地質聚合物混凝土（簡稱地聚物混凝土）是一種綠色低碳的新型建築材料，具有高性能、低能耗、綠色環保等特點，且地聚物的原材料來源廣泛，具有廣闊的應用前景, 是普通硅酸鹽水泥基材料的最佳替代物之一，近十幾年受到了國際國內學術界和工程界的廣泛關注。
前言
隨著社會的發展，大規模的現代化建設，使得硅酸鹽水泥的需求量大幅上升。硅酸鹽水泥的大量消耗，帶來了另一個問題。據研究，硅酸鹽水泥在生產過程中不僅消耗大量能量，而且生產過程中伴隨著大量粉塵和CO2的生成，不斷排放到大氣中，給地球的可持續發展帶來了嚴重影響。與此同時，混凝土建築物使用環境日益惡化，對混凝土材料的力學性能和耐久性能要求越來越苛刻，硅酸鹽水泥混凝土結構的使用壽命一般僅有40-50年，因此對於那些投資巨大、建設週期長、關係國計民生的混凝土工程，需要比現有硅酸鹽水泥混凝土更為長久的使用壽命。因此，開發一種高性能、低能耗及綠色環保的新型膠凝材料就成為了當前亟待解決的問題。
地聚物的研究歷史
地質聚合物（以下簡稱“地聚物”）的概念最早是由法國科學家Davidovits於1978年提出的。Davidovits經過大量調查和研究發現古埃及金字塔所用的石材是人工合成的，而這種人工合成的材料正是所謂地聚物。接著通過X光（XR）、X光衍射（XRD）、核磁共振（NMR）、電子衍射等手段證實了這一觀點。
Davidovits以無機鋁硅酸鹽天然礦物或固體廢棄物為原材料，在化學激發劑條件下製備了性能優異的三維網狀膠凝體。同時Davidovits還發現地聚物水泥生產過程中碳排放量僅為普通硅酸鹽水泥的1/5。20世紀80年代末90年代初，Davidovits對地聚物製備工藝進行了改進，無需高溫、高壓即可製得性能優異的地聚物膠凝材料。
因地聚物的原材料來源廣泛，符合高性能、低能耗和綠色環保的要求，引起了國內外科研工作者的廣泛關注，並進行了大量的研究，其中的研究重點是集中在原材料的製備工藝、製備方法和機理研究上，形成了較為完整的研究體系。國內最具有代表性的是東南大學的孫偉院士和張雲升博士的研究團隊以及香港科技大學的李宗津教授，他們早在2000年就開始了對地聚物的形成機理、結構特徵、配合比設計、工藝體系、物理性能、耐久性及其在土木工程中的應用進行了研究。
地聚物的聚合機理
當前膠凝材料的多樣性造就了反應機理研究的複雜性，另一方面化學激發劑的多變性加劇了反應過程的不確定性，廣大學者對地聚物的反應機理進行了深入的研究，並取得了一定的進展，但尚未對其根本原理獲得統一的認知。目前，最為認可的是Davidovits提出的解聚和縮聚理論，認為地聚物材料的凝結硬化過程就是原材料中硅氧鍵和鋁氧鍵在鹼性催化劑作用下斷裂後再重組的反應過程。
Davidovits基於NaOH/KOH激發偏高嶺土製備地聚物的體系提出了反應機理模型。其主要分為三個階段：
1、溶解階段
富含硅鋁相的偏高嶺土在高鹼性條件下其化學鍵受到破壞分解為層狀的活性鋁氧四面體與層狀的活性硅氧四面體兩部分，釋放Si、Al活性單體。
2、單體重建階段
Si、Al活性單體在溶液中相互接觸，一部分形成不同聚合度的鋁硅酸鹽凝膠，其他部分形成鋁硅酸鹽核。
3、單體縮聚階段
低聚合度的凝膠逐級聚合轉變為高聚合度凝膠，同時鋁硅酸鹽成核位點繼續生長形成了類沸石結構物質。
Deventer將鹼性激發粉煤灰反應機理分為相應的四部分：
(1)鋁酸鹽礦物原料在鹼性條件下溶解；
(2)溶解所得的硅鋁配合物於固體顆粒間隙中擴散；
(3)聚合反應過程形成凝膠相；
(4)水分逐漸失去，漿體固化硬化形成地聚物。
上述理論已得到許多研究者的認同，但對實際複雜體系的機理研究仍處於摸索階段，需不斷深入研究。
地聚物的性能
1、力學性能
抗壓強度作為混凝土的力學性能之一，對結構穩定性以及構造的安全性有著至關重要的影響。Hardjito等研究了地聚物混凝土的早期力學性能，結果表明：地聚物混凝土在室溫下能夠快速凝結硬化，4h抗壓強度可以達到20MPa，28d抗壓強度可以達到 70~100MPa。Puertas等發現鹼激發礦渣的抗碳化性能取決於激發劑的種類，當用Na2SiO3作鹼性激發劑時，試件碳化後強度明顯降低；而用NaOH作鹼性激發劑時，碳化後強度還略有提高。這是因為兩種激發劑激發礦渣後的水化產物C-S-H結構不同所致。王愛國等使用地聚物淨漿將抗折試驗中斷裂的水泥砂漿試塊粘結起來進行二次抗折試驗，並與用普通硅酸鹽水泥砂漿粘結的試塊進行對比，結果發現前者的抗折強度是後者的2.1倍，說明地聚物具有良好的粘結性能。
2、耐高溫性能
地聚物混凝土的耐高溫性能突出。閆佳研究了75 個鋼筋-地聚物混凝土和15個鋼筋-普通水泥混凝土粘結試件的高溫後中心拉拔試驗，考察了鋼筋類型、鋼筋直徑等因素對鋼筋-地聚物混凝土高溫後粘結性能的影響，並與鋼筋-普通水泥混凝土高溫後粘結性能進行了比較。其實驗研究結果表明：
(1) 當溫度在 300℃以下時，鋼筋-地聚物混凝土的粘結強度隨溫度變化不大，但超過 300℃時，粘結強度顯著降低且下降得比抗壓強度更快；
(2) 鋼筋與地聚物混凝土的高溫後粘結性能和同強度等級的普通水泥混凝土也較為接近。
基於實驗結果，閆佳建立了變形鋼筋地聚物混凝土粘結強度的高溫退化模型，採用該模型計算得到的高溫後粘結強度與實測結果吻合較好。
3、抗凍性能
混凝土建築物所處環境有正負溫交替，且在混凝土內部含水較多的情況下，易發生凍融破壞。因此凍融破壞是我國混凝土結構老化病害的主要問題之一，嚴重影響混凝土建築的長期使用和安全運行。
地聚物混凝土作為當代最具有發展前景的綠色建築材料，抗凍性直接關係到它的使用與應用。李三等人研究了礦物摻合料對地聚物抗凍性能的影響，以鹼激發偏高嶺土製備地聚物混凝土，分別研究了摻入15%的鋼渣、礦渣或粉煤灰的地聚物混凝土的力學抗壓強度和抗凍性能，測試了地聚物混凝土的真空飽水體積吸液率，結果表明：
(1)鋼渣或礦渣能有效提高地聚物混凝土的抗壓強度，而粉煤灰的摻入使其強度稍有降低；
(2)地聚物表觀形貌中存在較多的孔洞和微裂縫導致其抗凍性能較差，摻入鋼渣或者礦渣後地聚物形成了新的產物C-S-H凝膠、C-A-S-H凝膠等並填充在結構中形成更加密實的板狀結構，降低了地聚物混凝土凍融破壞速率，五次凍融循環後地聚物的相對強度均在90%以上，抗凍性能得到提高；
(3) 粉煤灰降低了製備地聚物混凝土的用水量且未水化的粉煤灰顆粒鑲嵌在結構中增加了其密實性和抗凍性能，五次凍融循環後相對強度為86.9%，基準組的相對強度僅為79.7%。
地聚物混凝土應用實例
桂柳高速(桂林一柳州)公路是廣西第一條高速公路，是國道322線衡陽至憑祥線路中的一段，全長138.5km，全線為水泥混凝土路面，於1997年5月1日建成通車。由於交通繁忙及超載等原因，路面混凝土板破壞嚴重，出現很多板角斷裂、表面坑洞、裂縫等問題，大量路面需要維修，維修工程由重慶市智翔鋪道技術工程有限公司2009年承接。本次地聚物混凝土修補工程在2010年1月桂柳高速左幅K1151～K1153段進行，主要選取一些出現板角斷裂的混凝土板進行修補，修補面積共約200m2，修補後該段路面整體效果較好。
展望
地聚物以工業廢渣為主要原料，材料成本低且生產過程能耗小，二氧化碳排放量少，在環境保護、能源節約等方面表現出了極大的優勢，越來越多的學者開始致力於地聚物的研究。目前地聚物混凝土的研究在國內外已取得了較大的發展，但仍存在以下尚待解決的難點：
1、原材料
當前粉煤灰及礦粉等膠凝材料易受所處地理和生成環境及製備工藝的影響，導致其物理化學組成發生變化，從而對地聚物混凝土的各項性能產生了影響。
2、化學激發劑
水玻璃與氫氧化鈉複合使用的激發體系已廣泛應用於地聚物混凝土的製備生產中。作為一種混合物，水玻璃的物質組成及化學結構一方面隨時間的延長而不斷改變，另一方面高鹼性的環境也導致水玻璃結構的轉變。複雜多變的結構造成了反應的複雜性、多變性，從而對機理的研究造成了較大的困擾。
3、外加劑
外加劑作為現代混凝土第五大不可或缺的組分，對混凝土各項性能起著重要作用。地聚物混凝土作為一種新型材料，其專用外加劑的研究屬於起步階段，仍需不斷深入探討。現階段，凝結時間短與工作性差嚴重地限制了地聚物混凝土的發展與應用，因此緩凝劑與減水劑的研究迫在眉睫。
4、配合比設計
原材料的複雜性與激發劑的多變性導致配合比設計變化多樣，並不具有代表性。
5、耐久性
目前，地聚物混凝土獨特的活化機理與特殊的原材料勢必會導致其具有迥然不同的特性，故仍需考慮以傳統混凝土標準為主的耐久性實驗檢測結果的準確性。相信在科研工作者的努力下，在滿足力學性能和耐久性條件下還能保持良好的環境友好性，為地聚物大量投入使用提供現實可能性。
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