地質(zhì)聚合物(Geopolymer)是以含氧化硅和氧化鋁為主要成分的硅鋁質(zhì)材料為主要原料，經(jīng)適當(dāng)工藝及化學(xué)反應(yīng)得到的一類具有非晶態(tài)和準(zhǔn)晶態(tài)的三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的新型無機(jī)材料。其生產(chǎn)原料來源廣泛，天然的硅酸鹽礦物和含有硅酸鹽的工業(yè)廢棄物都可用來制備地質(zhì)聚合物。與傳統(tǒng)的水泥相比，地質(zhì)聚合物不用燒制水泥熟料，生產(chǎn)能耗只有普通硅酸鹽水泥的10%~30%，且能顯著減少溫室氣體的排放。同時，地質(zhì)聚合物具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫特性、耐腐蝕性能以及對重金屬離子的固封性，廣泛運(yùn)用于建筑材料、高性能復(fù)合材料和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。
地質(zhì)聚合物的合成原料
地質(zhì)聚合物的合成原料主要分為兩部分：一部分是活性硅鋁質(zhì)原料，另一部分是液體激發(fā)劑。
活性硅鋁質(zhì)原料
地質(zhì)聚合物的原材料較為豐富，包括偏高嶺土、粉煤灰、礦渣、赤泥、鉀尾礦、鐵尾礦、銅尾礦等具有活性富含硅鋁酸鹽的礦物和廢棄物都可以作為制備原料。另外，以上材料的混合物，如粉煤灰與偏高嶺土的混合料、礦渣與粉煤灰的混合物都可作為原料來制備地質(zhì)聚合物。
偏高嶺土是公認(rèn)的制備地質(zhì)聚合物的首選材料，主要原因是偏高嶺土是高嶺土在650~800℃的高溫下脫水后形成的無水硅酸鋁，具有介穩(wěn)狀態(tài)。尾礦用于制備地質(zhì)聚合物是因為其主要成分是石英、長石、云母等硅鋁質(zhì)礦物，完全可以作為摻和料參與聚合反應(yīng)，生成地質(zhì)聚合物。
低鈣粉煤灰與高鈣粉煤灰相比，前者是制備地質(zhì)聚合物的首選材料。因為鈣含量較高時，聚合過程會受到影響，從而使地質(zhì)聚合物的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。相對于原料性質(zhì)，利用煅燒過的材料(如偏高嶺土、粉煤灰和礦渣)制備的地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度高于未煅燒的礦物(如自然形成的礦物、尾礦、高嶺土等)所制備的地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度。此外，Xu等發(fā)現(xiàn)煅燒過的材料(如粉煤灰)與未煅燒的礦物(如高嶺土和鈉長石)混合可以提高地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度，并縮短反應(yīng)時間。
液體激發(fā)劑
地質(zhì)聚合物的激發(fā)方式有堿激發(fā)和酸激發(fā)兩種，堿激發(fā)主要是利用NaOH、KOH等堿性溶液與鋁硅質(zhì)材料混合發(fā)生激發(fā)反應(yīng)來合成地質(zhì)聚合物材料。酸激發(fā)主要指利用磷酸等酸性溶液作為激發(fā)劑來制備地質(zhì)聚合物材料，與堿激發(fā)相比其研究起步較晚，技術(shù)相對不成熟。
目前，最常用的堿激發(fā)劑是堿溶液和硅酸鹽溶液的混合物。Palomo等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)堿溶液中含有硅酸鹽時地質(zhì)聚合物的聚合反應(yīng)速度加快。Xu等也證實了向NaOH、KOH等堿性溶液中加入Na2SiO3或K2SiO3作為激發(fā)劑，可以加速聚合反應(yīng)，提高地質(zhì)聚合物的性能。Catherine等研究認(rèn)為,NaOH溶液與Na2SiO3溶液混合作為激發(fā)劑可加快膠凝相的形成，原因主要是高堿環(huán)境下原材料中的Si、Al組分的溶出速率加快，Na2SiO3溶液加入后促進(jìn)了Si-O-Al和Si-O-Si-O-Al等低聚體的形成，加快了漿體聚合態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而縮短地質(zhì)聚合物的固化時間。
地質(zhì)聚合反應(yīng)常用的酸激發(fā)劑有硫酸、醋酸和磷酸。方旭彬等研究了酸性激發(fā)劑摻入對復(fù)合渣性能的影響，試驗結(jié)果顯示：采用0.01~0.1 mol/L的硫酸和醋酸作為激發(fā)劑，可有效縮短凝結(jié)時間，較早地產(chǎn)生強(qiáng)度，但需水量增加。同時，SEM測試結(jié)果表明：復(fù)合渣在酸性激發(fā)劑下能發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成大量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絮狀凝膠，使結(jié)構(gòu)更加致密。劉樂平以偏高嶺土和α-Al2O3為原料，磷酸為激發(fā)劑制備磷酸基地質(zhì)聚合物，研究發(fā)現(xiàn)，磷酸基地質(zhì)聚合物的高溫?zé)岱€(wěn)定性比堿基地質(zhì)聚合物優(yōu)越。從XRD和微觀結(jié)構(gòu)可知，試樣經(jīng)1 550℃高溫處理后，主要以針狀的方石英和磷酸鋁相為主。
地質(zhì)聚合物的制備方法
地質(zhì)聚合物的制備方法主要有澆筑法、超聲波輔助法以及壓制成型法三種。澆筑法是在不施加外部壓力的條件下，采用NaOH或KOH作為堿性激發(fā)劑，將其與Na2SiO3或K2SiO3水溶液混合，接著將含硅酸鹽的原料加入該溶液混勻后注入模具，靜置，硬化成型。該方法制備需水量較高，原料混勻后呈漿體，具有流動性，可制備形狀復(fù)雜多樣的制品，所得成品抗壓強(qiáng)度在100 MPa以下。超聲波輔助法是在原料與堿激發(fā)劑混合時引入超聲波，超聲波作用后礦物結(jié)構(gòu)中的-Si-O-與-Al-O-被削弱，活性礦物的溶解加快，地質(zhì)聚合物的整體強(qiáng)度增強(qiáng)。Feng等研究表明，在偏高嶺土-砂、粉煤灰-偏高嶺土混合物的地質(zhì)聚合物體系中引入超聲處理后，形成的地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性均有所提高，其原因主要是超聲處理后Al和Si在堿液中的溶解速度變快，硅鋁酸鹽表面與凝膠相鍵合增強(qiáng)，縮聚過程及半晶到晶相的形成得到促進(jìn)。壓制成型法由陳鴻靈等提出，該方法在硅鋁酸鹽礦物與堿激發(fā)劑攪勻混合裝入模具后，在5~10 MPa的壓力下壓制成型。此法水用量較少，使得體系中堿激發(fā)劑的濃度增大，活性硅鋁單體的溶出增多，且在較大壓力下成型，顆粒間空隙較小，因此所得樣品的抗壓強(qiáng)度高于采用澆筑法成型的產(chǎn)品，但原料混勻后呈膠狀，難流動。