绿色材料-地质聚合物的开发及其在土木工程中的应用

水泥是当今应用最广的工程材料，其制造过程中的高能耗和二氧化碳的排放也给环境保护带给很大的问题。全世界大约有5%有二氧化碳的排放是传统水泥制造业所带来的。随着环境保护和可持续发展的要求日益提高，开发新型材料替代传统水泥的呼声也日渐高涨。建筑材料工业“十三五”科技发展规划也进一步提出要重点研发混凝土建筑材料绿色化技术。近年来地质聚合物的开发和利用受到各国专家学者的广泛关注。地质聚合物是通过碱性溶液的激发制备而成的以硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体，其可以由含有丰富的硅和铝的工业固体废弃物（粉煤灰、高炉矿渣、火山灰、谷壳灰等）做为原材料合成。因此，地质聚合物被认为是可以取代传统水泥的优良绿色凝胶材料。美国路易斯安娜州立大学的刘镇博士在地质聚合物的开发和利用方面取得了优良的研究结果和进展。

地质聚合物对土体的固化：黄土是一种风积的非层状的细小颗粒集合体，广泛分布上北美、欧洲和亚洲。黄土的开放式结构常常导致其在受到水的影响后发生明显的塌陷，即湿陷。天然黄土的不稳定结构经常导致工程工期的滞后和毁灭性破坏，甚至人员伤亡。因此，工程中常常要对黄土进行加固。传统的方法主要用水泥和石灰进行处理，但由于水泥和石灰的生产都具有高能耗和排放大量温室气体的问题。开发绿色新型的土壤固化材料由此显得极为重要。以往的研究者尝试了使用粉煤灰对黄土进行固化，但是发现固化后的黄土在耐久性和长期性能上，比如干湿耐久性和冻融行为特性，并不理想。通过对黄土和地质聚合物的综合研究，刘博士将地质聚合物在黄土固化中取得成功，并且测试分析结果表明地质聚合物凝胶的粘合效应可以显著提高黄土的力学性质。

地质聚合物对废旧混凝土的回收：为了进一步促进绿色胶凝材料地质聚合物在土木工程中的应用，刘博士使用地质聚合物进行了废旧混凝土回收方面的研究并开发出了全绿色的再生混凝土，研究发现在干拌法的工艺条件下不具有显著新过渡界面区的再生混凝土可以成功开发出来。

地质聚合物在防火方面的性能：近期，刘博士及其合作者在国际顶级期刊Construction and Building Materials上发表了另一篇关于地质聚合物作为绿色防火材料的性质特征研究成果。其研究表明合成的地质聚合物在高温加热后进行水冷处理依然具有良好的防剥落性能。

目前的这些研究综合表明地质聚合物是具有优良性能和广泛应用潜能的可以替代传统水泥的绿色凝胶材料。