粉煤灰基地聚合物材料的研究进展.pdf

1、2 0 1 1N O 3粉煤灰综合利用F L Y A S HC o M P R E H E N S I V EU T I L I Z A T l O N粉煤灰基地聚合物材料的研究进展R e s e a r c hA d v a n c eo nF l yA s hB a s e dG e o p o l y m e rM a t e r i a l施惠生1”，林茂松2，郭晓璐1 2(1 同济大学先进土木材料教育部重点实验室，上海2 0 1 8 0 4；2 同济大学环境材料研究所，上海2 0 1 8 0 4)摘要：地聚合物(G e o p o l y m e r)是硅铝质无机原料通过矿物聚缩而生

2、成的一种以硅铝四面体为单元的无定形三维网状无机聚合物，兼有陶瓷、水泥、高分子材料的特点，近年来，因其可以协同处置大量固体废弃物成为新的研究热点。本文基于地聚合物的研究发展历史，重点介绍了粉煤灰基地聚合物的原材料、激发剂、成型制度、养护制度等制备工艺技术，并结合地聚合物的宏观性能和微观结构的研究现状，阐述了粉煤灰基地聚合物的反应机理，还进一步介绍了其在固化重金属废弃物方面的发展前景。最后，指出了粉煤灰基地聚合物研究存在的问题及需要突破的瓶颈。关键词：地聚合物；粉煤灰；制备；机理；重金属中图分类号：X 7 7 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 5-8 2 4 9(2 0 1 1)0 3-0 0

3、 4 2-0 51 9 7 8 年，法国D a v i d o v i t s 教授首次提出了地聚合物(G e o p o l y m e r)的概念。地聚合物是硅铝质无机原料通过矿物聚缩而生成的一种以离子键和共价键为主，范德华键为辅，由共用氧交替键合的 S i O。4 一和 A I O。5 一四面体组成的聚合铝一氧一硅酸盐无定形三维网状无机聚合物。地聚合物分子式可为：M n(-(S i O：)：-A l O：)。w H：0，其中M 为金属离子，n 为聚合度。反应产物网络的基本结构单元有三种，分别为硅铝氧链(P S)型(S i-0 一A 1-O 一)、硅铝硅氧链(P S S)型(S i 一0

4、一A 1 0S i0)、和硅铝二硅氧链(P S D S)型(S i0A 1 0 一S i 0S i0)等。地聚合物的这种网络结构，赋予它不同于硅酸盐水泥的特点，其力学性能好，早期强度高；能有效固定几乎所有已知有毒金属离子；低碳排放等BJ，在工程应用中具有较强的优越性。地聚合物研究进展很快，全球已有3 0 多个国家设有专门的地聚合物研究机构。3 0 年来，地聚合物研究经历了古代现代混凝土的比较、偏高岭土基地聚合物的研制、利用固体废弃物研制地聚合物的阶段。粉煤灰的主要成分为非晶态玻璃体、石英、莫来石(3 A 1：0，2 S i O：)及少量未燃烧炭。粉煤灰基地聚合物是利用粉煤灰非晶态硅铝酸盐的特点

5、，选择特定的激发剂对收稿日期：2 0 1 1-0 4-0 64 2 其进行激发，使其中的铝硅玻璃结构发生解聚，然后在一定条件下再聚合生成无机聚合物，从而制备出的一种新型的无机胶凝材料 j。我国是世界上最大的煤炭资源国家之一，电力工业的发展，仍然是以燃煤的火力发电为主。电煤占我国煤炭消耗的5 0 以上，煤炭资源将在很长时期内作为我国一次能源的主要支柱。燃煤过程产生大量飞灰，占原煤质量的1 5 一4 0。电厂粉煤灰的年排放达到2 亿t，累计堆存量已达2 5 亿多t，占地面积5 万公顷以上，粉煤灰已经成为我国累积堆贮量和占用耕地最多的工业废弃物之一HJ。粉煤灰的利用既为广大企业解决了废弃物堆放占用场

6、地和污染问题，又有效地突破了传统水泥石灰石原料紧缺的瓶颈问题，因此，粉煤灰基地聚合物有着巨大的发展潜力。本文介绍了粉煤灰基地聚合物在国内外的研究进展，为后续研究工作提供借鉴。l 粉煤灰基地聚合物材料的制备研究以粉煤灰为硅铝成分的主要来源，制备地聚合物材料，前人将研究重点放在探讨激发剂的种类和掺量、养护制度等工艺参数对材料性能的影响上。在地聚合物材料研究中，常用的激发剂主要有三类：碱性激发剂、酸性激发剂及复合激发剂J。目前粉煤灰综合利用F L Y A S HC o M P R E H E N S EU T。I Z A T I o N2 0 11N O 3普遍认为水玻璃与碱的复合激发剂的激发效果最好。P a l o m o 等1 认为在聚合过程中碱性激发剂的作用至关重要，与只用氢氧化物相比，当碱液中含有可溶性的硅酸盐时，其反应速度更快。C a t h e r i n e 等7o 用红外原位监测法研究粉煤灰地聚合物胶凝情况也证实了N a O H 溶液中添加硅酸钠以后胶凝相形成加速。这实际上是从原材料溶解出来的s i、A l 组分与溶液中己存在的硅酸盐聚合体形成S i O A I 和S i 一