地质聚合物(Geopolymer)是以含氧化硅和氧化铝为主要成分的硅铝质材料为主要原料，经适当工艺及化学反应得到的一类具有非晶态和准晶态的三维网状立体结构的新型无机材料。其生产原料来源广泛，天然的硅酸盐矿物和含有硅酸盐的工业废弃物都可用来制备地质聚合物。与传统的水泥相比，地质聚合物不用烧制水泥熟料，生产能耗只有普通硅酸盐水泥的10%~30%，且能显著减少温室气体的排放。同时，地质聚合物具有优异的力学性能、耐高温特性、耐腐蚀性能以及对重金属离子的固封性，广泛运用于建筑材料、高性能复合材料和环境保护等领域。

　　地质聚合物的合成原料

　　地质聚合物的合成原料主要分为两部分：一部分是活性硅铝质原料，另一部分是液体激发剂。

　　活性硅铝质原料

　　地质聚合物的原材料较为丰富，包括偏高岭土、粉煤灰、矿渣、赤泥、钾尾矿、铁尾矿、铜尾矿等具有活性富含硅铝酸盐的矿物和废弃物都可以作为制备原料。另外，以上材料的混合物，如粉煤灰与偏高岭土的混合料、矿渣与粉煤灰的混合物都可作为原料来制备地质聚合物。

　　偏高岭土是公认的制备地质聚合物的首选材料，主要原因是偏高岭土是高岭土在650~800℃的高温下脱水后形成的无水硅酸铝，具有介稳状态。尾矿用于制备地质聚合物是因为其主要成分是石英、长石、云母等硅铝质矿物，完全可以作为掺和料参与聚合反应，生成地质聚合物。

　　低钙粉煤灰与高钙粉煤灰相比，前者是制备地质聚合物的首选材料。因为钙含量较高时，聚合过程会受到影响，从而使地质聚合物的微观结构发生改变。相对于原料性质，利用煅烧过的材料(如偏高岭土、粉煤灰和矿渣)制备的地质聚合物的抗压强度高于未煅烧的矿物(如自然形成的矿物、尾矿、高岭土等)所制备的地质聚合物的抗压强度。此外，Xu等发现煅烧过的材料(如粉煤灰)与未煅烧的矿物(如高岭土和钠长石)混合可以提高地质聚合物的抗压强度，并缩短反应时间。

　　液体激发剂

　　地质聚合物的激发方式有碱激发和酸激发两种，碱激发主要是利用NaOH、KOH等碱性溶液与铝硅质材料混合发生激发反应来合成地质聚合物材料。酸激发主要指利用磷酸等酸性溶液作为激发剂来制备地质聚合物材料，与碱激发相比其研究起步较晚，技术相对不成熟。

　　目前，最常用的碱激发剂是碱溶液和硅酸盐溶液的混合物。Palomo等研究发现，当碱溶液中含有硅酸盐时地质聚合物的聚合反应速度加快。Xu等也证实了向NaOH、KOH等碱性溶液中加入Na2SiO3或K2SiO3作为激发剂，可以加速聚合反应，提高地质聚合物的性能。Catherine等研究认为,NaOH溶液与Na2SiO3溶液混合作为激发剂可加快胶凝相的形成，原因主要是高碱环境下原材料中的Si、Al组分的溶出速率加快，Na2SiO3溶液加入后促进了Si-O-Al和Si-O-Si-O-Al等低聚体的形成，加快了浆体聚合态的转变，从而缩短地质聚合物的固化时间。

　　地质聚合反应常用的酸激发剂有硫酸、醋酸和磷酸。方旭彬等研究了酸性激发剂掺入对复合渣性能的影响，试验结果显示：采用0.01~0.1 mol/L的硫酸和醋酸作为激发剂，可有效缩短凝结时间，较早地产生强度，但需水量增加。同时，SEM测试结果表明：复合渣在酸性激发剂下能发生二次水化反应，形成大量网状结构的絮状凝胶，使结构更加致密。刘乐平以偏高岭土和α-Al2O3为原料，磷酸为激发剂制备磷酸基地质聚合物，研究发现，磷酸基地质聚合物的高温热稳定性比碱基地质聚合物优越。从XRD和微观结构可知，试样经1 550℃高温处理后，主要以针状的方石英和磷酸铝相为主。

　　地质聚合物的制备方法

　　地质聚合物的制备方法主要有浇筑法、超声波辅助法以及压制成型法三种。浇筑法是在不施加外部压力的条件下，采用NaOH或KOH作为碱性激发剂，将其与Na2SiO3或K2SiO3水溶液混合，接着将含硅酸盐的原料加入该溶液混匀后注入模具，静置，硬化成型。该方法制备需水量较高，原料混匀后呈浆体，具有流动性，可制备形状复杂多样的制品，所得成品抗压强度在100 MPa以下。超声波辅助法是在原料与碱激发剂混合时引入超声波，超声波作用后矿物结构中的-Si-O-与-Al-O-被削弱，活性矿物的溶解加快，地质聚合物的整体强度增强。Feng等研究表明，在偏高岭土-砂、粉煤灰-偏高岭土混合物的地质聚合物体系中引入超声处理后，形成的地质聚合物的抗压强度和热稳定性均有所提高，其原因主要是超声处理后Al和Si在碱液中的溶解速度变快，硅铝酸盐表面与凝胶相键合增强，缩聚过程及半晶到晶相的形成得到促进。压制成型法由陈鸿灵等提出，该方法在硅铝酸盐矿物与碱激发剂搅匀混合装入模具后，在5~10 MPa的压力下压制成型。此法水用量较少，使得体系中碱激发剂的浓度增大，活性硅铝单体的溶出增多，且在较大压力下成型，颗粒间空隙较小，因此所得样品的抗压强度高于采用浇筑法成型的产品，但原料混匀后呈胶状，难流动。

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