地质聚合物：结构、工艺、性能和工业应用

《地质聚合物——结构、工艺、性能和工业应用》介绍了地质聚合物（geopolymer）的制备工艺、聚合反应动力学、前驱体设计、碱性激发剂化学特性及微纳米结构等，阐述了其化学基础，并分析了地质聚合物制品加速养护、耐久性、耐火阻燃性、热力学性能、使用寿命，以及地质聚合物混凝土的工程性能和不同原料（粉煤灰和高岭土、废矿和黏土）制备地质聚合物的方法;本书还阐述了应用在部分建筑领域有毒废料包埋处理的方法。本书适合水泥混凝土等多个领域的研究者、工程师和管理人员参考，也可作为行业培训用书、材料加工相关专业和先进制造专业的教材。

无

1 地质聚合物概述 001
1.1 地质聚合物技术的历史 001
1.2 地质聚合物术语 003
1.3 地质聚合物科学 004
1.4 地质聚合物应用 005
1.5 小结 005
参考文献 006


第一部分　地质聚合物的合成与表征 010
2 粉煤灰玻璃体化学和无机聚合物水泥 011
2.1 引言 011
2.2 煤粉炉粉煤灰的起源和历史 012
2.3 煤粉炉粉煤灰颗粒形貌 015
2.4 硅铝酸盐玻璃体化学 017
2.5 粉煤灰玻璃体化学检测 017
2.6 IPC形成中粉煤灰玻璃体行为 021
2.7 小结 025
参考文献 025

3 地质聚合物前驱体设计 029
3.1 引言 029
3.2 冶金渣 029
3.3 粉煤灰 030
3.3.1 F类粉煤灰 031
3.3.2 C类粉煤灰 032
3.3.3 粉煤灰与玻璃体化学 032
3.4 铝的可用性 033
3.5 最佳两组分地质聚合物 034
3.6 单组分地质聚合物水泥设计 035
3.7 地质聚合物和水泥行业对比 036
3.8 小结 036
参考文献 036

4 地质聚合物激发剂化学 041
4.1 引言 041
4.2 碱金属氢氧化物溶液 041
4.2.1 氢氧化锂（LiOH） 043
4.2.2 氢氧化钠（NaOH） 044
4.2.3 氢氧化钾（KOH） 045
4.2.4 氢氧化铷（RbOH） 045
4.2.5 氢氧化铯（CsOH） 045
4.3 碱金属硅酸盐溶液 046
4.3.1 溶解度和相平衡 046
4.3.2 赋存形态 048
4.3.3 工程性质 051
4.4 其他激发剂 054
4.5 小结 054
参考文献 055

5 偏高岭土地质聚合物的纳/微观结构 060
5.1 引言 060
5.2 偏高岭土 061
5.3 偏高岭土地质聚合物的形成 062
5.4 偏高岭土地质聚合物的纳米结构 064
5.4.1 核磁共振分析 064
5.4.2 X射线对分布函数分析 065
5.4.3 结构模型 066
5.5 偏高岭土地质聚合物的微观结构 067
5.6 偏高岭土地质聚合物中的钙 070
5.7 小结 070

参考文献 071
6 粉煤灰地质聚合物的纳/微观结构 075
6.1 引言：胶凝性凝胶的一般特征 075
6.2 聚合：概念模型 077
6.3 N-A-S-H 凝胶的特点 081
6.3.1 硅在N-A-S-H凝胶结构中的作用 081
6.3.2 铝在N-A-S-H凝胶结构中的作用 086
6.3.3 钠在N-A-S-H凝胶结构中的作用 089
6.4 粉煤灰地质聚合物的微观结构 092
6.5 小结 095
参考文献 095

7 地质聚合物反应动力学 099
7.1 引言 099
7.2 原位红外光谱 100
7.3 量热法 105
7.4 流变学 106
7.5 衍射分析技术 107
7.6 核磁共振（NMR）分析 108
7.7 显微镜分析 109
7.8 建模 109
7.9 小结 111
参考文献 111


第二部分　地质聚合物的制备和性能 115
8 地质聚合物的加速老化 116
8.1 引言 116
8.2 地质聚合物凝胶合成过程中的结晶 117
8.3 地质聚合物凝胶老化过程中的结晶 118
8.4 地质聚合物的加速老化测试 119
8.4.1 加速老化测试的必要性 119
8.4.2 老化测试注意事项 119
8.5 偏高岭土合成的地质聚合物的老化 121
8.5.1 室温下的老化 121
8.5.2 95℃下的加速老化 121
8.5.3 老化期间的相变 122
8.5.4 SEM 检测老化地质聚合物 123
8.5.5 老化过程中的强度损失机制 125
8.5.6 温度对地质聚合物老化的影响 126
8.5.7 碱金属阳离子类型对地质聚合物老化的影响 127
8.6 粉煤灰合成的地质聚合物的老化 128
8.6.1 老化作用对强度的影响 128
8.6.2 老化过程中的相变 130
8.6.3 SEM 检测 131
8.6.4 沸石结晶对粉煤灰基地质聚合物强度的影响 133
8.7 小结 136
参考文献 137

9 地质聚合物的化学耐久性 140
9.1 引言 140
9.2 抗硫酸盐侵蚀和抗海水侵蚀 141
9.3 酸侵蚀 144
9.4 钢筋的耐侵蚀性 148
9.5 碱硅反应 151
9.6 耐高温与阻燃性 154
9.7 耐极端环境的抵抗力：霜冻侵蚀 158
9.8 小结 159
参考文献 159

10 地质聚合物的生命周期分析 163
10.1 引言 163
10.2 生命周期评估 164
10.2.1 生命周期评估方法 164
10.2.2 数据库 165
10.2.3 影响评估方法 166
10.3 地质聚合物合成对生态环境的影响 166
10.4 地质聚合物生产过程对生态环境的影响 168
10.5 地质聚合物和其他产品体系的生命周期评估比较 170
10.5.1 地质聚合物vs.水泥混凝土 170
10.5.2 污水污泥管中地质聚合物涂料与HDPE涂层系统的比较 173
10.6 地质聚合物和再生资源的利用 175
10.7 小结 175
参考文献 176

11 地质聚合物混凝土的工程性能 178
11.1 引言 178
11.2 地质聚合物混凝土 178
11.3 混合比设计、制备及养护 179
11.3.1 混合比设计 179
11.3.2 制备 181
11.3.3 养护制度 181
11.4 地质聚合物混凝土的短期性能 182
11.4.1 压缩行为 182
11.4.2 间接拉伸强度 184
11.4.3 单位体积质量 185
11.5 地质聚合物混凝土的长期性能 185
11.5.1 抗压强度 185
11.5.2 徐变与干燥收缩 186
11.5.3 抗硫酸盐侵蚀 187
11.5.4 抗硫酸侵蚀性 189
11.6 小结 189
参考文献 190

12 耐火和耐热地质聚合物的制备 192
12.1 引言 192
12.2 常温和高温固化后的碱金属硅铝酸盐水泥的物相组成 193
12.2.1 碱金属硅铝酸盐矿物在地质作用过程中的转变 193
12.2.2 低温下地质聚合物的矿物相转变历程：未来耐热性的关键 195
12.2.3 加热过程中碱性硅铝酸盐水泥的相变 197
12.3 水合和脱水后混合比例、相组成和性质的关系 210
12.4 应用经验 216
12.5 小结 219
参考文献 220

13 利用尾矿制备地质聚合物胶凝材料 223
13.1 引言 223
13.2 煅烧工艺对尾矿反应活性的影响 224
13.3 强度发展和混合比设计参数 226
13.3.1 Ca（OH）2 和NaOH浓度的影响 226
13.3.2 H2O/Na2O摩尔比的影响 229
13.4 物理和力学性能 231
13.4.1 工作性 231
13.4.2 凝固时间 231
13.4.3 自由收缩 232
13.4.4 吸水率 233
13.4.5 静态弹性模量（SME） 233
13.4.6 尾矿地质聚合物胶凝材料黏附性 235
13.5 耐久性和环保性 238
13.5.1 耐磨性 238
13.5.2 耐酸性 238
13.5.3 环保性 239
13.6 未来研究方向 240
参考文献 241

14 无热活化黏土在地质聚合物制备中的应用 244
14.1 引言 244
14.2 1∶1型层状硅铝酸盐矿物的脱羟基化 245
14.2.1 高岭石脱羟基 245
14.2.2 埃洛石脱羟基 246
14.3 2∶1型层状硅铝酸盐矿物的脱羟基反应 247
14.3.1 叶蜡石脱羟基 247
14.4 热脱羟基黏土与碱的反应 248
14.5 再现黏土中热脱羟基作用的方法 250
14.5.1 机械化学处理（高能研磨） 251
14.5.2 化学预处理 253
14.6 制备硅铝酸盐地质聚合物的其他方法 254
14.6.1 固相合成 254
14.6.2 软化学合成 256
14.7 小结 256
参考文献 257

15 地质聚合物的热性能 260
15.1 引言 260
15.2 热膨胀 260
15.2.1 影响地质聚合物膨胀的因素 263
15.2.2 偏高岭土基地质聚合物的热膨胀/收缩 265
15.2.3 粉煤灰基地质聚合物的热膨胀/收缩 265
15.2.4 与OPC热膨胀性能的比较 266
15.2.5 地质聚合物混凝土的热膨胀 266
15.3 热分析 267
15.3.1 TGA/DTA 267
15.4 热物理性质 268
15.4.1 热导率 269
15.5 耐火性 269
15.5.1 标准火灾曲线 270
15.5.2 火灾测试结果 271
15.6 力学强度的发展 273
15.6.1 与OPC的比较 274
15.7 高温下的相变 275
15.7.1 地质聚合物浆体的相变（形成和破坏） 275
15.7.2 次要材料形成的相 276
15.8 地质聚合物微观结构的变化 277
15.8.1 孔结构的演变 278
15.9 地质聚合物的高温应用 279
参考文献 280

16 利用低钙矿渣改善地质聚合物强度和耐久性 283
16.1 引言 283
16.2 材料及方法确定 284
16.3 影响抗压强度的因素 287
16.3.1 碱金属氢氧化物/碱金属硅酸盐浓度 287
16.3.2 外加剂 289
16.3.3 浆体组成 292
16.3.4 热处理 293
16.4 耐久性研究 294
16.5 矿物学研究 297
16.5.1 XRD 297
16.5.2 SEM 300
16.5.3 FTIR 303
16.5.4 TG 304
16.6 工业应用 305
16.7 小结 306
16.8 更多信息来源和建议 307
参考文献 308


第三部分　地质聚合物应用 313
17 建筑用地质聚合物的商业化——机会和障碍 314
17.1 引言 314
17.2 碱激发：是新想法吗? 315
17.3 为什么AAM 技术至今未被商业化? 316
17.3.1 研发和商业努力的简史 316
17.3.2 克服障碍 318
17.3.3 遗留的障碍 319
17.4 如何制定标准和规则框架 319
17.4.1 标准发展的驱动力 320
17.4.2 配方与性能标准 320
17.4.3 全球标准的长期发展 321
17.4.4 短期的监管障碍 322
17.4.5 保险和风险评估 322
17.5 水泥市场的分析 323
17.5.1 水泥的市场规模 323
17.5.2 水泥需求的驱动力 324
17.6 气候变化和碳交易如何创造机遇 325
17.6.1 生命周期分析 326
17.6.2 不同的减排措施 326
17.6.3 税、交易和许可分配 328
17.6.4 碳排放交易市场 329
17.7 AMM 的机会 330
17.7.1 关注气候变化 330
17.7.2 “绿色”在市场中的竞争优势 330
17.7.3 碳交易的机遇 330
17.7.4 克服监管障碍 331
17.8 小结 331
参考文献 331

18 地质聚合物用于固化核废料 333
18.1 全世界的核废料 333
18.2 水泥胶结LLW/ILW 废物形式 336
18.2.1 水溶解行为 338
18.2.2 符合法规测试 341
18.2.3 阴离子的影响 342
18.2.4 相较于OPC 342
18.2.5 辐解氢 343
18.2.6 耐火性 343
18.2.7 冻融行为 343
18.2.8 在地质聚合物中实际固化废料 343
18.2.9 固定LLW/ILW 的可代替低温产品 344
18.3 小结 345
18.4 更多信息来源和建议 346
参考文献 346

19 有毒废物在地质聚合物中的固化 350
19.1 引言 350
19.2 主要组成元素 351
19.2.1 铅 351
19.2.2 砷 353
19.2.3 硼 354
19.2.4 铯和锶 355
19.2.5 其他主要元素 356
19.3 过渡区金属 356
19.3.1 铜 356
19.3.2 铬 357
19.3.3 锌 359
19.3.4 镉 360
19.3.5 其他过渡金属 361
19.4 其他废物 362
19.5 小结 362
参考文献 362