地質(zhì)聚合物的應用研究進展*

譚 弘，孫林柱

（1.江西財經(jīng)大學 藝術(shù)學院，江西 南昌 330000；2.溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325000）

隨著人們對環(huán)境保護意識的加強，世界各國對CO2等物質(zhì)的排放限制越來越嚴格。傳統(tǒng)硅酸鹽水泥無法滿足反應過程中消耗低、污染小等的要求，而解決問題的關(guān)鍵是尋求一種可替代波蘭特水泥的材料，從而使建筑材料的生產(chǎn)更加環(huán)保、綠色和可持續(xù)化。Davidovits［1-2］在1978年首次提出了“地質(zhì)聚合物”這一概念，它是一種化學鍵合陶瓷，多以硅、氧、鋁為主要元素的硅鋁質(zhì)材料構(gòu)成，經(jīng)過一定的化學激發(fā)反應得到一種具有類似水泥、陶瓷等特性的新型無機聚合物材料［3-5］。地質(zhì)聚合物的基本結(jié)構(gòu)單元多為硅-鋁-氧四面體，最終產(chǎn)物以共價鍵、離子鍵為主，氫鍵、范德瓦爾斯鍵為輔，因此地質(zhì)聚合物表現(xiàn)出耐高溫、耐熱、吸附有害物質(zhì)等特點，其應用范圍廣泛［6-8］。

1 反應機理

法國科學家Davidovits［1］將鋁硅原材料進行縮聚反應后形成的無定形三維空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的一種無機凝膠材料定義為地質(zhì)聚合物。研究表明，鋁硅酸鹽地質(zhì)聚合物是通過一些假設基團逐步發(fā)生縮聚反應，而這些假設而成的單元基團進一步縮聚形成一個三維大分子結(jié)構(gòu)。通常，地質(zhì)聚合物的反應機理包括三個階段，分別是：溶解階段、單體重建階段、單體縮聚階段。圖1為偏高嶺土堿激發(fā)離子縮聚反應機理的過程。

圖1 偏高嶺土堿激發(fā)離子縮聚反應過程

2 固化重金屬

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染、全球變暖等成為全球人們開始關(guān)注的問題。對于污染物而言，水起到至關(guān)重要的角色。水污染通常來源于各種廢水、雨水和生活污水等，其中包含鐵 （Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉛（Pb）等重金屬元素［9］。活性炭被商業(yè)界認為是一種吸附力強的材料，可以吸附水中的有害雜質(zhì)，但是它也有自身的缺點。例如，長久使用后需要定期更換，高溫下會放出有害氣體，用途有局限性等［10］。近年來，地質(zhì)聚合物由于自身良好的結(jié)構(gòu)特性，通過吸附作用可去除重金屬離子，減少高消耗、廢物排放多的產(chǎn)品，使其成為一種綠色環(huán)保的新型建筑材料［11］。在工程應用上，部分電廠將排放出的粉煤灰進行合成反應，制備成粉煤灰基地質(zhì)聚合物，用來去除重金屬。研究表明，粉煤灰基地質(zhì)聚合物的固化重金屬效果較好。這一發(fā)現(xiàn)給學者們的后續(xù)研究提供了一條新的探索方向。采用粉煤灰基地質(zhì)聚合物去吸附廢水中的鉛元素，隨著接觸時間的增加，吸附效果也更好。對重金屬離子（Cr、Cd、Pb等）的固化和溶解效果，金屬類的鹽離子對地質(zhì)聚合物的抗壓強度影響不大，但其內(nèi)部凝膠和鋁硅酸鹽相互結(jié)合，可以有效固定金屬離子，同時在較高的pH環(huán)境中，氫氧化物相的溶解度更大。Tan等［12］和Novais等［13］研究了粉煤灰基（FA）、偏高嶺土基（MK）組成的多孔、傳統(tǒng)和透水的地質(zhì)聚合物，觀察不同結(jié)構(gòu)吸附鉛、銅、鉻、鋅等重金屬離子的能力，發(fā)現(xiàn)吸附性能從高到低的排序依次為：粉狀、塊狀、透水性地質(zhì)聚合物，這可能與自身比表面積的接觸和作用點位置有關(guān)。

3 加固材料

隨著建筑領(lǐng)域的迅速發(fā)展，道路及橋梁工程中出現(xiàn)路基變形、基礎不穩(wěn)定等一系列的問題，這引起了廣大學者的重視。為了開發(fā)一種更好的新型地基加固劑，完善傳統(tǒng)的?；郀t礦渣、粉煤灰等鈣基加固劑，研究人員發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)聚合物這一類加固材料。由于地質(zhì)聚合物材料本身具有高流動性、高性能強度和固化結(jié)硬快等特點，同時地質(zhì)聚合物的堿渣注漿技術(shù)能夠有效填充道路中的裂縫和加固道路中的基層、面層，因此可以防止鋼筋銹蝕、加固路基的密實度和提高相應的承載力。長期以來，研究學者在地質(zhì)聚合物的加固試驗過程中取得了一定的成果。例如，Cristina Zanotti等［14］人進行了偏高嶺土與混凝土基底采用地質(zhì)聚合物修補砂漿和PVA纖維來加固其黏結(jié)強度的試驗，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)聚合物的開發(fā)和應用促進了硅酸鹽水泥混凝土的修復，而纖維的加入提高了膠凝材料之間的內(nèi)聚力；Costantino Menna等［15］人也研究了地質(zhì)聚合物在外部黏結(jié)復合材料中用于鋼筋混凝土梁的加固試驗，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)聚合物基質(zhì)和混凝土、鋼絲簾線相互粘結(jié)，不會出現(xiàn)分層機制，從而大大改善了鋼筋混凝土梁的彎曲性能。

4 泡沫材料

地質(zhì)聚合物泡沫材料具有高熱穩(wěn)定性、綠色環(huán)保、不易燃等特點，所以在實際工程應用中地質(zhì)聚合物被廣泛考慮和研究［13］。為提高更高的應用價值，地質(zhì)聚合物通常用于隔音隔熱［16-17］、熱絕緣［18］等。目前，地質(zhì)聚合物泡沫材料的合成方法有兩種，一種是加入發(fā)泡劑［19］，另一種是直接添加氣泡［20-23］。發(fā)泡劑通常選用過氧化氫、微細金屬粉末等。將發(fā)泡劑加入地質(zhì)聚合物泥漿中，利用發(fā)泡劑在堿性環(huán)境中的原位反應，使產(chǎn)生的氣泡被困在地質(zhì)聚合物泥漿中，從而導致硬化體中產(chǎn)生空洞；而直接添加氣泡是通過事先準備好的泡沫濃縮物與地質(zhì)聚合物泥漿混合反應，在固相萃取過程中有大量空隙產(chǎn)生。此外，多孔地質(zhì)聚合物也可以通過加入添加劑來生產(chǎn)，它主要存在于生產(chǎn)地質(zhì)聚合物砂漿和構(gòu)建致密的混凝土，目的是提高強度用于尺寸、孔洞分布復雜的結(jié)構(gòu)［24-25］。Rasouli等［26］人在此基礎上提出使用聚合物來生產(chǎn)地質(zhì)聚合物泡沫材料。在發(fā)泡劑含量達到一定值時，地質(zhì)聚合物泡沫材料的性能由發(fā)泡劑性質(zhì)、混合物成分等因素決定。相比于單用發(fā)泡劑，加入表面活性劑可以穩(wěn)定液氣界面，使孔徑分布更加均勻［27］。實踐證明，地質(zhì)聚合物泡沫材料在工程應用上面具有很大的潛力價值。無論是加入發(fā)泡劑還是直接加入氣泡，都可以較好的提高地質(zhì)聚合物材料本身的性能。對于如何加強材料與地質(zhì)聚合物之間的結(jié)合，以及地質(zhì)聚合物泡沫的催化效果的性能評估，都還需要進一步研究。

5 結(jié)語

本文介紹了國內(nèi)外研究者在地質(zhì)聚合物應用方面取得的研究成果，包括：固化重金屬、加固材料、泡沫材料等方面的研究。縱觀文獻資料可知，目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多有效的研究工作，獲得了很多有益的知識。盡管這樣，下列問題特別需要進一步探討：

1）傳統(tǒng)的地質(zhì)聚合物大多數(shù)應用于建筑材料裝飾、耐火保溫材料、核廢料固化材料等領(lǐng)域，今后可以進一步探討地質(zhì)聚合物對梁、板、柱等結(jié)構(gòu)性能的影響，尤其是在抗氯離子、抗耐火能力、抗碳化以及施工性能等方面的研究。

2）目前各國學者對于地質(zhì)聚合物的堿激發(fā)反應機理始終沒有形成統(tǒng)一的理論，今后在應用過程中需要進一步地指導，結(jié)合微觀、宏觀性能和材料自身特性，制定相應的生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范，建立一套獨特且準確的技術(shù)參數(shù)，用于地質(zhì)聚合物基礎應用過程的評價標準。

3）在沿海地區(qū)，人工砂資源匱乏，可以嘗試著采用海水、海砂制備地質(zhì)聚合物混凝土，并且進一步研究海水海砂地質(zhì)聚合物混凝土之間的反應機理、性能調(diào)控、力學性能和耐久性能等，以擴大地質(zhì)聚合物材料的使用規(guī)模效應。