无机聚合物胶凝材料的工程应用及性能研究

　　1、 引言

　　无机聚合物胶凝材料是国内外近年来在建筑工程、环境工程领域受到极大关注的一种新型胶凝材料，以工业废渣为主要原材料，具有价格低廉、储量丰富、能耗低、制备工艺简单等特点，是一种具有广泛发展前景的新型绿色节能建筑材料。目前无机聚合物胶凝材料在我国基本还处于试验研究和应用探索阶段，主要集中在材料制备、微观结构以及对混凝土力学性能、耐腐蚀性能以及耐高温性能影响方面的研究，工程应用方面还未见有公开文献报道。

　　2、 无机聚合物胶凝材料与无机聚合物混凝土概念

　　无机聚合物胶凝材料是以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废物（粉煤灰、煤矸石以及矿渣）为主要原料，与含铝质粘土（主要是偏高岭土或高岭石）和适量碱硅酸盐溶液充分混合后，在 20～120℃温度条件下硬化成型的一类铝硅酸盐类沸石材料，具有高强度、高耐腐蚀性、耐高温、导热率低等特点。

　　无机聚合物胶凝材料与水泥性能类似，可替代水泥用于制备无机聚合物混凝土。无机聚合物混凝土是无机聚合物胶凝材料利用常规混凝土生产工艺配制而成具有特殊性能的混凝土。

　　3、 无机聚合物胶凝材料产品

　　近几年，我国对无机聚合物胶凝材料的研究发展较快，取得了一定的成果，先后开发出不同工艺、不同组分的无机聚合物胶凝材料产品。中国矿业大学的付克明等人，研究利用碱激发剂和粉煤灰制备无机聚合物胶凝材料。中国石油集团工程技术研究院对高活性碱矿渣粉煤灰无机聚合物胶凝材料进行了研究，并申请了相关专利。广州市建筑科学研究院与华南理工大学材料学院利用偏高岭土开发了无机聚合物胶凝材料，基于制备方法申报了相关专利。深圳航天科技创新研究院利用矿渣微粉、粉煤灰以及化学激发剂，开发出了类似的无机聚合物胶凝材料，是在化学激发剂的作用下铝硅质材料通过溶解、水解、缩聚和固化等过程形成具有共价键组成网状结构特征的胶凝材料。

　　由于无机聚合物胶凝材料尚无统一的生产制造工艺，导致不同厂家的无机聚合物胶凝材料在性能指标上存在较大差异。

　　4、 微观结构及性能指标

　　虽然无机聚合物胶凝材料制备工艺、组成成分不尽相同，但其微观结构却基本一致，均为非晶态结构的铝硅酸盐类化合物，其主要化学结构为具有链状、层状和三维架状结构特征的 -Si-O-Si- 键或 Si-O-Al-O 键。相比水泥的微纤维结构，无机聚合物的微观结构均匀致密，无晶体结构，其内部孔洞结构也多为封闭孔洞。这些微观结构差异导致无机聚合物制备的无机聚合物混凝土性能不同于由纯水泥体系制备的普通混凝土。

　　无机聚合物胶凝材料尚无专用的检测标准，一般参照普通硅酸盐水泥以及普通混凝土性能检测方法测试无机聚合物胶凝材料以及无机聚合物混凝土性能指标，具体如表 1 所示。

　　通过对无机聚合物胶凝材料及无机聚合物混凝土性能研究相关文献的分析，列出无机聚合物胶凝材料与硅酸盐水泥性能对比以及无机聚合物混凝土与硅酸盐水泥混凝土性能对比如表 2 所示。无机聚合物胶凝材料的初凝时间、抗压强度及抗折强度可满足硅酸盐水泥的指标要求，并可根据工程的实际需求做出调整，不过无机聚合物胶凝材料的终凝时间明显短于硅酸盐水泥，具有初凝与终凝时间间隔短，早期强度发展快的特点。

　　对比配合比相近的无机聚合物混凝土及硅酸盐水泥混凝土坍落度、强度、抗氯离子渗透性、抗硫酸盐腐蚀性以及耐高温性能可以发现，无机聚合物混凝土的耐高温性能远优于硅酸盐水泥混凝土，抗氯离子渗透性及抗硫酸盐腐蚀性优于硅酸盐水泥混凝土，早期抗压强度高于硅酸盐水泥混凝土，后期抗压强度基本接近，而抗折强度及韧度指数则反而低于硅酸盐水泥混凝土。

　　无机聚合物混凝土与硅酸盐水泥混凝土抗裂性能对比如表 3 所示。在不同文献中，虽然对无机聚合物混凝土干燥收缩量有所不同，但干燥收缩变化规律还是基本一致的，就是在前期无机聚合物混凝土的干燥收缩略大于硅酸盐水泥混凝土，到后期两者的干燥收缩量基本一致。关于无机聚合物混凝土水化过程中的放热规律、水化放热总量以及对混凝土开裂敏感性测试、评价分析等均未见公开文献报道，只是在深圳航天科技创新研究院提供的产品说明书中提到无机聚合物胶凝材料水化放热量为硅酸盐水泥的 30%～40%，但其实际效果还需要通过试验进行验证。

　　5、 工程应用情况

　　无机聚合物胶凝材料及无机聚合物混凝土作为具有前景的新型绿色建材，其主要目的是替代传统的水泥，用于解决生产水泥的石灰质原材料出现短缺的问题。目前无机聚合物胶凝材料及无机聚合物混凝土主要还处于研究、探索阶段，虽对其综合性能还缺乏深入、系统以及全面的研究，但其确实在早强、提高混凝土抗侵蚀性以及耐高温性方面具有优异表现。

　　无机聚合物胶凝材料及无机聚合物混凝土还未有公开发表的工程应用实例，不过据深圳航天科技创新研究院介绍，该院研制生产的无机聚合物胶凝材料及无机聚合物混凝土已经在某些高温、高湿、高盐环境的军工项目以及桥梁工程中得到应用。

　　6、 总结

　　⑴无机聚合物胶凝材料是用于替代水泥的新型建筑材料，目前还处于研究及发展过程中，尚无统一的生产制造工艺及配套的专用检测方法。

　　⑵目前主要参照普通硅酸盐水泥以及普通混凝土性能检测方法对无机聚合物胶凝材料以及无机聚合物混凝土性能指标进行检测。

　　⑶无机聚合物胶凝材料可显著提高混凝土的早期抗压强度、抗氯离子渗透性、抗硫酸盐腐蚀性及耐高温性能，但会降低混凝土的抗折强度及韧性。

　　⑷无机聚合物胶凝材料不能降低混凝土的干燥收缩，且其对混凝土水化放热性能以及开裂敏感性的影响还需进一步研究。

　　⑸无机聚合物胶凝材料及无机聚合物混凝土适用于要求早期强度发展快、抗侵蚀性强的工程，是否适用于大体积混凝土控裂还需要研究，而且在实际工程中的应用还非常少，其具体效果也需要进一步验证。

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