土壤聚合物水泥(Geopolymeric Cement)是一种新型的碱激活水泥。其主要原料是含高岭石的粘土，经500～900 ℃煅烧，在一定细度的情况下与碱盐等 均匀混合而成。土聚水泥因在原料和水化产物中存在大量含硅铝链的“无机聚合物”，称之 为“土壤聚合物(Geopolymer)”，土壤聚合物水泥(简称土聚水泥)也因此而得名。
1 土聚水泥的物理化学性能
1.1 性能特点
土聚水泥在较低温度下(500～900 ℃)煅烧而成，其中处于介稳状态的偏高岭等无定形硅铝 化合物经碱 性激活剂的作用，硅铝链经历了一个由解聚到再聚合的过程。土聚水泥具有如下的优异性能 。
(1)水化热低。土聚水泥在较低温度下制备而成，与普通硅酸盐水泥相比，土聚水泥“过剩 ”的能量小，表现 出较低的水化热，用于大体积混凝土工程时不会造成急剧温升，避免了破坏性热应力的产生 。
(2)收缩小。土聚水泥表现出完全不同于普通硅酸盐水泥的水化机理，普通硅酸盐水泥水化 后，产 生较大的化学收缩，而土聚水泥水化后表现出较好的体积稳定性，收缩远小于普通硅酸盐水 泥。
(3)早期强度高。与一般的碱激活水泥一样，土聚水泥表现了较高的早期强度，20 ℃下土聚 水泥水化4 h， 抗压强度可达15～20 MPa；使用优质骨料配制的土聚水泥混凝土，25 ℃下，1 d抗压强度可 达56 MPa；土聚水泥后 期强度也不下降，一定工艺条件下，土聚水泥制品的强度可达300 MPa以上。因此，土聚水 泥也被划分为化学键合陶瓷(Chemically bonded Ceramics)的范畴。
(4)抗渗性好，耐冻融循环。土聚水泥能形成致密的结构，强度较高，抗渗性能优良，而且 孔洞溶液中电解质浓度较高，因而耐冻融循环的能力增强。
(5)耐化学侵蚀。土聚水泥水化时不产生钙矾石等硫铝酸盐矿物，因而能耐硫酸盐侵蚀；土 聚水泥在酸溶液和各种有机溶剂中都表现了良好的稳定性。
(6)耐高温性能好。土聚水泥的熔点约为1250 ℃，显示了较好的高温力学强度，其耐火耐热 性能远远优于普通硅酸盐水泥。
(7)耐水热作用。在水热条件下，普通硅酸盐水泥较易受到毁灭性破坏，而土聚水泥则可保 持较好的稳定性。
(8)可自调温调湿。自然条件下，外界温度较低时，土聚水泥能吸收空气中的水分，当外界 温度升高时，土聚水泥吸收的水分蒸发，在土聚水泥密封结构内部形成较稳定的温度湿度条 件，消除了内表面的返潮现象。
(9)优良的耐久性。
(10)较高的界面结合强度。普通硅酸盐水泥在与骨料结合的界面上容易出现富含Ca(OH)2 及钙矾石等粗大结晶的过渡区，造成界面结合力薄弱，而土聚水泥和骨料界面结合紧密，不 会出现类似的过渡区。
1.2 主要化学成分及矿物组成
土聚水泥是法国J.Davidovits教授在深入研究古建筑材料的基础上研制发的。J.Davidovi ts教授认 为古代金字塔是由土聚水泥混凝土建成的，虽然这一观点在混凝土界引起了激烈的争论，但 J.Davidovits教授 发明的土聚水泥的确具有许多普通硅酸盐水泥难以达到的性能，而且土聚水泥的水化产物和 金字塔砌块中的某些矿物结构非常相似。
J.Davidovits教授用土聚水泥和石灰石配制成土聚水泥混凝土，并进行了化学成分分析，分 析结果与金字塔砌块的化学成分进行了比较(见表1)。
表1 金字塔砌块与土聚水泥混凝土化学成分的比较
查看附件 1736
力学实验结果表明：与金字塔砌块化学成分接近的土聚水泥 混凝土同样达到了理想的力学强度。
土聚水泥水化产物的矿物分析结果表明，土聚水泥水化产物中存在大量的沸石型矿物，如 方钠石：Nan (Si-O-Al-O-)n；方沸石：(Na,Ca,Mg)n(Si-O-Al-O-Si-O-)n等。这些沸石型矿物同样 在金字塔砌块中广泛地存在。因此，金字塔几千年的耐久寿命被认为是土聚水泥耐久性能优 良的主要证据之一。
1.3 与碱骨料反应
土聚水泥是碱激活水泥的一种，在土聚水泥中碱含量可高达9.2%。因此，在土聚水泥砂浆或 混凝土中是否会存在碱骨料反应是人们极为关注的问题之一。 对土聚水泥的27Al、29Si核磁共振研究表明，土聚水泥是一种火山灰类似物 ，化学组成也与某些天然火山灰接近。
表2 为土聚水泥与意大利火山灰化学成分分析结果。
查看附件 1737
天然火山灰能有效地抑制碱骨料反应。所以，土聚水泥是不 会发生碱骨料反应的。按ASTMC 227进行的砂浆棒碱骨料反应膨胀实验也表明，土聚水泥的膨胀量明显小于含1.2%Na2O的普通硅酸盐水泥。
2 生产工艺
2.1 原材料
(1)高岭土。高岭土是土聚水泥的主要原料，生产土聚水泥对高岭土的纯度要求不高，高 岭石含量偏低的粘土 也可采用。因此，可取用普通的粘土，如我国南方大量存在的红壤，就可作为生产土聚水泥 的原料。
(2)碱与碱盐。土聚水泥可用KOH，NaOH等碱直接激活煅烧粘土，也可采用Na2CO3、Na2CO3 +Ca(OH)2、K2CO3、K2CO3+Ca(OH)2等作碱性激活剂，硅酸盐水泥熟料有时也被 认为是激活剂的一种。
(3)混合材。火山灰活性较高的矿渣、粉煤灰、硅灰等工业废渣都可作为土聚水泥的混合材 。 (4)外加剂。主要为调节土聚水泥凝结时间的外加剂，有聚磷酸盐及偏磷酸盐等。
2.2 工艺流程
含高岭石粘土加水→淘泥→脱水→烘干破碎→煅烧(500～900 ℃)→加碱盐(碱)、混合材、 外加剂→粉磨→包装
3 应用前景
土聚水泥本身具备的优良的物理化学性能决定了其广阔的应用前景，主要可应用于下列几 个方面：
(1)开发耐久性装饰材料。土聚水泥与颜色偏重于灰黑色的硅酸盐水泥不同，其颜色较浅， 甚至可以 是纯白色，配以各种无机颜料，可生产颜色丰富多彩的装饰材料。与陶瓷墙地砖相比，土聚 水泥装饰 材料不仅免除了高温烧结工艺，而且整体性好；与人工大理石材(一般含有机聚合物)相比， 由无机聚合物组成的土聚水泥更耐久。
(2)生产化学键合陶瓷。所谓化学键合陶瓷，实质上是区别于高温烧结陶瓷而言的。土聚水 泥通过水 化反应能达到与高温烧结陶瓷相媲美的结构，而且低温浇注土聚水泥便于成型各种复杂形 状的制品。
(3)开发优质防水材料。土聚水泥水化后结构致密，抗渗性优良，可开发为优质防水材料。
(4)开发防火及耐高温材料。土聚水泥能经受1200 ℃的高温，可用于制作炉膛、冶金管道、 隔热材料等。
(5)开发防腐材料。土聚水泥能耐酸碱、硫酸盐及各种有机溶剂，因而是一种优质的防腐材 料。土聚水泥适用于各种化工厂的管道衬里。
(6)固定工业有毒废渣及核废料。土聚水泥抗渗性好，耐久性优良，沸石型的三维硅铝网络 结构能有 效地固定工业有毒废渣；因土聚水泥能有效地经受核废料产生的水热作用，所以能较理想地 用于核废料的固定。
(7)用于修建低维护、高效能的粮食储备系统。土聚水泥修建的粮仓具有自调温调湿的功能 ，所以能 免除现有粮仓的调温及通风设备的投入和运行费用。土聚水泥修建的粮仓无返潮现象，且密 封性好 ，能有效地抑制霉菌的生长。另外，土聚水泥有足够高的强度，能有效地预防鼠类等啮齿类 动物的入侵。
(8)开发早强型快速修补材料。土聚水泥早期强度及界面结合强度高，可用作混凝土结构的 快速修补。特 别是土聚水泥与硅酸盐水泥复合后，快硬高强的性能更加突出，可用于机场跑道、高速公路 等设施的快速修补。
4 小 结
土聚水泥是一种不同于普通硅酸盐水泥的新型胶凝材料，相对硅酸盐水泥而言，其生产能耗 小，几 乎无污染，是一种环保型“绿色建筑材料”。土聚水泥广阔的应用领域和可能具备 的优良耐久性 更是向人们展示了迷人的开发前景。因此，我们必须大力开展土聚水泥的研究及开发工作。
收稿日期：2000-11-06
联系地址：广州市华南理工大学材料学院99博
联系电话：020-85294658
1 土聚水泥的物理化学性能
1.1 性能特点
土聚水泥在较低温度下(500～900 ℃)煅烧而成，其中处于介稳状态的偏高岭等无定形硅铝 化合物经碱 性激活剂的作用，硅铝链经历了一个由解聚到再聚合的过程。土聚水泥具有如下的优异性能 。
(1)水化热低。土聚水泥在较低温度下制备而成，与普通硅酸盐水泥相比，土聚水泥“过剩 ”的能量小，表现 出较低的水化热，用于大体积混凝土工程时不会造成急剧温升，避免了破坏性热应力的产生 。
(2)收缩小。土聚水泥表现出完全不同于普通硅酸盐水泥的水化机理，普通硅酸盐水泥水化 后，产 生较大的化学收缩，而土聚水泥水化后表现出较好的体积稳定性，收缩远小于普通硅酸盐水 泥。
(3)早期强度高。与一般的碱激活水泥一样，土聚水泥表现了较高的早期强度，20 ℃下土聚 水泥水化4 h， 抗压强度可达15～20 MPa；使用优质骨料配制的土聚水泥混凝土，25 ℃下，1 d抗压强度可 达56 MPa；土聚水泥后 期强度也不下降，一定工艺条件下，土聚水泥制品的强度可达300 MPa以上。因此，土聚水 泥也被划分为化学键合陶瓷(Chemically bonded Ceramics)的范畴。
(4)抗渗性好，耐冻融循环。土聚水泥能形成致密的结构，强度较高，抗渗性能优良，而且 孔洞溶液中电解质浓度较高，因而耐冻融循环的能力增强。
(5)耐化学侵蚀。土聚水泥水化时不产生钙矾石等硫铝酸盐矿物，因而能耐硫酸盐侵蚀；土 聚水泥在酸溶液和各种有机溶剂中都表现了良好的稳定性。
(6)耐高温性能好。土聚水泥的熔点约为1250 ℃，显示了较好的高温力学强度，其耐火耐热 性能远远优于普通硅酸盐水泥。
(7)耐水热作用。在水热条件下，普通硅酸盐水泥较易受到毁灭性破坏，而土聚水泥则可保 持较好的稳定性。
(8)可自调温调湿。自然条件下，外界温度较低时，土聚水泥能吸收空气中的水分，当外界 温度升高时，土聚水泥吸收的水分蒸发，在土聚水泥密封结构内部形成较稳定的温度湿度条 件，消除了内表面的返潮现象。
(9)优良的耐久性。
(10)较高的界面结合强度。普通硅酸盐水泥在与骨料结合的界面上容易出现富含Ca(OH)2 及钙矾石等粗大结晶的过渡区，造成界面结合力薄弱，而土聚水泥和骨料界面结合紧密，不 会出现类似的过渡区。
1.2 主要化学成分及矿物组成
土聚水泥是法国J.Davidovits教授在深入研究古建筑材料的基础上研制发的。J.Davidovi ts教授认 为古代金字塔是由土聚水泥混凝土建成的，虽然这一观点在混凝土界引起了激烈的争论，但 J.Davidovits教授 发明的土聚水泥的确具有许多普通硅酸盐水泥难以达到的性能，而且土聚水泥的水化产物和 金字塔砌块中的某些矿物结构非常相似。
J.Davidovits教授用土聚水泥和石灰石配制成土聚水泥混凝土，并进行了化学成分分析，分 析结果与金字塔砌块的化学成分进行了比较(见表1)。
表1 金字塔砌块与土聚水泥混凝土化学成分的比较
查看附件 1736
力学实验结果表明：与金字塔砌块化学成分接近的土聚水泥 混凝土同样达到了理想的力学强度。
土聚水泥水化产物的矿物分析结果表明，土聚水泥水化产物中存在大量的沸石型矿物，如 方钠石：Nan (Si-O-Al-O-)n；方沸石：(Na,Ca,Mg)n(Si-O-Al-O-Si-O-)n等。这些沸石型矿物同样 在金字塔砌块中广泛地存在。因此，金字塔几千年的耐久寿命被认为是土聚水泥耐久性能优 良的主要证据之一。
1.3 与碱骨料反应
土聚水泥是碱激活水泥的一种，在土聚水泥中碱含量可高达9.2%。因此，在土聚水泥砂浆或 混凝土中是否会存在碱骨料反应是人们极为关注的问题之一。 对土聚水泥的27Al、29Si核磁共振研究表明，土聚水泥是一种火山灰类似物 ，化学组成也与某些天然火山灰接近。
表2 为土聚水泥与意大利火山灰化学成分分析结果。
查看附件 1737
天然火山灰能有效地抑制碱骨料反应。所以，土聚水泥是不 会发生碱骨料反应的。按ASTMC 227进行的砂浆棒碱骨料反应膨胀实验也表明，土聚水泥的膨胀量明显小于含1.2%Na2O的普通硅酸盐水泥。
2 生产工艺
2.1 原材料
(1)高岭土。高岭土是土聚水泥的主要原料，生产土聚水泥对高岭土的纯度要求不高，高 岭石含量偏低的粘土 也可采用。因此，可取用普通的粘土，如我国南方大量存在的红壤，就可作为生产土聚水泥 的原料。
(2)碱与碱盐。土聚水泥可用KOH，NaOH等碱直接激活煅烧粘土，也可采用Na2CO3、Na2CO3 +Ca(OH)2、K2CO3、K2CO3+Ca(OH)2等作碱性激活剂，硅酸盐水泥熟料有时也被 认为是激活剂的一种。
(3)混合材。火山灰活性较高的矿渣、粉煤灰、硅灰等工业废渣都可作为土聚水泥的混合材 。 (4)外加剂。主要为调节土聚水泥凝结时间的外加剂，有聚磷酸盐及偏磷酸盐等。
2.2 工艺流程
含高岭石粘土加水→淘泥→脱水→烘干破碎→煅烧(500～900 ℃)→加碱盐(碱)、混合材、 外加剂→粉磨→包装
3 应用前景
土聚水泥本身具备的优良的物理化学性能决定了其广阔的应用前景，主要可应用于下列几 个方面：
(1)开发耐久性装饰材料。土聚水泥与颜色偏重于灰黑色的硅酸盐水泥不同，其颜色较浅， 甚至可以 是纯白色，配以各种无机颜料，可生产颜色丰富多彩的装饰材料。与陶瓷墙地砖相比，土聚 水泥装饰 材料不仅免除了高温烧结工艺，而且整体性好；与人工大理石材(一般含有机聚合物)相比， 由无机聚合物组成的土聚水泥更耐久。
(2)生产化学键合陶瓷。所谓化学键合陶瓷，实质上是区别于高温烧结陶瓷而言的。土聚水 泥通过水 化反应能达到与高温烧结陶瓷相媲美的结构，而且低温浇注土聚水泥便于成型各种复杂形 状的制品。
(3)开发优质防水材料。土聚水泥水化后结构致密，抗渗性优良，可开发为优质防水材料。
(4)开发防火及耐高温材料。土聚水泥能经受1200 ℃的高温，可用于制作炉膛、冶金管道、 隔热材料等。
(5)开发防腐材料。土聚水泥能耐酸碱、硫酸盐及各种有机溶剂，因而是一种优质的防腐材 料。土聚水泥适用于各种化工厂的管道衬里。
(6)固定工业有毒废渣及核废料。土聚水泥抗渗性好，耐久性优良，沸石型的三维硅铝网络 结构能有 效地固定工业有毒废渣；因土聚水泥能有效地经受核废料产生的水热作用，所以能较理想地 用于核废料的固定。
(7)用于修建低维护、高效能的粮食储备系统。土聚水泥修建的粮仓具有自调温调湿的功能 ，所以能 免除现有粮仓的调温及通风设备的投入和运行费用。土聚水泥修建的粮仓无返潮现象，且密 封性好 ，能有效地抑制霉菌的生长。另外，土聚水泥有足够高的强度，能有效地预防鼠类等啮齿类 动物的入侵。
(8)开发早强型快速修补材料。土聚水泥早期强度及界面结合强度高，可用作混凝土结构的 快速修补。特 别是土聚水泥与硅酸盐水泥复合后，快硬高强的性能更加突出，可用于机场跑道、高速公路 等设施的快速修补。
4 小 结
土聚水泥是一种不同于普通硅酸盐水泥的新型胶凝材料，相对硅酸盐水泥而言，其生产能耗 小，几 乎无污染，是一种环保型“绿色建筑材料”。土聚水泥广阔的应用领域和可能具备 的优良耐久性 更是向人们展示了迷人的开发前景。因此，我们必须大力开展土聚水泥的研究及开发工作。
收稿日期：2000-11-06
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