晶态论文; 机理论文; 矿物论文; 结构论文; 《基层建设》2018年第7期论文;