地聚合物（Geopolymer）是铝、硅质材料在高碱环境下发生反应制得的一种三维网状无机聚合物，由法国DAVIDOVITS JOSEPH实验室在20世纪70年代首次开创研究^[5]。飞灰地聚合物固化稳定化是将飞灰与地聚合物基质，如偏高岭土、高炉矿渣、粉煤灰和固体废物等按一定顺序搅拌混合，加入碱激发剂后，混合物发生地聚合反应形成固化体，在预设的湿热条件下养护成型，从而将飞灰稳定在固化体内，其含有的重金属、二噁英等污染物经浸出测试达到国家相关标准，可根据需要进行后续处置和应用。

通过地聚合反应形成的固化体，具有良好的化学稳定性、力学特性、低缩性、材料稳定性和环境友好性，同时也具有资源化处置的潜力^[6]，因其固化体具有早强快硬、结构稳定和长期耐久等特点，成为固化处置飞灰的有效方法，从低碳环保、固化效果来看是最为有利的飞灰资源化利用方式之一。

在地聚合物固化体形成过程中，用于生成地聚合物的基质组分、碱激发剂、改性物质、搅混养护等材料和方法将对飞灰地聚合物固化体结构和性能产生直接的影响，其中基质材料配比、碱激发剂比例、添加物质类别，以及搅混顺序、养护条件等对飞灰的固化稳定化效果将起到关键作用。

碱激发地聚合固化技术经过多年的研究探索，已经形成了一套成熟的实验方法。实验步骤一般为：按照飞灰固化需求，将一定比例的固化基质和飞灰干混，根据改性需要可以加入一定量的添加剂，然后加入制备好的碱激发剂和蒸馏水，混合搅拌制备具有一定流动性和粘性的浆体。将浆状物注入模具内，用振荡器振实，排出气泡，刮平覆膜，放入恒温恒湿的养护箱中在一定条件下养护，脱模后根据需要可继续养护一段时间。养护达到预设的时间后，取出模块，进行相应的指标检验、重金属浸出测试或其它性能测试。

国内外许多学者研究了使用粉煤灰、高岭土、偏高岭土和高炉矿渣等材料作为地聚合物固化飞灰的基质，并讨论了基质组分的配比对固化体性能的影响。

郭晓潞等^[7]针对城市垃圾焚烧飞灰，应用高钙粉煤灰制备地聚合物进行固化，对高钙粉煤灰-城市垃圾焚烧飞灰复合地聚合物中飞灰的加入量开展了实验研究，结果表明高钙粉煤灰基地聚合物中飞灰含量达5%～15%时，其重金属浸出浓度均远低于标准最高限值，复合地聚合物中飞灰的最佳加入量宜控制在10%以内。谢吉星等^[8]研究了将飞灰和高岭土作为主要基质，制备形成了飞灰地聚合物，当飞灰的加入量在70%时，其28 d抗压强度可达19.36 MPa。重金属浸出实验表明，养护28 d时重金属基本无溶出。袁正璞等^[9]以偏高岭土和飞灰为原料制备了地聚合物，研究了大比例加入飞灰时，不同原料配比对地聚合物性能的影响，合成的地聚合物对重金属有明显固化效果。随着飞灰加入量从85%逐步调整到97%（偏高岭土比例逐渐减少），地聚合物的抗压强度整体呈依次降低的趋势。

地聚合物钠、硅、铝配比对反应生成的固化体性能也会产生重要的影响。王开等^[10]探讨分析了硅、铝物质的质量最佳配比，以及硅、铝配比对飞灰中重金属固化效果和固化体力学性能的影响规律，提出了一种固化稳定化飞灰的新方法。当硅、铝物质的质量之比在2.5时，重金属的浸出浓度与固化体的抗压强度均趋于稳定，具有较好的固化效果。施惠生等^[11]研究优化了PSS型地聚合物的配合比，发现当二氧化硅与三氧化二铝配比为4.0、氧化纳与三氧化二铝配比为1.1，水与氧化纳配比为6.8时，地聚合物固化效果最佳。金漫彤等^[12]以抗压强度和重金属浸出质量浓度为测试指标，实验研究了地聚合物固化垃圾焚烧飞灰的工艺，探讨了地聚合物固化飞灰的合成配方。结果表明，氧化物中氧化纳与二氧化硅的质量配比为0.3、二氧化硅与三氧化二铝质量配比为4.7和加入飞灰占比为40%时，地聚合物固化体养护7 d后，抗压强度能达到31.25 MPa，固化体中铅、锌、铜和铬的浸出质量浓度分别达到0.1838、0.0231、0.0081和0.3679 mg/L。

碱激发剂在地聚合物使用中应具备3个基本条件^[13]：（1）可以不受空气影响，能够稳定存在；（2）可以参与反应，形成稳定的水化产物；（3）可以促使水化产物聚合，形成凝聚态网状结构。碱激发剂主要组分是苛性碱和碱金属硅酸盐。GALIANO et al^[14]选择不同的碱激发剂，如Na₂SiO₃、K₂SiO₃和NaOH和KOH等，对飞灰地聚合固化结果进行了比较，研究表明：上述碱性激发剂对地聚合物固化垃圾飞灰中重金属有优良的效果。

多数研究采用氢氧化钠和水玻璃（主要成分为硅酸钠）作为地聚合化学反应的碱激发剂。DIAZ-LOYA et al^[15]对燃煤飞灰地聚合固化处理垃圾飞灰开展了研究，加入硅酸钠和氢氧化钠激发剂后，重金属浸出浓度大幅降低，其中砷下降了48.44%，铬下降了97.06%。金漫彤等^[12]以高岭土为基质材料对垃圾飞灰进行固化研究，加入水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂，实验发现4种重金属铅、铬、铜和锌的浸出质量百分比的下降比率分别达95%以上，固化体抗压强度最高可以达到44.25 MPa。LANCELLOTTI et al^[16]应用高岭土采取地聚合方法固化20%的垃圾飞灰，利用氢氧化钠和水玻璃作为碱激发剂，对飞灰中重金属铬、镉、镍、铜和铅稳定固化后，其固化体浸出浓度均未超过检测标准。

另有一些研究直接使用氢氧化钠作为地聚合化学反应的碱激发剂。YE et al^[17]对拜耳赤泥进行地聚合固化处理，应用氢氧化钠作为碱激发剂，经研究表明，浸出液中重金属锌、铅、铜和铬的浸出值均符合填埋标准。HANJITSUWAN et al^[18]研究了在高钙垃圾飞灰形成地聚合物时加入碱激发剂氢氧化钠，研究其浓度对激发形成地聚合物的影响，结果表明随着氢氧化钠浓度升高，可以更多溶解垃圾飞灰颗粒，促使地聚合反应快速进行，能够逐步提升固化体抗压强度。

在实际生产中有时为满足不同需求或解决现场应用中出现的各类问题，会在地聚合物固化时掺入不同的添加剂来改变地聚合物性能。金漫彤等^[19]在地聚合物固化飞灰时分别掺入水泥、沸石和偏磷酸钠3种添加剂，考察掺入水泥、沸石和偏磷酸钠对飞灰基地聚合物固化体抗压强度和重金属浸出质量浓度的影响。研究表明，水泥可缓解固化体膨胀，沸石可减小固化体的总孔隙率，偏磷酸钠可作为缓凝剂延长浆砂的凝结时间。重金属能被很好地包容在固化体中，表现出良好的浸出安全性。刘道洁^[20]以垃圾焚烧飞灰和二次铝灰为基质材料，加入碱激发剂反应生成地聚合物固化体，加入二氧化硅粉末后发现可以促进地聚合反应更好地进行。在二次铝灰中，由于二氧化硅和三氧化二铝摩尔比很小，因此添加适量的二氧化硅粉末有助于更快发生化学反应，取得最好的固化效果，当二氧化硅和三氧化二铝摩尔比为2.5左右时，浸出液中重金属达到浸出要求。

飞灰地聚合物固化体制成后，一般都需要在一定条件下进行养护，以保证固化体内部化学反应充分完成，达到最佳的固化性能。董海丽^[21]研究发现，固化体具有早期强度高的特点，固化体养护1 d后，抗压强度就能达到20 MPa以上。随着增加固化体养护天数，其抗压强度在7 d左右上升趋势有所放缓，由此表明固化体的抗压强度随着反应时间的增加而增加，直至趋于稳定。分析其原因，水玻璃对地聚合反应有双重作用，OH⁻促使原料玻璃态解聚，而含水硅胶又能与水反应，使水化生成物增多，所以早期强度发展快。随着固化时间不断延长，地聚合物中的氧化物摩尔比，如二氧化硅与三氧化二铝比值、氧化纳与二氧化硅比值和氧化纳与三氧化二铝比值均有所下降，并且结构当中反应水含量降低，这可能是因为铝氧四面体和硅氧四面体更多地参与了地聚合反应，使地聚合物抗压强度增加的结果。刘道洁等^[22]研究了地聚合物固化体样品的养护条件对重金属浸出浓度的影响，养护箱参数为恒定条件（相对湿度80%，温度30～50 ℃）。当养护温度为50 ℃时，地聚合物中重金属浸出浓度满足浸出标准的要求。

目前对于地聚合物固化稳定化飞灰的机理还没有系统的认识，对重金属的固化稳定化机理也存在分歧^[23]。有学者^[24-25]初步研究认为，重金属是通过化学键联和物理固封2种方式被固定在地聚合物中。而有些学者则认为化学结合没有在固化机理方面发挥重要的作用，重金属是被微囊密封在富硅铝的无定形结构中^[26]。

硅、铝是固化体形成的必备核心元素，有研究^[20]发现随着硅、铝摩尔比的增加，固化体内重金属的浸出浓度都明显降低，其原因主要是随着硅、铝摩尔比逐渐升高，地聚合物的聚合度逐渐增大，生成的地聚合物由单硅、铝地聚合物变成双硅、铝地聚合物，再变成三硅、铝地聚合物，更多的重金属离子与地聚合物官能团发生化学键键合，促使地聚合固化体的内部结构结合的更加紧密和稳定。化学药剂具备很多特殊的性能，其掺入可以实现固化体改性。郭晓潞等^[27] 引入化学药剂对其制备的含重金属固废地聚合物进行改性，以粉煤灰为主要基质材料，分别加入冶金污泥和城市垃圾焚烧飞灰，探讨了地聚合的反应机理。研究发现加入化学药剂导致重金属的破坏作用被抑制，加速了地聚合反应进程，产物结构更匀质、致密，增强了化学药剂改性后的飞灰地聚合物固化能力。飞灰含量增加致使其它基质含量降低，硅、铝含量也相对较少，影响地聚合物的抗压强度。李春林^[28]以偏高岭土为添加剂，研究飞灰含量对地聚合反应的影响。结果发现，随着飞灰含量的增加，固化体的抗压强度先升高后降低，当飞灰含量较高时，偏高岭土含量则相对较低，活性的硅、铝源难以足够释放出来，地聚合反应因此受到了一定的限制。碱激发剂在地聚合反应中的主要作用是使硅、铝质材料网络结构发生解体、缩聚，最终形成地聚合物结构^[23]。ZHANG et al^[29]研究了碱激发剂对地聚合反应和抗压强度的机理。结果表明，不断加入碱激发剂后，逐渐增多的激发剂使反应体系中活性硅、铝组分，以及地聚合物的硅氧四体含量逐渐增大，进而大大促进了地聚合反应的进行。但当继续增加碱激发剂的比例时，反应体系中过多的钠离子会减少铝氧四面体基团的绝对含量，从而降低产物的抗压强度^[30]。养护条件为固化体形成的重要影响因素，特别是温度条件更为关键，温度升高会加快地聚合物化学反应的进程。彭晖等^[31]研究了养护温度对固化效果的影响。结果发现，养护温度增加将会减小重金属离子的相对浸出比例，提升地聚合物固化稳定效果。地聚合反应过程中，不断升高养护温度，物质溶解和水解的过程在一定程度上得到加速，更多地聚合反应所需的前驱物逐步生成，从而使地聚合反应的进程加快进行。

普遍认为重金属地聚合物固化的机理有2种：化学结合和吸附作用。有研究^[22,32]提出，飞灰基地聚合物与重金属离子可以通过化学键结合，从而实现对重金属更好地吸附和包裹。原因是重金属形态由游离的可交换态、结合态向铁锰氧化物结合态、有机物结合态以及残渣态转变，使固化体内部紧密结合在一起，结构更加稳定。静态吸附试验表明地聚合物由于具有三维笼状立体结构，具备强烈的吸附能力，能较好地吸附重金属，同时可以将重金属牢牢锁在其构建的牢笼状立体结构内，从而难以从固化体中溶出。

目前，大多数研究对飞灰地聚合物固化稳定化效果开展了性能评价，实验研究均取得了较好的效果。董海丽^[21]以抗酸碱性能、耐硫酸盐性能、抗海水侵蚀性能和重金属浸出浓度为测试指标，制备了偏高岭土基飞灰地聚合固化体，研究发现上述指标测试均表明具有良好的固化效果，结果显示地聚合物固化体耐受酸碱能力强，当碱溶液浓度较低时，表现出较好的稳定性能，当碱溶液浓度过高时会严重破坏地聚合物的结构；地聚合物固化体能较好抵抗硫酸盐侵蚀；固化体放在人工海水中浸泡，其外观基本不受影响；浸出液的pH值对重金属浸出浓度影响不大。文献[33]制备了飞灰基地聚合物固化体，分析了硫酸盐溶液对固化体的侵蚀影响。从重金属浸出质量浓度、抗压强度和质量等方面探讨硫酸盐侵蚀效果，研究表明地聚合物固化体具有良好的耐硫酸盐侵蚀性能，浸泡28 d后，重金属铬、铜、锌、镉、汞和铅的浸出质量浓度仅为122.00、15.16、13.28、0.04、0.32和4.51 mg/L，抗蚀系数均>0.95，抗压强度为41.17 MPa，质量损失率为−1.87%～0.61%之间。

城市飞灰产生量目前仍在快速增长，对飞灰进行资源化处置已成为科研工作者的共同目标。随着人们对地聚合物的深入研究，利用地聚合物固化飞灰并进行资源化利用已成为重要的发展方向。张希等^[34]研究认为，采用飞灰制备地聚合材料时利用率较高，成本及能耗较低，对重金属等有害物质固化效果明显。

綦懿等^[3]综述了目前国内外固化稳定化安全处置飞灰的主要方式，分析了各个方法的优缺点，总结了飞灰在建筑材料领域中的研究现状，探讨了未来固化稳定化技术手段的关注点。飞灰地聚合物在建材行业将得到广泛应用，水泥混凝土中可以将地聚合物代替水泥，制备新型地聚合物基建筑材料。李春林^[28]以城市生活垃圾焚烧飞灰为原材料，通过碱激发法制备出力学性能优异的地聚合物固化体。当固体质量和碱激发剂的比为1. 2，垃圾焚烧飞灰占比60%时，地聚合物具有最佳的抗压强度，可用作建筑材料。

飞灰基地聚合物固化体相对于水泥基固化体在力学性能、抗渗性和耐久性等方面都具有一定的优势，可以在垃圾填埋场作为垃圾覆盖材料或垫层材料，也可经进一步处理用作矿山填充材料。利用固化后的飞灰固化体掺入混凝土中用来制备半干混凝土，或与公路基料拌成混合料，用于铺筑公路路面基层^[35]。飞灰基地聚合物通过模具还可浇筑成不同形状的固化体，用于沙漠地区的公路、铁路挡沙墙，沙区农户的挡沙柱和挡沙网，以及沙地道路路基材料等。

目前应用偏高岭土、矿渣和粉煤灰作为基质材料的地聚合物固化技术，是国内外飞灰地聚合物固化稳定化的主要研究方向，其原料研究范围较窄，需要进一步拓宽飞灰地聚合体系种类研究范围，广泛探寻硅源、铝源材料，为飞灰地聚合物的制备提供更多的基质来源材料。

飞灰地聚合物制备过程的反应机理尚未有系统认识，对二噁英等持久性有机污染物的固化机理研究也很少，地聚合物固化稳定化重金属的机理尚需进一步深入探究。在今后的固化机理研究中，应进一步明确飞灰地聚合物的反应机理与产物性能的关系，能更好为固化稳定化飞灰提供可靠的理论依据。

地聚合物固化体制备方式目前也比较单一，应在今后的研究中探索更多的固化体制备方法，建立一体化制备工艺，减少中间操作环节，并充分综合利用大宗固废，从而使实际应用更为简易，材料成本更为低廉，社会效益更为显著。由于飞灰属于国家规定的危险废物，对飞灰基地聚合物固化体的制备现多停留在实验室水平，走出填埋场进行资源化应用尚需核心技术攻关和国家政策允许，大规模的产业化仍需进一步探究。