20世纪70年代，法国科学家Davidovits通过铝硅酸盐类原料与高浓度碱性激发剂反应制成一种碱金属铝硅酸盐材料，并命名为地质聚合物（Geopolymer）^[1]。目前对于地质聚合物还有无机聚合物、矿物聚合物和碱激发水泥等多种命名方式，本文称为无机聚合物。无机聚合物具有[AlO₄]和[SiO₄]单元相互交联组成的三维网络结构，并通过分布在空隙间的碱金属离子来平衡多余负电荷^[2]。此类材料早期强度高、耐高温，且制备工艺较传统水泥和陶瓷更加节能环保，在建材、耐火材料、有毒废弃物处理以及航空航天等领域具有广阔的应用前景^[2,3]。目前，国内外已在无机聚合物的合成工艺、聚合机理等方面进行了深入研究^[1,4-10]。无机聚合反应所采用的铝硅酸盐类原料主要有煅烧高岭土、粉煤灰和粒化高炉矿渣。由于粉煤灰低成本，且是工业副产品等因素，近年来粉煤灰基无机聚合物已受到研究学者的广泛关注^[11]。此类材料展示了优异的机械性能和致密度^[12]，为其能成为传统水泥浆体的替代材料提供了重要依据。但由于不同地区煤源不同、燃烧工艺不同，不同产地、不同批次的粉煤灰成分有很大差异,这使控制粉煤灰基无机聚合物的制备工艺及产物性能变得十分复杂，也成为了阻碍此类材料大范围应用的重要因素。所以，通过机械活化的方式提高粉煤灰的反应活性，研究粉煤灰形态学对产物性能的影响，深入探究粉煤灰基无机聚合物的反应机理等工作变得异常重要^[13,14]。

1 粉煤灰

煤是一种在世界各地分步广泛的有机沉积岩，其主要用途是通过火电站燃烧设备的燃烧予以产热发电。煤中含有复杂的有机成分，同时也含有无法参与燃烧的无机物质。粉煤灰便是煤中的无机物质在设备中燃烧后产生的。当煤粉在以高速气流的方式进入锅炉时，要经历1500℃的高温。残留在煤中的物质（氧化硅、氧化铝和氧化铁等）要经历快速淬冷，然后通过烟道气体排出，最终固化形成微小的球形颗粒#8212;#8212;粉煤灰。

粉煤灰的粒径分布、球形形貌、化学组成以及较低的成本使其成为了一种填充水泥混凝土的理想材料^[15]。粉煤灰作为水泥材料外掺料的工艺及机理已被广泛研究，其主要作用包括：

#183;通过粉煤灰的球型形貌提高水泥材料和易性，并减少需水量。

#183;通过粉煤灰的火山灰活性提高水泥材料后期的机械强度和其他性能。

#183;减少混凝土及水泥材料的成本。

粉煤灰的处理在全世界范围内受到了广泛关注，由火力发电产生的大量粉煤灰目前还没有一种固定环保的处理方式。虽然粉煤灰可以作为水泥外掺料加以利用，但用量较产量仍有很大差距。而对于粉煤灰基无机聚合物的研究，可以深入了解无机聚合反应体系中粉煤灰的反应机理，为改善无机聚合物的工艺条件和今后大批量工业应用粉煤灰提供研究依据。

粉煤灰的化学组成与煤的矿物相密切相关。煤中普遍含有粘土、碳酸盐、硫酸盐和其他氧化物，并且其种类和质量浓度随产地不同有很大差异。而产出的粉煤灰由于其燃烧工艺不同，其组成会存在更大差异，甚至对于同一产地不同批次的粉煤灰也存在差异^[16]。粉煤灰中的主要组成包括：结晶石英，主要以分散颗粒的形式存在；嵌入铝硅酸盐玻璃体内的莫来石结晶；磁铁矿等含铁晶体；大量的铝硅酸盐玻璃体^[16]。

粉煤灰中包括大量的玻璃体、孔隙以及球形颗粒（煤胞）。粉煤灰的形貌、比表面积都有很大差异，这些对无机聚合物的合成过程有重要影响。举例来说，1500℃下煅烧的粉煤灰颗粒粒径至于1~20μm之间。

粉煤灰主要成分为SiO₂，Al₂O₃，Fe₂O₃和CaO，ASTM C 618^[17]粉煤灰分成F级（SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃＞70%）和C级(70%＞SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃＞50%)；GB/T 1596-2005^[18]也有类似级别的分法，根据来源，无烟煤和生煤燃烧后收集的粉煤灰成为F类，褐煤和亚煤燃烧后收集的成为C类，其CaO含量一般高于10%，该标准进一步根据拌制混凝土和砂浆时技术指标（如粉煤灰细度、需水量、烧失量等）将粉煤灰分为一级、二级和三级。