极端条件下碱激发地质聚合物反应机制、微结构与宏观性能的研究及应用

For reaction mechanism of geopolymer materials, the formation process of zeolite-like structures in gel materials is explained by depolymerization and polycondensation reactions. In the reaction process of geopolymer, which is different with the hydration and harden process in traditional cement, water maybe just play the role of medium, and the final products solidify depends on the covalent bond and ionic bond that formed from the polycondensation and dehydration. Thus geopolymer materials show greater performance of high low temperature cycle and volume stability than traditional cement. The studies found that the performance of resistance to freezing and thawing cycle, vacuum stability, volume stability and mechanical property remain the same after the dehydration process of alkali-activated geopolymer, which is promising in developing a kind of engineering materials applied to specific extreme conditions. Based on the former research of geopolymer, this project plans to study the depolymerization and polycondensation process under the specific extreme conditions (high and low temperature, vacuum, microgravity, radiation and ocean et al.), and the relationship between the micro-structure in gel and macro-properties in the real application, explores the transferring disciplinarian of water and hydroxy in different alkali-activated geopolymer gels systems so as to obtain the reaction mechanism, micro-structure and relative macro-properties of geopolymer materials under specific extreme conditions, and develops some engineering materials under rigorous conditions. The main emphasis of this project is to explore the feasibility of the application of geopolymer to building materials in moon, and solve the scientific problems in preparation and application.

从地质聚合物材料的反应理论看，均从解聚和缩聚反应来解释其凝胶材料类沸石结构形成的过程。地质聚合物反应机理与传统水泥的水化硬化不同，其反应中水可能只起到媒介的作用，其最终产物主要依靠缩聚脱水形成化学键而达到固化，所以在高低温循环和体积稳定性等方面优于传统水泥。研究发现，碱激发地质聚合物脱水后，其硬化体耐液氮冻融循环、真空稳定性、体积稳定性和力学性能保持稳定，有望开发适用于特定极端条件下的工程材料。基于此，本项目拟系统研究碱激发地质聚合物材料在特定极端条件下（高、低温，真空，微重力，辐射、海洋等）的解聚、缩聚过程以及凝胶体微结构与应用过程中宏观性能关系的规律，探究不同碱激发地质聚合物凝胶体系中水和羟基的运转规律，获得其在特定极端条件下的反应机制、微结构和相关的宏观性能，并开发用于严苛环境下的工程材料；项目拟重点探索地质聚合物用于月球建筑材料的可行性，解决其制备和应用中遇到的科学问题。

虽然世界范围内对地质聚合物已有大量研究，但大部分仍停留在实验室研究，真正进行产业化生产及工程应用的很少，而研究严苛极端环境下（高温、低温、强酸碱、海洋、真空以及岩溶地下等）地质聚合物材料凝胶形成与调控、工业化应用等都具有重要的科学价值。经过四年的研究，课题组在如下几个方面取得重要进展：1）极端条件下地质聚合物反应机理、凝胶结构以及材料性能。研究发现低温下地质聚合物反应的缩聚反应可以停止，解聚反应仍可进行，为研究地质聚合物反应机理提供新的途径；特别是开发了多种功能性的无机干粉涂料，具有很大的创新性；2）地质聚合物材料在岩溶环境下的强度变化以及耐久性研究。 重点探讨了矿渣、粉煤灰、偏高岭土复合制备的地质聚合物材料在岩溶环境下的强度变化以及耐久性:地质聚合物的微观结构演变与岩溶水的pH值和HCO3-浓度以及不同养护时间和养护温度有关，开发了一种地聚物灌浆材料；3）地质聚合物材料是非常好的核废料固化以及重金属离子固化材料，地质聚合物材料对铅离子、铜离子、镍离子的吸附量远大于目前吸附剂材料， 通过对铯、锶等放射性元素吸附实验可知，地质聚合物微球可以在一小时之内快速去除。另外，地质聚合物材料吸附核废料或者重金属离子之后，由于其特殊的笼形结构以及强碱性分子环境，放射性元素或者重金属离子很难溶出，可以直接填埋封存，且成本低廉；4）地聚物泛碱/碳化研究及在碳减排中的应用。地质聚合物具有免烧结、容易成型、耐高温、成本低等优点；与常用的催化剂载体材料相比，兼具胶凝材料、陶瓷材料、沸石材料的特点，其组成、分子结构、聚集状态可调可控，是潜在的高性价比碳吸附材料和催化剂载体材料；因此将地质聚合物开发为碳减排材料具有重要的实践价值和科学意义；5）地聚物具有优异的耐酸碱腐蚀性和抗辐射性能，在海洋环境中的抗氯离子渗透能力和防腐蚀性能优异。