硅铝聚合材料中碱键合机制及其与材料性能关系研究

Geopolymer which can be synthesized from aluminosilicate wastes is one kind of the low-CO2 emission cementitious materials. It has attracted many scientists and engineers who devote themselves to its preparation and application technology. According to the migration and bonding of alkali metal ions involved in geopolymerization and cross-linking structure of aluminosilicate gels, this project focuses on the deficiency caused by alkali metal ions migration and the performance enhancement of geopolymer. The following research will be carried out: The characterisitics of alkali metal ions and their migration in hardened geopolymer; The effect of ions exchange in zeolite on alkali metal ions bonding and geopolymer’s microstructure and properties; Ions bonding and performance of geopolymer containing Al-rich aluminosilicate gels; The formation of in-suit aluminosilicate zeolite-like phase and its effect on the cross-linking structure of products and performance of geopolymer; The synergistic effect of ions exchange, Al substitution in cross-linking structure and in-suit zeolite-like phase on alkali metal ions bonding and geopolymer’s performance. The expected achievement will be helpful to illustrate the mechanism of alkali metal ions migration and the deficiency of hardened geopolymer. It is also useful for formulation and optimization of geopolymer. Therefore, this project has a great significance to promote the development of the low-CO2 emission cementitious materials in China.

硅铝聚合材料是以硅铝质废弃物为主要原料、具有显著低碳排放特征的胶凝材料，其相关研究是胶凝材料领域当前研究热点之一。本项目针对该材料中碱迁移及由此引起的问题，以碱金属离子的迁移、键合机制研究为切入点，基于有碱参与的硅铝聚合反应、硅铝网络结构及产物组成，通过研究：(1)硬化体中可溶出碱探源及其迁移、溶出特征评价；(2)基于钙钠交换的碱键合及其对微观结构、性能的影响；(3)富铝硅铝网络结构对碱的键合及硬化体性能；(4)原位（类）沸石固碱及硅铝网络结构、材料性能；(5)钙钠交换、铝代硅滞钠、原位（类）沸石固钠的多手段协同作用及其作用机制，阐明碱的迁移、键合机制及其与材料性能的关系，最终获得同时实现这种材料性能优化与碱金属离子高效键合的方法。获得的成果，不仅为解决硅铝聚合材料因碱而引起的相关问题提供理论指导，而且为其组成设计及性能优化提供依据。这将极大促进这种具有显著低碳特色的胶凝材料在我国的发展。

项目针对硅铝聚合材料（也称为碱激发胶凝材料）中碱迁移及由此引起的问题，以碱金属离子的迁移、键合机制研究为切入点，基于有碱参与的硅铝聚合反应、硅铝网络结构及产物组成，开展了硬化体中可溶出碱探源及其迁移、溶出特征评价等研究，阐明了碱的迁移、键合机制及其与材料性能的关系，获得了同时实现这种材料性能优化与碱金属离子高效键合的方法。.掌握了CaO‒SiO2‒Al2O3‒Na2O复合体系碱迁移行为与溶出规律。发现迁移至表面的Na+通常以碳酸盐形式存在，并提出了利用无水乙醇强亲水特性而表征硬化体中剩余Na2O•nSiO2的定量方法。指出该材料存在高溶出风险（Na+溶出量>10%），且在酸液、海水、硫酸盐溶液中表现为更高溶出。.探明了多孔沸石钙钠置换对CaO‒SiO2‒Al2O3‒Na2O复合体系性能的影响及碱溶出抑制效果。发现对沸石进行钙化、预饱水处理，不仅可有效避免其对浆体工作性能的不利影响，并可发挥“内养护剂”与“离子交换剂”的双重作用，可降低Na+溶出量约5%。.阐明了基于完美组成设计的铝代硅滞钠机制并提出低碱溶出CaO‒SiO2‒Al2O3‒Na2O复合体系的设计方法。发现采用掺用活性铝的方法，使体系Na/Al≈1，可发生铝代硅而使[SiO4]4‒的三维网络结构转变为SiQ4(mAl)，生成N‒A‒S‒H凝胶而键合Na+。.揭示了原位（类）沸石固碱机制及其对CaO‒SiO2‒Al2O3‒Na2O复合体系性能的影响。发现采用60℃高温养护的方法，可使凝胶结晶为与沸石具有相似结构的架状铝硅酸盐，进而在一定程度上限制了Na+在硬化体中的迁移。然而，这种结晶化转变会引入诸多凝胶/晶体的“界面弱化区”，有可能使得强度下降。.基于上述结果，建立了钙钠交换及铝代硅滞钠、原位（类）沸石固钠等多手段协同作用的碱溶出抑制方法，可使Na+溶出量降低至2%左右，可有效改善“泛霜”现象。