1、礦物聚合材料一一一種新型建筑材料摘要：礦物聚合材料是近年來發展起來一種新型無機非金屈材料，探討了礦物聚 合材料在國內外的發展歷史和研究現狀，并總結了聚合反應的機理，最后展望了 這類新型建筑材料的應用前景。關鍵詞：礦物聚合材料；新型建筑材料；發展前景占代混凝土、砂漿建筑物(如羅馬的大競技場)具有非常優異的耐久性能，它能在 較惡劣的環境屮保持幾千年，其至上萬年而不破壞。與Z相比，在相同的條件下, 用硅酸鹽水泥制備的現代混凝土平均只有4050年的壽命，最長的也不超過100 年.短的僅幾年就遭受嚴重破壞。究其原因是由于在古代混凝土屮存在-種硅酸 鹽水泥中沒冇的無定形物質，該物質的結構與冇機高分子聚合物
2、的三維網絡結構 相似，但其主體為無機的Si044和A104s四面體，法國化學家Davidovits 稱之為礦物聚合材料(Geopolymer) IIL礦物聚合材料含有多種非晶質至半晶質相的三維鋁硅酸鹽礦物聚合物，是近年來 發展起來的一類新型無機非金屬材料。這類材料多以天然鋁硅酸鹽礦物或工業固 體廢物為主要原料.與高嶺石、粘土以及適量堿硅酸鹽溶液充分混合后，在20 120C的低溫條件卜成型硬化，屬于由鋁硅酸鹽膠凝成分粘結的化學鍵陶瓷材料。 1礦物聚合材料的研究丿力史與研究現狀礦物聚合材料作為一種堿激發膠凝材料，盡管其應用可追溯到古代，但礦物聚合 材料的研究發展比較晚。以1972年為界線可以分為探
3、索期和發展期兩個階段： 探索期：20世紀30年代.美國的Purdon在研究添加礦渣對波特蘭水泥的作用時， 制得一種更加快凝、高強的高凝材料，并提出了“堿催化”機理，認為材料的凝 結過程為：二氧化硅、氧化鋁與右灰溶解于氫氧化物：水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣 的形成：氫氧化物的重新生成。20世紀5060年代，前蘇聯的Glukhovski進一步系統地研究了礦物聚合材料.他 指出：鈉的磷酸鹽、氟化物與碳酸鹽均口J作激活劑：固結物中的固相為水合硅酸 鈣與水合鋁硅酸鹽；粘土類礦物在堿溶液處理時，反應生成鈉的水合硅鋁酸鹽。 發展期：1972年.法國的Davidovits發現硅鋁酸鹽礦物(如高嶺右)，可以在較低 的
4、溫度下，在極短的時間內生成三維的硅鋁酸鹽人工巖石。從此，開始了真正意 義上的礦物聚合材料的研究。Davidovits等發現。礦物聚合材料的耐久性、抗酸 實驗，發現各種天然礦物都發生不同程度的聚合反應。2礦物聚合材料的研究意義礦物聚合材料作為一種新型建筑材料，在工藝、性能、用途等方而集高聚物、陶 瓷、水泥等材料特性為一體，同時具有其獨特的優點：(1) 強度高，其主要力學性能指標優于玻璃與水泥，可與陶瓷及鋁、鋼等金屬材 料相當。(2) 貝有較強的耐腐蝕性和較好的耐久性，大大優于傳統的水泥材料。具冇較好的快碩固化性，傳統水泥固結碩化的時間一般在1012 h。而礦物 聚合材料在24h就固結碩化了。(4
5、) 材料耐高溫，隔熱效果好。礦物聚合材料的基體相可能具有類沸石型結構， 因而其密度較低，通過加入適量的發泡劑，并采用粉煤灰、膨脹珍珠巖等輕質骨 料.進一步降低其體積密度和導熱系數可制備出具有良好保溫隔熱性能的新型 輕質建筑材料。(5) 原料價格低廉，儲量豐富。其主要構成元素si、Al、0在地殼中的含量分別為 27%、8%、47%。(6) 增韌、增強外加劑的選擇范圍廣，由于反應在較低溫度卜進行.避免了高溫 可能導致的添加物變質，從而可采用多種外添加劑進行增韌、增強，捉高材料性 能。(7) 具有籠型結構，可開發出許多新的功能用途，譬如用作核放射元素的固封材 料。采用礦物聚合材料處理放射性廢棄物，其
6、效果優于波特蘭水泥。以上優點表明，開發礦物聚合材料本身就貝有相當廣闊的前景。此外，從環境效 益、經濟效益和社會效益來看，綜合開發利用礦物聚合材料還具冇以下重要意義: 礦物聚合材料是一種新型的建筑材料，與傳統的建筑材料如水泥相比最大的不同 在于礦聚物的反應過程沒有高溫鍛燒條件，成型溫度僅在20100C,能耗大為 降低，這對于我國這樣一個能源比較緊張的國家具有特姝重要的意義。另外，礦 物聚合材料可以利用固體廢棄物作為大部分原料來源，如粉煤灰、高爐爐渣、建 筑垃圾、燒粘土、礦山尾礦等。目前我國固體廢物的排放越來越嚴重，但工業固 體廢物的利用率不到50%,礦山尾礦的利用率不足5%。制備礦物聚合材料的主
7、 要原料為固體鋁硅酸鹽。可采用各種硅鋁質礦物和工業固體廢物。這就為固體廢 物的資源化利用提供了一條冇效的技術途徑.在我國大力提倡可持續發展的今天 更顯示出巨大的應用前景。4礦物聚合材料的發展前景2003年我國水泥的產量為8. 13億t,作為資源依賴性產業，對石灰石的需求量是 巨大的。按口前水泥的需求態勢，我國的石灰石資源的儲量僅夠用3050年。那 么就必將帶來一個新的問題，資源用完后水泥的替代品的開發和利用。其實這也 是世界上一個緊迫的問題。礦物聚合材料作為一種新型的建筑材料，在代替傳統 建筑材料方而冇著無可比擬的優勢。發展前景被廣泛看好。目前全世界對礦物聚 合材料的研究已全面展開。法國和美國的應用比較早，做的也較為成熟，目前開 始應用于路段和填埋建設。我國礦物聚合材料的研究僅局限在實驗階段.但離大 面積應用還存在段距離。對礦物聚合材料的反應機理和耐久性方面還冇待于各 國科學家的進一步研究。相信隨著材料工作者的努力和研究的深入.礦物聚合材 料終將在建材方而發揮重要的作用！
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