矿物聚合材料——一种新型建筑材料

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矿物聚合材料——一种新型建筑材料

摘要：矿物聚合材料是近年来发展起来一种新型无机非金属材料，探讨了矿物聚合材料在国内外的发展历史和研究现状，并总结了聚合反应的机理，最后展望了这类新型建筑材料的应用前景。

关键词：矿物聚合材料；新型建筑材料；发展前景

古代混凝土、砂浆建筑物(如罗马的大竞技场)具有非常优异的耐久性能，它能在较恶劣的环境中保持几千年，甚至上万年而不破坏。与之相比，在相同的条件下，用硅酸盐水泥制备的现代混凝土平均只有40～50年的寿命，最长的也不超过100年．短的仅几年就遭受严重破坏。究其原因是由于在古代混凝土中存在一种硅酸盐水泥中没有的无定形物质，该物质的结构与有机高分子聚合物的三维网络结构相似，但其主体为无机的[Si04]4一和[A104]s一四面体，法国化学家Davidovits称之为矿物聚合材料(Geopolymer)Ⅲ。

矿物聚合材料含有多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐矿物聚合物，是近年来发展起来的一类新型无机非金属材料。这类材料多以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废物为主要原料．与高岭石、粘土以及适量碱硅酸盐溶液充分混合后，在20～120℃的低温条件下成型硬化，属于由铝硅酸盐胶凝成分粘结的化学键陶瓷材料。 1 矿物聚合材料的研究历史与研究现状

矿物聚合材料作为一种碱激发胶凝材料，尽管其应用可追溯到古代，但矿物聚合材料的研究发展比较晚。以1972年为界线可以分为探索期和发展期两个阶段： 探索期：20世纪30年代．美国的Purdon在研究添加矿渣对波特兰水泥的作用时，制得一种更加快凝、高强的高凝材料，并提出了“碱催化”机理，认为材料的凝结过程为：二氧化硅、氧化铝与石灰溶解于氢氧化物：水化硅酸钙与水化铝酸钙的形成：氢氧化物的重新生成。

20世纪50～60年代，前苏联的G1ukhovski进一步系统地研究了矿物聚合材料．他指出：钠的磷酸盐、氟化物与碳酸盐均可作激活剂：固结物中的固相为水合硅酸钙与水合铝硅酸盐；粘土类矿物在碱溶液处理时，反应生成钠的水合硅铝酸盐。发展期：1972年．法国的Davidovits发现硅铝酸盐矿物(如高岭石)，可以在较低的温度下，在极短的时间内生成三维的硅铝酸盐人工岩石。从此，开始了真正意义上的矿物聚合材料的研究。Davidovits等发现。矿物聚合材料的耐久性、抗酸实验，发现各种天然矿物都发生不同程度的聚合反应。

2 矿物聚合材料的研究意义

矿物聚合材料作为一种新型建筑材料，在工艺、性能、用途等方面集高聚物、陶瓷、水泥等材料特性为一体，同时具有其独特的优点：

(1)强度高，其主要力学性能指标优于玻璃与水泥，可与陶瓷及铝、钢等金属材料相当。

(2)具有较强的耐腐蚀性和较好的耐久性，大大优于传统的水泥材料。

(3)具有较好的快硬固化性，传统水泥固结硬化的时间一般在10～12 h。而矿物聚合材料在2～4h就固结硬化了。

(4)材料耐高温，隔热效果好。矿物聚合材料的基体相可能具有类沸石型结构，因而其密度较低，通过加入适量的发泡剂，并采用粉煤灰、膨胀珍珠岩等轻质骨料．进一步降低其体积密度和导热系数．可制备出具有良好保温隔热性能的新型轻质建筑材料。

(5)原料价格低廉，储量丰富。其主要构成元素si、Al、O在地壳中的含量分别为27％、8％、47％。

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(6)增韧、增强外加剂的选择范围广，由于反应在较低温度下进行．避免了高温可能导致的添加物变质，从而可采用多种外添加剂进行增韧、增强，提高材料性能。

(7)具有笼型结构，可开发出许多新的功能用途，譬如用作核放射元素的固封材料。采用矿物聚合材料处理放射性废弃物，其效果优于波特兰水泥。

以上优点表明，开发矿物聚合材料本身就具有相当广阔的前景。此外，从环境效益、经济效益和社会效益来看，综合开发利用矿物聚合材料还具有以下重要意义： 矿物聚合材料是一种新型的建筑材料，与传统的建筑材料如水泥相比最大的不同在于矿聚物的反应过程没有高温煅烧条件，成型温度仅在20～100℃，能耗大为降低，这对于我国这样一个能源比较紧张的国家具有特殊重要的意义。另外，矿物聚合材料可以利用固体废弃物作为大部分原料来源，如粉煤灰、高炉炉渣、建筑垃圾、烧粘土、矿山尾矿等。目前我国固体废物的排放越来越严重，但工业固体废物的利用率不到50％，矿山尾矿的利用率不足5％。制备矿物聚合材料的主要原料为固体铝硅酸盐。可采用各种硅铝质矿物和工业固体废物。这就为固体废物的资源化利用提供了一条有效的技术途径．在我国大力提倡可持续发展的今天更显示出巨大的应用前景。

4 矿物聚合材料的发展前景

2003年我国水泥的产量为8．13亿t，作为资源依赖性产业，对石灰石的需求量是巨大的。按目前水泥的需求态势，我国的石灰石资源的储量仅够用30～50年。那么就必将带来一个新的问题，资源用完后水泥的替代品的开发和利用。其实这也是世界上一个紧迫的问题。矿物聚合材料作为一种新型的建筑材料，在代替传统建筑材料方面有着无可比拟的优势。发展前景被广泛看好。目前全世界对矿物聚合材料的研究已全面展开。法国和美国的应用比较早，做的也较为成熟，目前开始应用于路段和填埋建设。我国矿物聚合材料的研究仅局限在实验阶段．但离大面积应用还存在～段距离。对矿物聚合材料的反应机理和耐久性方面还有待于各国科学家的进一步研究。相信随着材料工作者的努力和研究的深入．矿物聚合材料终将在建材方面发挥重要的作用!

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