铝硅酸盐无机聚合材料(Geopolymer,GP)是一种基于[SiO4]和[A1O4]-单体、离子团或低聚体缩聚而成的、具有三维空间网络结构的新型胶凝材料,其表现出介于水泥、玻璃、陶瓷、金属和高分子聚合物材料之间的性质,因此受到建筑建材从业者的特别关注。更重要的是,GP材料原料来源广,既可使用天然资源,也可使用工矿业大宗铝硅酸盐质废弃物;其硅铝聚合结构低温形成(100 ℃),无需水泥熟料或玻璃/陶瓷的高温过程,能耗和CO2排放低;其组成、结构与天然铝硅酸盐质沸石、岩石以及人造铝硅酸盐质玻璃、陶瓷的相似性,使其不仅可作为人造岩石、沸石或陶瓷前驱体,而且具有天然的地质相容性和可再生循环性;其性能表现优于或与传统胶凝材料相当。可见,GP材料具有显著的生态、绿色、循环特质。尽管如此,当前GP材料形成过程、结构、性能与组成设计的关系研究结论矛盾较多、争议较大。因此,本论文重点针对其组成设计与结构、结构演化和特性的关系问题展开研究:首先通过计算模拟研究了组成设计中的Si/Al对缩聚反应过程和凝胶相结构影响,结果表明其结构形成过程中Si-Al混杂缩聚优先于Si-Si缩聚反应进行,且低Si/Al体系缩聚反应自发进行;GP凝胶更趋向于向三维空间网状结构发展,这与架状硅酸盐结构相似。提取Si/Al和M/Al(M=Li、Na、K、Rb、Cs....,碱金属离子)为GP材料组成设计的两大关键因素,实验研究了 Na-GP和K-GP体系的反应过程,发现缩聚反应阶段滞后、反应速率相对较低、持续时间长;碱金属离子类型、M/Al、Si/Al和反应温度等会影响反应速率和进度;高M/A1、低Si/Al体系反应速率更快且有自发沸石化现象,其不适于在相对较高温度进行反应;无论是Na-GP或是K-GP,均表现为介孔特性,进一步证明了其“类沸石”结构。此外,研究了水热条件下GP结构演化,发现Na-GP结构沸石化转变倾向更为明显,该体系特别适用于直接制备自支撑块体沸石或沸石型材;K-GP体系具有优良的水热稳定性,其在水热条件下凝胶沸石化转变趋势较小,因此更适合于作为胶凝材料使用。基于对GP组成设计与其形成过程、结构、结构演化的关系研究,从胶凝材料应用角度着手,研究了 GP材料胶砂工作性和长期力学性能,表明GP胶砂具有高早强、高强特性,且通过调节M/Al、Si/Al、养护方式、水胶比和碱金属离子复合激发可有效调控其工作性和力学性能。尽管如此,高M/Al、低Si/Al体系1年力学性能出现退化或增长幅度过低问题,这可能引起建筑结构安全隐患,因此GP作为胶凝材料使用时,应特别注意根据工程要求进行关键因素调控。基于GP组成、结构、性能与铯榴石基铝硅酸盐质岩石、陶瓷、沸石材料的相似性,考虑铯榴石在放射性废物固化、高级功能陶瓷和高温催化领域的巨大应用潜力,引入了GP设计和制备思想,系统研究了 Cs-GP组成、结构及其铯榴石转化,证明了 Cs-GP及其铯榴石对Cs的优异选择性和晶格固化性,这使得铯榴石基陶瓷及137Cs陶瓷固化体的低温制备成为可能;尽管如此,对于复杂离子组成的真实放射性废物,Cs-GP低温固化会引起Cs离子盐析,仍需对其进行高温铯榴石陶瓷化。同时,拓展研究了铯榴石基粉体材料的水热合成,获得了亚微米级介孔结构铯沸石实心球和空心球,这将为其高温催化、吸附过滤或微纳反应器应用提供良好的借鉴。