矿物聚合物(geopolymers)剖析

Al-Si固体矿物[Ma((AlO2)a(SiO2))b·nMHO·mH2O] （具有非晶体结构的矿物聚合物）
六、影响因素
1、高岭石的受热情况：温度和时间 2、碱的浓度和类型：浓度越大，铝硅酸盐矿物
溶解度越大；
NaOH和KOH的影响（离子的半径）：溶解度 和进入基体中平衡电荷的倾向。
Ca的影响：缩短固化时间和提高强度。 3、碱和水玻璃的配合类型： 4、固液比： 5、ｐＨ值： 6 、碱溶液中的SiO2/M2O值： 7、固体颗粒尺寸：越细，活性越高 8、固化温度和时间：
6、矿物聚合物的耐火度>1000℃，熔融温度达 1050~1250℃，所以可抵抗1000~1200℃高温的 炙烤而不损坏，因而可以有效地固封核废料。
7、其导热系数为0.24~0.38W/m.K，可与轻质耐 火砖（其导热系数为0.3~0.438W/m.K）相媲美。
8、和骨料的界面结合牢固紧密，不会出现过渡 区。
矿物聚合物的优点：
1、凝结硬化快，早期强度高，而且长期强 度也高。
2、与硅酸盐水泥相比，矿物聚合物中“过 剩”热量少，所以表现出较低的水化热。
3、水化时表现出较好的体积稳定性，收缩 远远小于硅酸盐水泥 。
4、水化后形成致密的结构，且强度高，所 以抗渗性好， 抗冻性也好。
5、耐腐蚀性强 ，耐久性良好，寿命可达 千年以上。
七、主要研究方法
1、X射线衍射：结构特点（非晶体和半晶 体），没有晶体物质形成。（主要在 20~40o呈现弥散的、馒头状）
2、红外光谱：基体相的结构（配位数 ） 和结构特点。
３、核磁共振：不同配位数的Al和Si的化 学位移数不同；特征峰的强弱；Si和Al 的联结方式。
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矿物聚合物（Geopolymers）一词是由法 国科学家Joseph Davidovits于二十世纪七 十年代提出的。其原意是指由地球化学 作用形成的铝硅酸盐矿物聚合物。
其结构与有机高分子聚合物的三维网络 状结构相似，但其主体是无机的[SiO4] 和[AlO4]四面体，所以，Joseph Davidovits称之为矿物聚合物。并且于 1972年申请了矿物聚合物历史上第一篇 关于用高岭石通过碱激发反应制备建筑 板材的专利。
矿物聚合物 （geopolymers）
侯云芬
矿物聚合物的研究历史 矿物聚合物的特性 用途及存在问题 矿物聚合物的制备途径 矿物聚合物的反应机理 影响矿物聚合物性能的因素 主要研究方法
一、研究历史
是以天然铝硅酸盐矿物或铝硅酸盐 类的工业废弃物为主要原料，和适 量的碱硅酸盐溶液混合后，在 20~120℃的低温条件下成型硬化后， 形成了具有非晶体到半晶体特点的 三维网络结构的铝硅酸盐矿物聚合 物 ——geopolymers
KOH强碱溶液。
五、矿物聚合物的反应机理
Davidovits的“解聚—缩聚”机理 (基 于偏高岭石）
固相反应物的溶解（解聚）、溶解物从 固相表面向溶液中迁移以及缩聚步骤
Al-Si固体矿物＋MOH（溶液）＋Na2SiO3（固体或溶液） ↓
Al-Si固体矿物＋[Mx(AlO2)y(SiO2)z·nMHO·mH2O]胶体 ↓
用途：土木工程中、交通和抢修、塑料工业、 有毒废料和核废料的处理、储藏设备。
发展需要解决的问题
1、工业废弃物的成分变化大、物相组成复 杂，性能波动大。需要研究建立一个成 分、物相与性能的关系。
2、成本较高。 3、对其固化机理、微观结构和性能关系没
有公认的准确的结果。
4、进一步探索矿物聚合物的结构-性能设 计的基本方法和原理，指导生产和控制 生产。
四、矿物聚合物的制备途径
1、以偏高岭石等天然铝硅酸盐矿物为基础原 料，
2、以粉煤灰等工业固体废弃物为基础原料。 3、由工业废弃物和天然铝硅酸盐矿物共同为
原料 主要原料包括以下三种： 单体硅源：硅酸钠或硅酸钾水玻璃 基础原料：活性（煅烧）和非活性 激 发 剂 溶 液 ： 为 浓 度 在 10M 以 上 的 NaOH 或
在1980年，Mahler以含水碱金属铝硅酸 盐和硅酸为原料取代了固体铝硅酸盐制 备了类似的铝硅酸盐矿物聚合物。
Palomo等以煅烧高岭石为原料，加入硅 砂作为增强材料，制备了抗压强度高达 83.4MPa的矿物聚合物，而材料的固化时 间仅为24h。
20世纪90年代后期，Van Deventer等致力 于研究由粉煤灰等工业固体废料制备矿 物聚合物。
PS型，硅铝氧链（-Si-O-Al-O-）；
PSS型，硅铝硅氧链（-Si-O-Al-O-Si-O-）
PSDS型，硅铝二硅氧链（-Si-O-Al-O-SiO-Si-O-）
矿物聚合物的分子式表达为：
M* x
Si O2 Al O z
*nwH2O
式中z为1，2或3；M为碱金属离子（K+、 Na+），n为聚合度，w为结合水量
21世纪初，Xu和Van Deventer研究了16种 天然铝硅酸盐矿物制备矿物聚合物。
二、矿物聚合物的特性
矿物聚合物的化学 组成为铝硅酸盐， 是由[SiO4]和[AlO4] 四面体构成的三维 网络结构，碱金属 或碱土金属离子分 布于网络孔隙之间 以平衡电价。
根据矿物聚合物的分子结构特点，将其分 为三类：
9、水化后形成的三维网络状硅铝酸盐结构可结 合几乎所有的有毒离子。
10、生产工艺简单，生产能耗低，几乎无污染， 低二氧化碳排放。
三、用途及存在问题
1、替代水泥，节能、环保。 2、利用工业废弃物和矿山尾矿，减少环境
污染。
3、固封有毒固体废弃物和放射性核废料。 4、优良的力学性能，可部分代替金属和陶
瓷，作结构部件和模具材料。