幾何聚合物(geopolymer)
/ JEE-oh-poly-mer /
普通水泥與陶器都需要窯或熟料爐;幾何聚合物(geopolymer)兩者都不需要。取一種反應性的鋁矽酸鹽粉末——煆燒過的黏土(偏高嶺土 metakaolin)、燃煤飛灰、或高爐爐渣——把它拌進強鹼液(水玻璃與氫氧化鈉或氫氧化鉀的混合物)。在常溫或微溫下,這團漿料會在數小時到數天內變稠、硬化,成為如岩石般的固體。沒有燒成、沒有熔化:這塊石頭,在某種意義上,是在室溫下靠化學凝結的。
機制是溶解與再聚合。強鹼液把鋁與矽從粉末中溶出;這些溶出的物種接著重新連接,形成一個由角共享的 SiO4 與 AlO4 四面體構成的三維非晶網路——與長石和沸石相同的四面體積木,卻像玻璃一樣無序。每一個 AlO4 單元帶有一單位負電,因為鋁(通常為 3+)坐在了矽(4+)該坐的位置;那個電荷由來自激發劑、嵌入網路的鈉或鉀離子平衡。創造這個名詞的 Davidovits 把所得結構稱為 poly(sialate)——一種矽-氧-鋁的聚合物。
幾何聚合物之所以重要,是作為波特蘭水泥的低碳替代:它們可用工業廢料製造,並跳過使普通水泥成為巨大二氧化碳來源的石灰石煆燒,還提供良好的耐火與耐酸性、並能固化有害廢棄物。要老實面對告誡。它的綠色資歷只算掙到一部分——製造氫氧化鈉與水玻璃激發劑本身就帶有能耗與二氧化碳成本。原料(飛灰、爐渣)品質不一、參差不齊,表面可能泛出白色的風化鹽霜(efflorescence),而且幾何聚合物遠不如波特蘭水泥那樣有標準化。此外,幾何聚合物與波特蘭水泥是真正不同的化學——沒有熟料、沒有矽酸鈣水合物這種黏膠——而不只是一份替代配方。
把偏高嶺土(燒過使其具反應性的黏土)與矽酸鈉暨氫氧化物溶液混合,會得到一種糊料,在室溫下硬化成一塊石頭,其耐火、耐酸遠勝混凝土——而二氧化碳排放只是波特蘭水泥的一小部分。
一種靠化學在室溫下凝結的鋁矽酸鹽石頭,不需要窯。
幾何聚合物不只是更便宜的波特蘭水泥——它的化學完全不同(沒有矽酸鈣水合物)。而它的低碳主張必須把製造鹼激發劑所耗的能源與二氧化碳算進去,那並非免費。