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摘要：地质聚合物作为一种新型的绿色环保材料，具有比水泥、高分子材料和金属更高的高温性能和机械性能，受到国内外学者的广泛关注。本文综述了影响地质聚合物材料力学性能各项因素的国内外研究进展，归纳了原材料组成、碱激发剂配比、养护过程等对地质聚合物材料的特征力学性能的影响规律。针对地质聚合物脆性大、韧性低、延性小等缺点，文章对地质聚合物的复合增强增韧研究进行了展望。
关键词：地质聚合物;力学性能;影响因素;研究进展;
0 引言
20世纪70年代末，法国的科学家Joseph Davidovits以“碱激发”的理论为基础，使用偏高岭土为主要原料，研发了新型碱激发偏高岭土胶凝材料，于1985年在其美国专利中提出地聚物的概念[1]。因为地聚物的特殊结构，使其具有许多硅酸盐水泥材料难以达到的优异性能，在力学性能、耐久性能、耐热性、耐酸性及固定金属离子等方面尤为突出。地聚合物既可以完全使用工业副产品作为原材料，处置这些副产品会造成危险，但是这些副产品可以有效地用于开发可持续混凝土，而且其制备工艺简单，生产能耗很低，可有效减少60%～80%的二氧化碳排放量，这是一类蕴藏巨大发展潜力的可持续性绿色建筑材料。
1 地质聚合物的力学性能
1.1抗压强度
地聚合物作为一种新型建筑胶凝材料，其力学性能一直备受关注，而抗压强度是其力学性能中最重要和最基本的指标。
Moodi等通过实验比较了含有粒状高炉矿渣和天然火山灰的地聚合物和水泥涂料砂浆的机械性能和耐久性。实验结果表明与普通水泥砂浆相比，使用地质聚合物砂浆具有更好的性能，其抗压强度提高了40%以上，粘附强度提高了约150%。长度变化，重量损失和抗压强度损失降低了约50%。Davidovits[1]研究发现偏高岭土基地质聚合物砂浆在20℃温度条件下养护4h后，经固化后其抗压强度可达到20MPa，并且28d抗压强度高达70～100MPa。
1.2 劈裂抗拉强度和抗弯强度
Xiao等研究了聚丙烯酸酯（PASS）对偏高岭土基地质聚合物的增韧效果，研究发现在亚显微尺度上，PAAS形成了具有相互连接的网络结构的薄膜，加入PAAS后可以填充偏高岭土基地聚物的裂缝和毛细孔，使其结构变得更致密。负荷挠度曲线证实掺入PASS后地聚物的弯曲韧性系数增加了50%。Natali等系统地探究了地聚合物在掺入一定量的碳纤维、玻璃纤维、PVA纤维、PVC纤维后的增韧改善效果。实验结果表明相对于其他纤维，PVC纤维和碳纤维具有更好的增韧效果。
2 地质聚合物力学性能的影响因素
2.1 原材料组成
研究表明原材料中活性组分的含量和成分对于地质聚合物的基本力学性能有较大影响，而其中鈣组分的含量影响最为显著。吴怡婷等[3]通过研究发现采用偏高岭土基地聚合物为原料，并加入氟硅酸钠作为促硬剂的条件下，在标准养护3d、7d、28d后的抗压强度分别达36.5MPa、49.8MPa、55.6MPa。Guo等通过研究发现，在使用用高钙粉煤灰制备的地质聚合物中，C-S-H凝胶与地质聚合物中的凝胶共存，并且当SiO2/Na2O比例为1.5时抗压强度最高。Diaz等[21]通过实验发现，粉煤灰地质聚合物中氧化钙含量和玻璃相含量是影响粉煤灰基地质聚合物的抗压强度的重要因素。
2.2 碱激发剂配比
2.2.1 碱激发剂中含水量
对于碱激发的地质聚合物胶凝材料，激发剂的配比对地质聚合物材料成型后的力学性能会起到决定性作用。其中，碱激发剂的含水量是影响地聚物材料强度的主要因素之一。因为水作为一个重要组分参与了溶解离子的传输、硅铝质原材料的溶解和硅铝质低聚体的水解以及缩聚，对于聚合物的形成过程具有重要的作用。
为了制备得到具有优良力学性能及耐久性能的地质聚合物，同时考虑到地质聚合物浆体的工作性能，Kong等通过研究认为制备偏高岭土基地质聚合物的最佳S/L比为0.9。
2.2.2 碱激发剂中Si/Al比
Steveson等通过研究发现，当碱激发剂中Na/Al比为1.2时，Si/Al比在1.50～1.95范围内时地质聚合物可以获得最佳力学性能。He等探究了Si/Al比对于粉煤灰/赤泥基地质聚合物力学性能的影响，实验结果表明增大Si/Al比可以显著提高地质聚合物的抗压强度。De Silva等通过研究发现，当保持Na/Al比为1不变，且Si/Al比在1.25～2.50之间时，偏高岭土基地质聚合物的强度随Si/Al比的增加呈现先增大后减小的趋势，且当Si/Al比为1.9时其强度达到最高值。
3 展望
3.1 研究展望
地质聚合物的微观结构和组成特性赋予了地聚物优良的力学性能，但是同时也导致其具有脆性大、韧性低、延性小的缺点。近年来国内外学者为了解决地聚物脆性大、韧性低、延性小的缺点，开展了大量地质聚合物复合强化增韧改性研究。Natali等系统探究了地质聚合物中掺入碳纤维、玻璃纤维、PVA纤维、PVC纤维后的增韧改善效果。实验结果表明相对于其他纤维，PVC纤维和碳纤维具有更好的增韧效果。
参考文献
[1]DAVIDOVITS J.Geopolymer Chemistry and Applications[M].5th ed.Saint Quentin：Geopolymer Institute，2020.
[2]郭晓潞，施惠生.热活化污泥-高钙粉煤灰地聚合物的性能与机理[J].同济大学学报：自然科学版，2012，40（8）：1229-1233.GUO Xiao-lu，SHI Hui-sheng.Performances and Mechanism of Geopolymers Prepared from Thermally-treated Sludge and High-calcium Fly Ash[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2012，40（8）：1229-1233.
[3]吴怡婷，施惠生.制备土聚水泥中若干因素的影响[J].水泥，2003（3）：1-3.
[4]李款，卢都友，李孟浩，等.水用量对偏高岭土基地聚合物微观结构及反应过程的影响[J].硅酸盐学报，2016，44（2）：226-231.LI Kuan，LU Du-you，LI Meng-hao，et al.Effect of Water Content on Microstructure and Reaction Process of Metakaolin-based Geopolymers[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2016，44（2）：226-231.
长江科学院
关键词：地质聚合物;力学性能;影响因素;研究进展;
0 引言
20世纪70年代末，法国的科学家Joseph Davidovits以“碱激发”的理论为基础，使用偏高岭土为主要原料，研发了新型碱激发偏高岭土胶凝材料，于1985年在其美国专利中提出地聚物的概念[1]。因为地聚物的特殊结构，使其具有许多硅酸盐水泥材料难以达到的优异性能，在力学性能、耐久性能、耐热性、耐酸性及固定金属离子等方面尤为突出。地聚合物既可以完全使用工业副产品作为原材料，处置这些副产品会造成危险，但是这些副产品可以有效地用于开发可持续混凝土，而且其制备工艺简单，生产能耗很低，可有效减少60%～80%的二氧化碳排放量，这是一类蕴藏巨大发展潜力的可持续性绿色建筑材料。
1 地质聚合物的力学性能
1.1抗压强度
地聚合物作为一种新型建筑胶凝材料，其力学性能一直备受关注，而抗压强度是其力学性能中最重要和最基本的指标。
Moodi等通过实验比较了含有粒状高炉矿渣和天然火山灰的地聚合物和水泥涂料砂浆的机械性能和耐久性。实验结果表明与普通水泥砂浆相比，使用地质聚合物砂浆具有更好的性能，其抗压强度提高了40%以上，粘附强度提高了约150%。长度变化，重量损失和抗压强度损失降低了约50%。Davidovits[1]研究发现偏高岭土基地质聚合物砂浆在20℃温度条件下养护4h后，经固化后其抗压强度可达到20MPa，并且28d抗压强度高达70～100MPa。
1.2 劈裂抗拉强度和抗弯强度
Xiao等研究了聚丙烯酸酯（PASS）对偏高岭土基地质聚合物的增韧效果，研究发现在亚显微尺度上，PAAS形成了具有相互连接的网络结构的薄膜，加入PAAS后可以填充偏高岭土基地聚物的裂缝和毛细孔，使其结构变得更致密。负荷挠度曲线证实掺入PASS后地聚物的弯曲韧性系数增加了50%。Natali等系统地探究了地聚合物在掺入一定量的碳纤维、玻璃纤维、PVA纤维、PVC纤维后的增韧改善效果。实验结果表明相对于其他纤维，PVC纤维和碳纤维具有更好的增韧效果。
2 地质聚合物力学性能的影响因素
2.1 原材料组成
研究表明原材料中活性组分的含量和成分对于地质聚合物的基本力学性能有较大影响，而其中鈣组分的含量影响最为显著。吴怡婷等[3]通过研究发现采用偏高岭土基地聚合物为原料，并加入氟硅酸钠作为促硬剂的条件下，在标准养护3d、7d、28d后的抗压强度分别达36.5MPa、49.8MPa、55.6MPa。Guo等通过研究发现，在使用用高钙粉煤灰制备的地质聚合物中，C-S-H凝胶与地质聚合物中的凝胶共存，并且当SiO2/Na2O比例为1.5时抗压强度最高。Diaz等[21]通过实验发现，粉煤灰地质聚合物中氧化钙含量和玻璃相含量是影响粉煤灰基地质聚合物的抗压强度的重要因素。
2.2 碱激发剂配比
2.2.1 碱激发剂中含水量
对于碱激发的地质聚合物胶凝材料，激发剂的配比对地质聚合物材料成型后的力学性能会起到决定性作用。其中，碱激发剂的含水量是影响地聚物材料强度的主要因素之一。因为水作为一个重要组分参与了溶解离子的传输、硅铝质原材料的溶解和硅铝质低聚体的水解以及缩聚，对于聚合物的形成过程具有重要的作用。
为了制备得到具有优良力学性能及耐久性能的地质聚合物，同时考虑到地质聚合物浆体的工作性能，Kong等通过研究认为制备偏高岭土基地质聚合物的最佳S/L比为0.9。
2.2.2 碱激发剂中Si/Al比
Steveson等通过研究发现，当碱激发剂中Na/Al比为1.2时，Si/Al比在1.50～1.95范围内时地质聚合物可以获得最佳力学性能。He等探究了Si/Al比对于粉煤灰/赤泥基地质聚合物力学性能的影响，实验结果表明增大Si/Al比可以显著提高地质聚合物的抗压强度。De Silva等通过研究发现，当保持Na/Al比为1不变，且Si/Al比在1.25～2.50之间时，偏高岭土基地质聚合物的强度随Si/Al比的增加呈现先增大后减小的趋势，且当Si/Al比为1.9时其强度达到最高值。
3 展望
3.1 研究展望
地质聚合物的微观结构和组成特性赋予了地聚物优良的力学性能，但是同时也导致其具有脆性大、韧性低、延性小的缺点。近年来国内外学者为了解决地聚物脆性大、韧性低、延性小的缺点，开展了大量地质聚合物复合强化增韧改性研究。Natali等系统探究了地质聚合物中掺入碳纤维、玻璃纤维、PVA纤维、PVC纤维后的增韧改善效果。实验结果表明相对于其他纤维，PVC纤维和碳纤维具有更好的增韧效果。
参考文献
[1]DAVIDOVITS J.Geopolymer Chemistry and Applications[M].5th ed.Saint Quentin：Geopolymer Institute，2020.
[2]郭晓潞，施惠生.热活化污泥-高钙粉煤灰地聚合物的性能与机理[J].同济大学学报：自然科学版，2012，40（8）：1229-1233.GUO Xiao-lu，SHI Hui-sheng.Performances and Mechanism of Geopolymers Prepared from Thermally-treated Sludge and High-calcium Fly Ash[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2012，40（8）：1229-1233.
[3]吴怡婷，施惠生.制备土聚水泥中若干因素的影响[J].水泥，2003（3）：1-3.
[4]李款，卢都友，李孟浩，等.水用量对偏高岭土基地聚合物微观结构及反应过程的影响[J].硅酸盐学报，2016，44（2）：226-231.LI Kuan，LU Du-you，LI Meng-hao，et al.Effect of Water Content on Microstructure and Reaction Process of Metakaolin-based Geopolymers[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2016，44（2）：226-231.
长江科学院