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解析土壤聚合物的构成

时间:2014-05-07 10:16:33

作者:世邦机器

土壤聚合物:古代混凝土、砂浆建筑物(如埃及的金字塔、罗马的大竞技场)具有非常优异的耐久性能,它能在比较恶劣的环境中保持几千年,甚至上万年而不破坏。与之相比较,在相同的环境条件下,用硅酸盐水泥制备的现代混凝土平均仅有40〜50年的寿命,较长的也不超过100年,短的仅几年就遭受严重破坏。20世纪70年代末,法国的J.Davidovits教授在对古建筑的研究过程中发现,耐久性好的古建筑物中有架状结构的硅铝酸盐化合物,与构成地壳的物质结构相似,即为含有大量硅铝链的“无机聚合物”,并称之为土壤聚合物(geopoly­mer),在此基础上,Davidovits(1988)采用将偏高岭土加工用碱激活的方法开发了一类新型胶凝材料,即土聚水泥(geopolymericcement)。迄今,地聚合物及其混凝土在市政、桥梁、道路、水利、地下、海洋以及军事等领域具有非常广阔的应用前景,将成为硅酸盐水泥的替代产品,这已成为当今各国材料工作者关注的热点之一。

土聚合物混凝土及其性能:

(1)土聚合物及其特点土聚合物(地聚合物)是由适量偏高岭土和少量碱性激活剂溶液与大量天然或人工硅铝质材料相混合,在低于150℃下甚至常温条件下养护,得到不同强度等级的无水泥熟料胶凝材料。

土聚合物是以偏高岭土和碱性激活剂为主要原料,采用适当工艺,通过溶解一单体重构一聚缩反应得到的一种新胶凝材料。根据地聚合物的分子结构可将其分成3类(Dav­idovits,1988):PS型(-Si-O-A1-)、PSS型(-Si-O-A1-O-Si-)和PSDS型(-Si-O-A1-O-Si-O-Si-)。地聚合物的分子式可表达为Mn[-(SiO2)2―AlO2―]n?ωH2O[式中,M为碱金属离子(Na+、K+等);n=1,2,3,为聚合度;ω为结合水量]。

(2)土壤聚合反应的机理土聚水泥的聚合机理不同于硅酸盐水泥的水化,与有机高分子聚合物的聚合机理也有所差别。高岭土经较低温度煅烧(500〜900℃),发生反应。

该反应使A1的配位数从六配位转化为四或五配位,高岭石结构转化为无定形结构的偏高岭土,有较高的火山灰活性。处于介稳状态的偏高岭土等无定形硅铝化合物经碱性激活剂及促硬剂的作用,硅铝氧化合物经历了一个由解聚到再聚合的过程,形成了类似地壳中一些天然矿物的铝硅酸盐网络状结构。国内外学者通过SEM、EDS、差热及热重综合分析以及核磁共振等方法对土聚水泥及其反应产物进行了详细的研究。对比土聚水泥和碱矿渣水泥各龄期反应产物的特点后,发现土聚水泥的反应产物明显不同于碱矿渣水泥的反应产物。

土聚水泥随反应龄期的延长,生成了更多的类沸石矿物――土壤聚合物,它是一种微观形貌呈层叠片状的无定形硅铝酸盐,具有较大的内比表面积,有较强的自由水吸附能力。土聚水泥随着反应龄期的延长,构成土壤聚合物的氧化物摩尔比Na2O/Al2O3、SiO2/Al2O3、Na0O/SiO2均呈下降趋势,而且结构水含量减少,这可能是因为更多的硅氧四面体及铝氧四面体参与了聚合使土壤聚合物的聚合度有所增加的结果。因此,土聚反应产生的过程即偏高岭土的用途碱性激活剂的作用下解体后再聚合的过程。

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