[摘　要] 土聚水泥是一种高性能的碱激活水泥，它在工艺、性能、用途等方面集有机高聚物、陶瓷、水泥等材料的特征， 同时具有独特优点的新材料。本文主要介绍了土聚水泥的聚合机理和优异的物理化学性能，以及目前各国的发展概况，最后展示了土聚水泥广阔的应用前景。

[关键词] 土聚水泥； 聚合机理； 碱激活反应； 应用

　　土聚水泥是一种高性能的碱激活水泥，是一种不同于普通硅酸盐水泥的新型胶凝材料。20 世纪70 年代末，法国〔1〕Davidovit s 教授开发了一类新型的碱激活胶凝材料———土聚水泥( Geopolymeric Cement) ，因其水化产物中含有大量与一些构成地壳物质相似的化合物———含硅铝链的“无机聚合物”而得名。土聚水泥是最近发展起来的新材料，具有有机高聚物、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小等优点，因此近几年研究和开发进展很快。

1 　聚合机理

    土聚水泥是以含高岭石的粘土为原料，经较低温度(500～900 ℃) 煅烧，发生如下反应〔2〕: 2n〔Si2O5 ，Al2 (OH) 4〕→2 (Si2O5 ，Al2O2) n + 4nH2O

      该反应使Al 的配位数从6 配位转化为4 或5 配位，高岭石结构转化为无定型结构的偏高岭土，有较高的火山灰活性。处于介稳状态的偏高岭土等无定型硅铝化合物，经碱性激活剂及促硬剂的作用，硅铝氧化合物经历了一个由解聚到再聚合的过程，形成类似地壳中一些天然矿物的铝硅酸盐网络状结构。

      土聚水泥具有有机高聚物的链接结构〔3〕，但其基本结构为无机的硅- 氧四面体和铝- 氧四面体，如图1 所示。其中负电荷由碱金属和碱土金属等阳离子来平衡。

　　土聚水泥在成型、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当中，但土聚水泥不存在硅酸钙那样的水化反应。与高分子聚合物相比，土聚水泥聚合反应开始前，不存在绝对意义上的单体。其终产物以离子键和共价键为主，范德华键为辅，而传统水泥则以范德华键及氢键为主，因此其性能优于传统水泥。

2 　主要化学成分和物理化学性能

2.1 　主要化学成分

    土聚水泥是一种火山灰类物质，化学组成也与某些天然火山灰接近。表1 为土聚水泥与意大利火山灰化学成分对照。

      土聚水泥在矿物组成上完全不同于硅酸盐水泥， 其主要由无定形矿物组成: ①高活性偏高岭土； ②碱性激活剂(苛性钾，苛性钠，水玻璃，硅酸钾等) ； ③促硬(低钙硅比的硅酸钙以及硅灰等，处于无定形态) ； ④外加剂(主要有缓凝剂等) 。一般条件下，土聚水泥聚合反应后的生成物是一种无定形的硅铝酸盐化合物，在较高温度下，可生成类沸石型的微晶体结构，如方钠石Nan (Si - O - Al - O - ) n 、方沸石(Na ，Ca ，Mg) n (Si - O - Si - O - ) n 等。这些矿物形成了独特的笼形结构〔4〕，如图2 所示。可开发出许多新的功能用途，如用作核放射元素的固封材料及制成薄膜吸附材料等。

2.2 　物理化学性能

　　土聚水泥与普通硅酸盐水泥的不同之处在于:前者存在离子键、共价键和范德华键，更以前两类为主； 后者则以范德华键和氢键为主，这就是性能相差十分悬殊的原因。土聚水泥兼有有机高聚物、陶瓷、水泥的特点，又不同于上述材料，它具有以下优点：

(1) 力学性能好

      主要力学性能指标优于玻璃和水泥，可与陶瓷、铝、钢等金属材料相媲美〔5〕。土聚水泥与其它材料力学性能对比见表2 。

　　土聚水泥具有早期强度高的特点， 有研究表明〔6〕，20 ℃下其凝结后4h 的强度即可达15～20MPa ， 为其最终强度的70 %左右。

(2) 具有较强的耐腐蚀性和良好的耐久性

土聚水泥水化时不产生钙矾石等硫铝酸盐矿物， 因而能耐硫酸盐侵蚀，另外，土聚水泥在酸性溶液和各种有机溶剂中都表现了良好的稳定性。表3 给出了土聚水泥和其它类型水泥在浓度为5 %酸性条件下的质量损失率比较〔7〕。

　　工程界一般认为，硅酸盐水泥的使用寿命只有50～150 年，而土聚水泥聚合反应后形成耐久型矿物，几乎不受侵蚀性环境的影响，其寿命可达千年以上。

(3) 耐高温隔热效果好

      土聚水泥在高温条件下稳定性好，显示较好的高温力学强度，其耐火耐热性能优于传统硅酸盐水泥。其导热系数为0.24～0.38W/ (m·K) ，可与轻质耐火粘土砖(0.3～0.4W/ m·K) 相媲美，隔热效果好。

(4) 耐水热作用

      在水热条件下，传统水泥易受到毁灭性破坏，而土聚水泥则保持较好的稳定性，能有效地固封核废料。

(5) 有较高的界面结合强度

      普通硅酸盐水泥与骨料结合的界面处，容易出现富含Ca (OH) 2 及钙矾石等粗大结晶的过渡区，造成界面结合力薄弱。而土聚水泥和骨料界面结合紧密，不会出现类似的过渡区，适宜作混凝土结构修补材料。

(6) 土聚水泥能有效固定几乎所有有毒离子

表4 为未经处理某矿物废渣和经土聚反应后废渣中浸出的离子浓度比较。

 

　　

      土聚水泥聚合后形成网络状的硅铝酸盐结构，其聚合有毒离子的机理见图3 。这对于处置和利用各种工业废渣极为有利。

(7) 水化热低

      土聚水泥在较低温度下煅烧而成，与普通硅酸盐水泥相比，土聚水泥“过剩”的能量小，表现出较低的水化热，用于大体积混凝土工程时不会造成急剧温升，避免了破坏性的温度应力产生。

(8) 体积稳定性好化学收缩小

      与普通混凝土相比，土聚水泥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。表5 为土聚水泥与普通波特兰水泥收缩值比较。

　　从表5 中可以看出，土聚水泥7d 收缩值只有波特兰水泥(Ⅰ型) 的1/ 5 ，28d 收缩值不到波特兰水泥(Ⅰ型) 的1/ 6 。

(9) 低CO2 排放

      土聚水泥生产过程中不使用石灰石原料，因此排放CO2 仅为硅酸盐水泥的1/ 5 ，这对保护生态平衡、维护环境协调有重要意义。

      综上所述，土聚水泥某些力学性能与陶瓷相当，有些耐腐蚀、耐高温等性能更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 ，而且几乎无污染，因此土聚水泥有可能在许多技术领域内代替昂贵材料。这也是在欧、美、日等国家受到重视，作为高技术材料投入大量人力物力进行研究开发的原因。

3 　研究与发展现状

      70 年代末，美国开发了Pyrament 碱激发火山灰胶凝材料，用于快速修路、修建临时机场、修复通讯设施等领域。芬兰生产了“F 胶凝材料”，由细磨矿渣、粉煤灰及火山灰组成，采用碱激发剂(NaOH + NaCO3) 及木质磺酸素，已用于建筑工业。

      1981 年，Dr1Bengt Fross〔11〕获得利用火山灰制造胶凝材料的专利，法国Davidovit s〔12〕获得利用粘土制备胶凝材料专利。Davidovit s 与Legrand〔13〕获得利用加压技术制备土聚水泥专利。Davidovit Nicolas〔14〕获得采用纤维增强复合技术生产土聚水泥的专利。

       80 年代以来，土聚水泥获得较大进展。原料与激活剂的选择范围大大拓宽，硅铝原料来源扩展到火山浮石、粉煤灰、矿物废渣、烧粘土四大类；激活剂由单一碱金属、碱土金属、氢氧化物扩展到氧化物、卤化物、有机基组分等。同时增韧、增强添加物选择范围加大，由于反应在较低温度下进行，避免高温可能导致添加物变质、以及添加物与基体的热失配与化学不相容，从而可采用多种添加剂进行增强、增韧，提高材料性能。法国Davidovit s 采用玻璃纤维、碳纤维、碳化纤维增强土聚水泥， 抗弯强度已分别达到140MPa 、175MPa 、210MPa ；法国Geopolymer Institute 通过添加非晶态金属纤维制造核废料容器；意大利研究者通过掺加化纤聚丙烯网制造轻质板材；日本镜美通过添加有机物PVA、PAA 制造人造大理石；美国Waterways Experiment Station 采用超细粉密实工艺， 通过添加20 %～30 %(体积百分比) 硅灰(01005～25μm) 制造抗压强度为500MPa 的模具材料；D1M1Roy〔15〕采用热压工艺，制成孔隙率为2 %、抗压强度为650MPa 的类岩石胶凝体。此外， 比利时的Cent reTechnologique de Cetamique Nouvelle、德国的Huds Troisdoreage AG 均致力于此，并取得令人瞩目的成果。

       随着时间的推移，土聚水泥在原料来源、生产能耗、强度及耐久性方面的诸多优点，越来越得到人们的重视，这也是各国大力开展土聚水泥研究的原因。遗憾的是土聚水泥研究在国内几乎是一片空白〔2〕，因此我们必须加强投入，重视对这类新型胶凝材料的研究， 赶上国际水泥技术的发展水平，并进一步开发其优异的工程性能和环保性能，将土聚水泥发展为21 世纪可大量应用于各类工程的新型水泥。

4 　应用前景

      目前我国部分地区存在严重的水资源危机，因此加强海水淡化及废水处理研究对经济发展有着重要意义。海水淡化及废水处理的关键是如何降低成本，由于有机膜化学稳定性差、机械强度低等缺点，引导人们由原来的有机膜向无机膜转变。土聚水泥无需高温烧结，其内部类沸石相经适当处理后具有良好的吸附性与离子交换性，是极有前途的海水淡化、废水处理膜材料〔3〕，包括消除放射性物质、重金属离子、氨态氮，以及用于海水综合利用，包括海水提钾、海水淡化等。土聚水泥因具备优良的耐水热性能，在核废料的水热作用下能长期保持优良的结构性能，因而能长期地固封核废料。这方面在国外已有研究报道，但在我国尚属空白。

      此外，利用土聚水泥较好的力学性能及制备工艺简单的特点，可部分替代金属与陶瓷作为结构部件、模具材料使用；利用其快凝早强特性用于机场跑道、通讯设施、道路桥梁、军事设施的快速建造与修复；利用其轻质、隔热、阻燃、耐高温等特性用作新型建筑装饰材料、耐火保温材料，以及开发其它用途如发动机排气管外包隔热套管等。

      土聚水泥的应用领域不仅仅局限于上述介绍，有关土聚水泥的应用研究还在发展中，随着土聚水泥复合材料的开发，其理化性能必将大大丰富，应用领域将进一步扩展。

5 　结　语

      土聚水泥具有有机高分子、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原材料丰富、工艺简单、价格低廉、节约能源等优点，是一种环保型“绿色建筑材料”。土聚水泥广阔的应用领域向人们展示了迷人的开发前景。土聚水泥的研究工作在国内尚属起步阶段，急需加强对其形成机理、制备工艺、改性技术以及应用开发研究。土聚水泥有望取代传统的硅酸盐水泥，在不久的将来成为一种大宗建筑材料，其研究和发展必将对我国经济建设和社会可持续发展产生深远的影响。

[参考文献]

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〔15〕Roy D W，Tamas F D. Proceedings of a conference on hydrolic cement and concrete association. London ，1976.