ژئوپلیمر

بندانگشتی|تصویر SEM از یک گرانول ژئوپلیمر تهیه شده از متاکائولن با فعال سازی قلیایی برای استفاده بیشتر به عنوان جاذب.
ژئوپلیمر یک ماده معدنی ، اغلب سرامیکی مانند است که از طریق واکنش مواد آلومینوسیلیکات با یک محلول قلیایی یا اسیدی، یک شبکه پایدار، غیر بلوری تا نیمه بلوری با پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهد. بسیاری از ژئوپلیمرها همچنین ممکن است به عنوان سیمان‌های فعال شده با قلیا یا چسب‌های فعال شده با اسید طبقه‌بندی شوند. آنها عمدتاً توسط یک واکنش شیمیایی بین یک پودر آلومینوسیلیکات واکنش‌پذیر شیمیایی مانند متاکائولین یا سایر پودرهای مشتق شده از خاک رس، پوزولان طبیعی یا شیشه‌های مناسب و یک محلول آبی ( قلیایی یا اسیدی ) تولید می‌شوند که باعث می‌شود این پودر واکنش داده و دوباره به یک مونولیت جامد تبدیل شود. رایج‌ترین مسیر برای تولید ژئوپلیمرها واکنش متاکائولین با سیلیکات سدیم است که یک محلول قلیایی است، اما فرآیندهای دیگری نیز امکان‌پذیر است. W.M. Kriven, C. Leonelli, J.L. Provis, A.R. Boccaccini, C. Attwell, V.S. Ducman, C. Ferone, S. Rossignol, T. Luukkonen, J.S.J. van Deventer, J.V. Emiliano, J.E. Lombardi (2024), Why geopolymers and alkali-activated materials are key components of a sustainable world: A perspective contribution. Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/10.1111/jace.19828

اصطلاح ژئوپلیمر توسط جوزف دیویدوویتس در سال 1978 به دلیل استفاده از کانی‌های سنگ‌ساز با منشأ زمین‌شناسی در فرآیند سنتز ابداع شد. An article published by the Commission of the European Communities in 1982 outlines the reasons why the generic term geopolymer was chosen for this new chemistry. See: J. Davidovits, The Need to Create a New Technical Language For the Transfer of Basic Scientific Information, in Transfer and Exploitation of Scientific and Technical Information, Proceedings of the symposium, Luxemburg, 10–12 June 1981, pp. 316-320. http://bookshop.europa.eu/en/transfer-and-exploitation-of-scientific-and-technical-information-pbCD3381271/ این مواد و اصطلاحات مرتبط با آن در دهه‌های بعد از طریق همکاری او با موسسه ژئوپلیمر رواج یافت . 

ژئوپلیمرها در یکی از دو حالت زیر سنتز می‌شوند:

 در محیط قلیایی (Na + ، K + ، Li + ، Cs + ، Ca2 + …)
 در محیط اسیدی ( اسید فسفریک : ) 

مسیر قلیایی از نظر تحقیق و توسعه و کاربردهای تجاری مهمترین مسیر است. جزئیات مسیر اسیدی نیز منتشر شده است. W.M. Kriven, C. Leonelli, J.L. Provis, A.R. Boccaccini, C. Attwell, V.S. Ducman, C. Ferone, S. Rossignol, T. Luukkonen, J.S.J. van Deventer, J.V. Emiliano, J.E. Lombardi (2024), Why geopolymers and alkali-activated materials are key components of a sustainable world: A perspective contribution. Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/10.1111/jace.19828

ژئوپلیمرهای تولید شده تجاری می‌توانند برای پوشش‌ها و چسب‌های مقاوم در برابر آتش و حرارت، کاربردهای دارویی، سرامیک‌های دما بالا، چسب‌های جدید برای کامپوزیت‌های فیبری مقاوم در برابر آتش، کپسوله‌سازی زباله‌های سمی و رادیواکتیو و به عنوان اجزای سیمانی در ساخت یا تعمیر بتن‌ها استفاده شوند. با توجه به افزایش تقاضا برای مصالح ساختمانی با انتشار کم، فناوری ژئوپلیمر به عنوان جایگزینی با CO2 کمتر برای سیمان پرتلند سنتی در حال توسعه است و پتانسیل استفاده گسترده در تولید بتن را دارد. Provis, J.L. and Van Deventer, J.S.J. (2009). Introduction to geopolymers, in: Geopolymers: Structure, Processing, Properties and Industrial Applications, J.L. Provis & Van Deventer (eds.), Woodhead, Cambridge UK, pp. 1–11 خواص و کاربردهای ژئوپلیمرها در بسیاری از رشته‌های علمی و صنعتی مانند شیمی معدنی مدرن، شیمی فیزیک ، شیمی کلوئیدی ، کانی‌شناسی ، زمین‌شناسی و سایر انواع فناوری‌های فرآیند مهندسی در حال بررسی است. علاوه بر کاربرد آنها در ساخت و ساز، ژئوپلیمرها در رزین‌ها، پوشش‌ها و چسب‌ها برای هوافضا، خودرو و کاربردهای حفاظتی استفاده می‌شوند.

 ترکیب 
در دهه 1950، ویکتور گلوخوفسکی مواد بتنی را توسعه داد که در ابتدا با نام‌های "بتن‌های سیلیکات خاک" و "سیمان‌های خاک" شناخته می‌شدند، Gluchovskij V.D. (1959). "Gruntosilikaty" Gosstrojizdat Kiev, Patent USSR 245 627 (1967), Patent USSR 449894 (Patent appl. 1958, granted 1974). اما از زمان معرفی مفهوم ژئوپلیمر توسط جوزف دیویدوویتس ، اصطلاحات و تعاریف کلمه ژئوپلیمر متنوع‌تر و اغلب متناقض شده‌اند. کلمه ژئوپلیمر گاهی اوقات برای اشاره به ماکرومولکول‌های آلی طبیعی استفاده می‌شود؛ این مفهوم کلمه با استفاده رایج‌تر از این اصطلاحات برای بحث در مورد مواد معدنی که می‌توانند ویژگی‌های سیمان مانند یا سرامیک مانند داشته باشند، متفاوت است.

ژئوپلیمر اساساً یک ترکیب شیمیایی معدنی یا مخلوطی از ترکیبات متشکل از واحدهای تکرارشونده است، به عنوان مثال سیلیکو-اکسید (-Si-O-Si-O-)، سیلیکو-آلومینات (-Si-O-Al-O-)، فرو-سیلیکو-آلومینات (-Fe-O-Si-O-Al-O-) یا آلومینو-فسفات (-Al-OPO-) که از طریق فرآیند ژئوپلیمریزاسیون ایجاد می‌شود. این روش توصیف سنتز معدنی (ژئوسنتز) اولین بار توسط دیویدوویتس در یک سمپوزیوم آیوپاک در سال 1976 ارائه شد. W.M. Kriven, C. Leonelli, J.L. Provis, A.R. Boccaccini, C. Attwell, V.S. Ducman, C. Ferone, S. Rossignol, T. Luukkonen, J.S.J. van Deventer, J.V. Emiliano, J.E. Lombardi (2024), Why geopolymers and alkali-activated materials are key components of a sustainable world: A perspective contribution. Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/10.1111/jace.19828

حتی در چارچوب مواد معدنی، تعاریف مختلفی از کلمه ژئوپلیمر وجود دارد که می‌تواند شامل طیف نسبتاً گسترده‌ای از مواد جامد سنتز شده در دمای پایین باشد. معمول‌ترین ژئوپلیمر عموماً به عنوان حاصل واکنش بین متاکائولین ( خاک رس کائولینیتی کلسینه شده) و محلول سیلیکات سدیم یا پتاسیم ( آب شیشه ) توصیف می‌شود. ژئوپلیمریزاسیون منجر به ایجاد یک شبکه بسیار متصل و بی‌نظم از واحدهای اکسید چهاروجهی با بار منفی می‌شود که توسط یون‌های سدیم یا پتاسیم متعادل شده‌اند.

در ساده‌ترین شکل، یک فرمول شیمیایی نمونه برای یک ژئوپلیمر را می‌توان به صورت Na2O · Al2O3 · nSiO2 · wH2O نوشت، که در آن n معمولاً بین ۲ تا ۴ و w حدود ۱۱-۱۵ است. ژئوپلیمرها را می‌توان با طیف گسترده‌ای از جایگزین‌ها در هر دو جایگاه چارچوب (سیلیکون، آلومینیوم) و غیر چارچوب (سدیم) فرموله کرد. معمولاً پتاسیم یا کلسیم جایگاه‌های غیر چارچوب را اشغال می‌کنند، اما آهن یا فسفر در اصل می‌توانند جایگزین مقداری از آلومینیوم یا سیلیکون شوند. [ نیازمند منبع ]

ژئوپلیمریزاسیون معمولاً در دمای محیط یا کمی بالاتر رخ می‌دهد؛ مواد اولیه جامد آلومینوسیلیکات (مثلاً متاکائولین) در محلول قلیایی حل می‌شوند، سپس پیوند عرضی برقرار می‌کنند و به یک فاز ژل در حال رشد پلیمریزه می‌شوند که سپس به گرفتن، سخت شدن و افزایش استحکام ادامه می‌دهد.

 سنتز ژئوپلیمر 

 پیوند کووالانسی 
واحد بنیادی در ساختار ژئوپلیمر، یک کمپلکس چهاروجهی متشکل از سیلیکون یا آلومینیوم است که از طریق پیوندهای کووالانسی به چهار اکسیژن متصل شده‌اند. چارچوب ژئوپلیمر از اتصال عرضی بین این چهاروجهی‌ها حاصل می‌شود که منجر به یک شبکه آلومینوسیلیکات سه‌بعدی می‌شود، که در آن بار منفی مرتبط با آلومینیوم چهاروجهی توسط یک گونه کاتیونی کوچک، که معمولاً یک کاتیون فلز قلیایی (Na+، K+ و غیره) است، متعادل می‌شود. این کاتیون‌های فلز قلیایی اغلب قابل تعویض یونی هستند، زیرا با شبکه کووالانسی اصلی مرتبط هستند، اما فقط پیوند سستی با آن دارند، مشابه کاتیون‌های غیر چارچوبی موجود در زئولیت‌ها .

 تشکیل الیگومر 
بندانگشتی|پنج گونه الیگومر بر اساس طرح نامگذاری سیالات/سیلوکسو نامگذاری شده‌اند
ژئوپلیمریزاسیون فرآیند ترکیب بسیاری از مولکول‌های کوچک شناخته شده به عنوان الیگومرها در یک شبکه پیوند کووالانسی است. این فرآیند واکنش از طریق تشکیل الیگومرها (دیمر، تریمر، تترامر، پنتامر) انجام می‌شود که اعتقاد بر این است که در تشکیل ساختار واقعی چارچوب ماکرومولکولی سه‌بعدی، چه از طریق ترکیب مستقیم و چه از طریق بازآرایی از طریق گونه‌های مونومری، نقش دارند. این الیگومرها توسط برخی از شیمیدانان ژئوپلیمر به عنوان سیالات‌ها نامگذاری شده‌اند که از طرح توسعه یافته توسط دیویدوویتس پیروی می‌کنند، An article published by the Commission of the European Communities in 1982 outlines the reasons why the generic term geopolymer was chosen for this new chemistry. See: J. Davidovits, The Need to Create a New Technical Language For the Transfer of Basic Scientific Information, in Transfer and Exploitation of Scientific and Technical Information, Proceedings of the symposium, Luxemburg, 10–12 June 1981, pp. 316-320. http://bookshop.europa.eu/en/transfer-and-exploitation-of-scientific-and-technical-information-pbCD3381271/ اگرچه این اصطلاح به دلیل سردرگمی با استفاده قبلی (1952) از همین کلمه برای اشاره به نمک‌های بیومولکول مهم اسید سیالیک ، به طور جهانی در جامعه تحقیقاتی پذیرفته نشده است. Provis, J.L. and Van Deventer, J.S.J. (2009). Introduction to geopolymers, in: Geopolymers: Structure, Processing, Properties and Industrial Applications, J.L. Provis & Van Deventer (eds.), Woodhead, Cambridge UK, pp. 1–11

تصویر پنج نمونه از گونه‌های کوچک الیگومری آلومینوسیلیکات پتاسیم (که در نمودار بر اساس نامگذاری پلی (سیالات) / پلی (سیالات-سیلوکسو) نامگذاری شده‌اند) را نشان می‌دهد که واسطه‌های کلیدی در ژئوپلیمریزاسیون آلومینوسیلیکات مبتنی بر پتاسیم هستند. شیمی آبی الیگومرهای آلومینوسیلیکات پیچیده است، و نقش مهمی در بحث سنتز زئولیت ایفا می‌کند، فرآیندی که جزئیات مشترک زیادی با ژئوپلیمریزاسیون دارد.

 مثالی از ژئوپلیمریزاسیون پیش‌ساز متاکائولن، در محیط قلیایی 
فرآیند واکنش به طور کلی شامل چهار مرحله اصلی است:

 هیدرولیز قلیایی ساختار لایه‌ای کائولینیت کلسینه شده
 تشکیل گونه‌های مونومری و الیگومری
 در حضور آب شیشه (سیلیکات پتاسیم یا سدیم محلول)، ساختارهای حلقوی Al-Si می‌توانند تشکیل شوند (مثلاً شماره ۵ در شکل)، که در آن هیدروکسید توسط واکنش‌های تراکمی آزاد می‌شود و می‌تواند دوباره واکنش دهد.
 ژئوپلیمریزاسیون ( پلی‌کاندنشن ) به شبکه‌های سه‌بعدی پلیمری.

فرآیندهای واکنش شامل سایر پیش‌سازهای آلومینوسیلیکات (مانند خاکستر بادی کم کلسیم، شیشه‌های خرد شده یا مصنوعی، پوزولان‌های طبیعی) عموماً مشابه مراحل شرح داده شده در بالا هستند.

 چارچوب‌های سه‌بعدی ژئوپلیمر و آب 
ژئوپلیمریزاسیون چارچوب‌های آلومینوسیلیکاتی را تشکیل می‌دهد که مشابه برخی از کانی‌های سنگ‌ساز هستند، اما فاقد نظم بلوری بلندبرد هستند و عموماً حاوی آب در هر دو مکان پیوند شیمیایی (گروه‌های هیدروکسیل) و به شکل مولکولی به عنوان آب منفذی هستند. این آب را می‌توان در دماهای بالاتر از 100 تا 200 درجه سانتیگراد حذف کرد. درجه سانتیگراد. هیدراتاسیون کاتیونی و مکان‌ها و تحرک مولکول‌های آب در منافذ برای کاربردهای دمای پایین‌تر، مانند استفاده از ژئوپلیمرها به عنوان سیمان، مهم هستند. W.M. Kriven, C. Leonelli, J.L. Provis, A.R. Boccaccini, C. Attwell, V.S. Ducman, C. Ferone, S. Rossignol, T. Luukkonen, J.S.J. van Deventer, J.V. Emiliano, J.E. Lombardi (2024), Why geopolymers and alkali-activated materials are key components of a sustainable world: A perspective contribution. Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/10.1111/jace.19828 شکل، یک ژئوپلیمر حاوی هر دو آب متصل (گروه‌های Si-OH) و آب آزاد (سمت چپ شکل) را نشان می‌دهد. مقداری آب مشابه آب زئولیتی با چارچوب مرتبط است و مقداری در منافذ بزرگتر قرار دارد و می‌تواند به راحتی آزاد و حذف شود. پس از دهیدروکسیلاسیون (و دهیدراسیون)، عموماً بالای ۲۵۰ در دمای بالاتر از ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، ژئوپلیمرها می‌توانند متبلور شوند. درجه سانتیگراد (بسته به ماهیت کاتیون قلیایی موجود). 

 کاربردهای تجاری 
طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه و موجود وجود دارد. برخی از کاربردهای ژئوپلیمر هنوز در حال توسعه هستند، در حالی که برخی دیگر در حال حاضر صنعتی و تجاری شده‌اند. آنها در سه دسته اصلی فهرست شده‌اند:

 سیمان‌ها و بتن‌های ژئوپلیمری 

 مصالح ساختمانی (به عنوان مثال، آجر سفالی)
 سیمان‌ها و بتن‌های 
 مهار زباله‌های رادیواکتیو و سمی

 رزین‌ها و چسب‌های ژئوپلیمری 

 مواد مقاوم در برابر آتش، عایق حرارتی، فوم‌ها
 کاشی‌های سرامیکی کم‌مصرف، اقلام نسوز ، نسوزهای مقاوم در برابر شوک حرارتی
 سیستم‌های رزینی، رنگ‌ها، چسب‌ها و دوغاب‌های پیشرفته
 زیست‌فناوری‌ها (موادی برای کاربردهای دارویی)
 صنعت ریخته‌گری (رزین‌ها)، ابزارآلات برای ساخت کامپوزیت‌های الیاف آلی
 کامپوزیت‌ها برای تعمیر و تقویت زیرساخت‌ها
 کامپوزیت‌های فیبر کربنی پیشرفته مقاوم در برابر آتش و حرارت برای فضای داخلی هواپیما و خودرو

 هنر و باستان‌شناسی 

 مصنوعات سنگی تزئینی، هنر و دکوراسیون
 میراث فرهنگی، باستان‌شناسی و تاریخ علوم

 تحقیق در مورد ژئوپلیمرها 
در سال‌های اخیر، توجه تحقیقاتی فزاینده‌ای به سمت ژئوپلیمرها معطوف شده است. در ادامه نمونه‌هایی از مطالعات اخیر آمده است:

کاربرد سوسپانسیون‌های رقیق ژئوپلیمر به عنوان یک روش اصلاح چوب (معدنی‌سازی) 

 سیمان‌های ژئوپلیمری 
از دیدگاه اصطلاح‌شناسی، سیمان ژئوپلیمری یک سیستم اتصال‌دهنده است که مانند سیمان پرتلند معمولی در دمای اتاق سفت می‌شود.
بندانگشتی|فهرست مواد معدنی و شیمیایی مورد استفاده در ساخت سیمان‌های ژئوپلیمری

سیمان ژئوپلیمری به عنوان جایگزینی برای سیمان پرتلند معمولی برای استفاده در حمل و نقل، زیرساخت‌ها، ساخت و ساز و کاربردهای فراساحلی توسعه یافته و مورد استفاده قرار می‌گیرد. [ نیازمند منبع ]

تولید سیمان ژئوپلیمری به یک ماده پیش‌ساز آلومینوسیلیکات مانند متاکائولن یا خاکستر بادی ، یک واکنشگر قلیایی کاربرپسند، نیاز دارد See the examples at the Geopolymer Institute page http://www.geopolymer.org/applications/geopolymer-cement (برای مثال، سیلیکات‌های محلول سدیم یا پتاسیم با نسبت مولی (MR) SiO2 : M2O ≥ 1.65، M سدیم یا پتاسیم است) و آب (به تعریف معرف "کاربرپسند" در زیر مراجعه کنید). سخت شدن در دمای اتاق با افزودن منبعی از کاتیون‌های کلسیم، که اغلب سرباره کوره بلند است ، آسان‌تر حاصل می‌شود. [ نیازمند منبع ]

سیمان‌های ژئوپلیمری را می‌توان طوری فرموله کرد که سریع‌تر از سیمان‌های پرتلند عمل‌آوری شوند؛ برخی از مخلوط‌ها بیشتر مقاومت نهایی خود را در عرض 24 ساعت به دست می‌آورند. با این حال، آنها همچنین باید به اندازه کافی آهسته گیرش پیدا کنند تا بتوان آنها را در یک کارخانه مخلوط کرد، چه برای پیش‌ریختن و چه برای تحویل در میکسر بتن. سیمان ژئوپلیمری همچنین توانایی تشکیل پیوند شیمیایی قوی با سنگدانه‌های سیلیکاتی پایه سنگی را دارد. 

اغلب بین معانی اصطلاحات «سیمان ژئوپلیمر» و «بتن ژئوپلیمر» سردرگمی وجود دارد. سیمان یک ماده چسبنده است، در حالی که بتن ماده کامپوزیتی است که از مخلوط کردن و سخت شدن سیمان با آب (یا یک محلول قلیایی در مورد سیمان ژئوپلیمر) و سنگدانه‌های سنگی حاصل می‌شود. مواد هر دو نوع (سیمان‌های ژئوپلیمر و بتن‌های ژئوپلیمر) به صورت تجاری در بازارهای مختلف بین‌المللی موجود هستند. [ نیازمند منبع ]

 مواد فعال‌شده با قلیا در مقابل سیمان‌های ژئوپلیمری 
در اصطلاحات مربوط به ژئوپلیمرها، سیمان‌ها و بتن‌های فعال‌شده با قلیا و مواد مرتبط، که با نام‌های مختلفی از جمله «بتن‌های سیلیکات خاک» و «سیمان‌های خاک» توصیف شده‌اند، سردرگمی‌هایی وجود دارد. Gluchovskij V.D. (1959). "Gruntosilikaty" Gosstrojizdat Kiev, Patent USSR 245 627 (1967), Patent USSR 449894 (Patent appl. 1958, granted 1974). اصطلاحات مربوط به مواد فعال‌شده با قلیا یا ژئوپلیمرهای فعال‌شده با قلیا نیز کاربرد گسترده‌ای (اما مورد بحث) دارند. این سیمان‌ها که گاهی به اختصار AAM نامیده می‌شوند، زمینه‌های خاصی از سرباره‌های فعال‌شده با قلیا، خاکسترهای بادی زغال‌سنگ فعال‌شده با قلیا و سیستم‌های سیمان‌کاری ترکیبی مختلف را در بر می‌گیرند.

 معرف‌های قلیایی کاربرپسند 
بندانگشتی|فهرست معرف‌های شیمیایی کاربرپسند و کاربرپسند
ژئوپلیمریزاسیون از مواد شیمیایی استفاده می‌کند که ممکن است خطرناک باشند و بنابراین نیاز به برخی رویه‌های ایمنی دارد. قوانین ایمنی مواد، محصولات قلیایی را به دو دسته طبقه‌بندی می‌کنند: محصولات خورنده (که در اینجا به عنوان خصمانه نامیده می‌شوند) و محصولات تحریک‌کننده (که در اینجا به عنوان دوستانه نامیده می‌شوند). See the examples at the Geopolymer Institute page http://www.geopolymer.org/applications/geopolymer-cement

جدول برخی از مواد شیمیایی قلیایی و برچسب‌های ایمنی مربوط به آنها را فهرست می‌کند. معرف‌های قلیایی متعلق به کلاس دوم (با pH کمتر بالا) نیز ممکن است به عنوان معرف‌های کاربرپسند نامیده شوند، اگرچه ماهیت تحریک‌کننده جزء قلیایی و خطر استنشاق بالقوه پودرها همچنان نیاز به انتخاب و استفاده از تجهیزات حفاظت فردی مناسب دارد، مانند هر موقعیتی که با مواد شیمیایی یا پودرها سروکار داریم.

همانطور که در دستورالعمل‌های متعدد منتشر شده نشان داده شده است، در توسعه برخی از سیمان‌های فعال‌شده با قلیا (به‌ویژه آنهایی که بر پایه خاکستر بادی هستند) از سیلیکات‌های قلیایی با نسبت‌های مولی SiO2 : M2O کمتر از 1.20 استفاده می‌شود، یا بر پایه NaOH غلیظ هستند. این شرایط به اندازه زمانی که از مقادیر pH معتدل‌تر استفاده می‌شود، کاربرپسند نیستند و نیاز به بررسی دقیق قوانین، مقررات و دستورالعمل‌های ایمنی کار با مواد شیمیایی دارند.

برعکس، دستورالعمل‌های سیمان ژئوپلیمری که در این زمینه به کار می‌روند، عموماً شامل سیلیکات‌های محلول قلیایی با نسبت‌های مولی اولیه از ۱.۴۵ تا ۱.۹۵، به ویژه ۱.۶۰ تا ۱.۸۵، یعنی شرایط کاربرپسند هستند . ممکن است برای تحقیقات، برخی از دستورالعمل‌های آزمایشگاهی نسبت‌های مولی در محدوده ۱.۲۰ تا ۱.۴۵ داشته باشند.

 نمونه‌هایی از موادی که گاهی اوقات سیمان‌های ژئوپلیمری نامیده می‌شوند 
سیمان‌های ژئوپلیمری تجاری در دهه 1980، از نوع (K، Na، Ca)-آلومینوسیلیکات (یا "سیمان ژئوپلیمری مبتنی بر سرباره") توسعه یافتند و حاصل تحقیقات انجام شده توسط جوزف دیویدوویتس و جی. ال. ساویر در صنایع لون استار، ایالات متحده، بودند که با نام سیمان پیرامنت® به بازار عرضه شدند. حق ثبت اختراع ایالات متحده 4,509,985 در 9 آوریل 1985 با عنوان "پلیمر معدنی اولیه با مقاومت بالا" اعطا شد. 

در دهه 1990، با استفاده از دانش سنتز زئولیت‌ها از خاکستر بادی، واستیلز و همکارانش، سیلورستریم و همکارانش و ون جارسولد و ون دونتر سیمان‌های ژئوپلیمری مبتنی بر خاکستر بادی را توسعه دادند.

خاکستر بادی موادی که بر پایه سیلیس (EN 197) هستند و کلاس F (ASTM C618) نیز نامیده می‌شوند، با موارد زیر شناخته می‌شوند:

ژئوپلیمر خاکستر بادی فعال شده با قلیا: 

در بسیاری از موارد (اما نه همه) نیاز به عمل‌آوری حرارتی در دمای ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتیگراد دارد؛ به صورت جداگانه به عنوان سیمان تولید نمی‌شود، بلکه مستقیماً به عنوان بتن بر پایه خاکستر بادی تولید می‌شود. خاکستر بادی NaOH +: ذرات خاکستر بادی واکنش داده شده جزئی که در یک ژل آلومینو-سیلیکات با Si:Al= 1 تا 2، از نوع زئولیتی ( شابازیت- Na و سودالیت ) جاسازی شده‌اند.

سیمان ژئوپلیمری بر پایه سرباره/خاکستر بادی: 

سخت شدن سیمان در دمای اتاق. محلول سیلیکات فلز قلیایی + سرباره کوره بلند + خاکستر بادی: ذرات خاکستر بادی که در یک ماتریس ژئوپلیمری با Si:Al ~ 2 قرار گرفته‌اند. می‌توان آن را با محلول‌های فعال‌کننده "کاربرپسند" (نه با pH بسیار بالا) تولید کرد.

خواص سیمان‌های ژئوپلیمری مبتنی بر "فری-سیالات" حاوی آهن مشابه سیمان‌های ژئوپلیمری مبتنی بر سنگ است، اما شامل عناصر زمین‌شناسی یا سرباره‌های متالورژیکی با محتوای بالای اکسید آهن است. شیمی چسب فرضی (Ca,K)-(Fe-O)-(Si-O-Al-O) است. 

سیمان‌های ژئوپلیمری پایه سنگی می‌توانند با واکنش مواد پوزولانی طبیعی در شرایط قلیایی تشکیل شوند، و ژئوپلیمرهای مشتق شده از رس‌های کلسینه شده (مثلاً متاکائولن) نیز می‌توانند به شکل سیمان تولید شوند.

 انتشار در طول تولید 
سیمان‌های ژئوپلیمری می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که در مقایسه با سایر مواد پرکاربرد مانند سیمان پرتلند معمولی انتشار CO2 کمتری داشته باشند. ژئوپلیمرها از محصولات جانبی/ضایعات صنعتی حاوی فازهای آلومینوسیلیکات در تولید استفاده می‌کنند که انتشار CO2 را به حداقل می‌رساند و بنابراین پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) کمتری دارند. W.M. Kriven, C. Leonelli, J.L. Provis, A.R. Boccaccini, C. Attwell, V.S. Ducman, C. Ferone, S. Rossignol, T. Luukkonen, J.S.J. van Deventer, J.V. Emiliano, J.E. Lombardi (2024), Why geopolymers and alkali-activated materials are key components of a sustainable world: A perspective contribution. Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/10.1111/jace.19828 با این حال، انتشار گازهای گلخانه‌ای همچنان از مراحل مختلف تولید بتن‌های ژئوپلیمری ناشی می‌شود. استخراج و فرآوری مواد اولیه، مانند خاکستر بادی، سرباره یا متاکائولن، به انرژی نیاز دارد و در انتشار CO2 نقش دارد، اگرچه آنها اغلب محصولات جانبی صنعتی با تأثیر زیست‌محیطی کمتر از تولید کلینکر در بتن پرتلند هستند. منبع قابل توجهی از انتشار گازهای گلخانه‌ای در تولید بتن ژئوپلیمری، تولید فعال‌کننده‌های قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) و سیلیکات سدیم است که نیاز به پردازش در دمای بالا دارند و به پتانسیل کلی گرمایش جهانی کمک می‌کنند. علاوه بر این، مصرف انرژی در طول اختلاط، حمل و نقل و عمل‌آوری، به ویژه هنگامی که از دماهای بالا استفاده می‌شود، می‌تواند بیشتر در انتشار گازهای گلخانه‌ای نقش داشته باشد. در حالی که مطالعات نشان می‌دهد که بتن ژئوپلیمری می‌تواند از طریق انتخاب مواد و استفاده بهینه از فعال‌کننده، پتانسیل گرمایش جهانی را تا 64 درصد در مقایسه با بتن پورتلند کاهش دهد، تأثیر کلی آن به ترکیب خاص و روش‌های فرآوری مورد استفاده بستگی دارد. 

در حالی که بتن ژئوپلیمری عموماً پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) کمتری نسبت به بتن پورتلند معمولی دارد، تأثیر زیست‌محیطی آن بر اساس انتخاب مواد اولیه و فعال‌کننده‌ها متفاوت است. به طور خاص، تولید فعال‌کننده‌های قلیایی مانند هیدروکسید سدیم نقش مهمی در تعیین پایداری کلی بتن ژئوپلیمری ایفا می‌کند. یک مطالعه ارزیابی چرخه عمر (LCA) توسط سالاس و همکاران (2018) نشان می‌دهد که تولید هیدروکسید سدیم عامل اصلی در تأثیر زیست‌محیطی بتن ژئوپلیمری است، زیرا برای تولید سیلیکات سدیم نیز ضروری است. ترکیب انرژی مورد استفاده در تولید آن به طور قابل توجهی بر انتشار گازهای گلخانه‌ای تأثیر می‌گذارد، به طوری که ترکیبی در سال 2018 (85٪ برق آبی) در مقایسه با ترکیبی در سال 2012 (62٪ برق آبی) 30 تا 70 درصد اثرات را کاهش می‌دهد. منبع هیدروکسید سدیم نیز بر پایداری بتن ژئوپلیمری تأثیر می‌گذارد، به طوری که تولید مبتنی بر نمک خورشیدی و برق آبی، GWP آن را در مقایسه با بتن معمولی (CC) 64 درصد کاهش می‌دهد. با این حال، بتن ژئوپلیمری به دلیل انتشار CFC از فرآیند کلر-قلیا، پتانسیل تخریب لایه ازن بالاتری دارد، عیبی که در تولید CC وجود ندارد. سایر اثرات زیست‌محیطی متفاوت است، به طوری که بتن ژئوپلیمری در کاهش سوخت‌های فسیلی و اوتروفیکاسیون کمی از CC بهتر عمل می‌کند اما در اسیدی شدن و تشکیل اکسیدان‌های فتوشیمیایی کمی بدتر عمل می‌کند. 

 نیاز به استانداردها 
در ژوئن ۲۰۱۲، موسسه ای‌اس‌تی‌ام بین‌الملل سمپوزیومی در مورد سیستم‌های چسب ژئوپلیمری برگزار کرد. در مقدمه این سمپوزیوم آمده است: هنگامی که مشخصات عملکردی سیمان پرتلند نوشته شد، چسب‌های غیرپرتلندی رایج نبودند... چسب‌های جدید مانند ژئوپلیمرها به طور فزاینده‌ای مورد تحقیق قرار می‌گیرند، به عنوان محصولات ویژه به بازار عرضه می‌شوند و برای استفاده در بتن سازه‌ای مورد بررسی قرار می‌گیرند. این سمپوزیوم در نظر دارد فرصتی را برای ASTM فراهم کند تا بررسی کند که آیا استانداردهای سیمان موجود، از یک سو، چارچوبی مؤثر برای بررسی بیشتر چسب‌های ژئوپلیمری و از سوی دیگر، محافظت قابل اعتمادی را برای کاربران این مواد فراهم می‌کند یا خیر .

استانداردهای موجود سیمان پرتلند با سیمان‌های ژئوپلیمری سازگار نیستند؛ آنها باید توسط یک کمیته ویژه تدوین شوند. با این حال، برای انجام این کار نیاز به وجود سیمان‌های ژئوپلیمری استاندارد است. در حال حاضر، هر متخصص دستورالعمل خود را بر اساس مواد اولیه محلی (ضایعات، محصولات جانبی یا استخراج شده) ارائه می‌دهد. نیاز به انتخاب دسته مناسب سیمان ژئوپلیمری وجود دارد. وضعیت تحقیق و توسعه ژئوپلیمر در سال 2012، پیشنهاد کرد که دو دسته انتخاب شود، یعنی:

 سیمان ژئوپلیمری نوع ۲ بر پایه سرباره/خاکستر بادی: خاکستر بادی در کشورهای نوظهور عمده موجود است؛
 سیمان ژئوپلیمری مبتنی بر فروسیالات: این ماده اولیه غنی از آهن زمین‌شناسی در تمام کشورهای جهان وجود دارد.

همراه با معرف ژئوپلیمری مناسب و کاربرپسند.

 اثرات بهداشتی 
مشابه اثرات زیست‌محیطی، تولید بتن ژئوپلیمری پیامدهای قابل توجهی بر سلامت انسان دارد، که عمدتاً به دلیل استفاده از فعال‌کننده‌های قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) و سیلیکات سدیم (Na₂SiO₃) است. این مواد شیمیایی بسیار سوزاننده هستند و در صورت عدم استفاده صحیح می‌توانند باعث سوختگی شدید پوست، مشکلات تنفسی و آسیب چشمی شوند. علاوه بر این، تولید NaOH و Na₂SiO₃ به انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند و آلاینده‌های مرتبط با سمیت انسانی و تخریب لایه ازن را آزاد می‌کند. خاکستر بادی و دوده سیلیس که معمولاً در بتن ژئوپلیمری استفاده می‌شوند، در صورت عدم مدیریت صحیح، خطراتی را نیز ایجاد می‌کنند، زیرا ذرات ریز حاصل از این مواد می‌توانند به آلودگی گرد و غبار و بیماری‌های تنفسی کمک کنند. با این حال، بتن ژئوپلیمری همچنان می‌تواند با حذف محصولات جانبی صنعتی از محل‌های دفن زباله و کاهش انتشار خطرناک مرتبط با تولید سیمان سنتی، مزایای زیست‌محیطی و بهداشتی را فراهم کند. علاوه بر این، انتخاب پیش‌سازهای خاص و فعال‌کننده‌های قلیایی می‌تواند خطرات بهداشتی مرتبط با تولید بتن ژئوپلیمری را به حداقل برساند. 

 ژئوپلیمرها به عنوان سرامیک 
ژئوپلیمرها می‌توانند به عنوان یک مسیر کم‌هزینه و/یا از نظر شیمیایی انعطاف‌پذیر برای تولید سرامیک، هم برای تولید نمونه‌های یکپارچه و هم به عنوان فاز پیوسته (اتصال‌دهنده) در کامپوزیت‌ها با فازهای پراکنده ذره‌ای یا فیبری استفاده شوند. 

 مواد فرآوری شده در دمای اتاق 
ژئوپلیمرهای تولید شده در دمای اتاق معمولاً سخت، شکننده ، قابل ریخته‌گری و از نظر مکانیکی قوی هستند. این ترکیب ویژگی‌ها، امکان استفاده از آنها را در کاربردهای متنوعی که در آنها از سایر سرامیک‌ها (مانند پرسلن ) به طور مرسوم استفاده می‌شود، فراهم می‌کند. برخی از اولین کاربردهای ثبت شده مواد از نوع ژئوپلیمر - که در واقع چندین دهه قبل از ابداع اصطلاح ژئوپلیمر وجود داشته است - مربوط به استفاده در شمع‌های خودرو است. 

 فرآوری حرارتی ژئوپلیمرها برای تولید سرامیک 
همچنین می‌توان از ژئوپلیمرها به عنوان یک مسیر همه‌کاره برای تولید سرامیک‌های بلوری یا شیشه - سرامیک‌ها استفاده کرد، با تشکیل یک ژئوپلیمر از طریق تنظیم دمای اتاق و سپس حرارت دادن (کلسینه کردن) آن در دمای لازم برای تبدیل آن از فرم ژئوپلیمر با بی‌نظمی بلوری به فازهای بلوری مورد نظر (مانند لوسیت ، پولوسیت و سایر) .

 کاربردهای ژئوپلیمر در هنر و باستان‌شناسی 
از آنجا که مصنوعات ژئوپلیمری می‌توانند شبیه سنگ طبیعی به نظر برسند، چندین هنرمند شروع به ریخته‌گری در قالب‌های لاستیکی سیلیکونی برای کپی کردن مجسمه‌های خود کردند. به عنوان مثال، در دهه 1980، هنرمند فرانسوی ژرژ گریمال روی چندین فرمولاسیون سنگ ریخته‌گری ژئوپلیمری کار کرد. 

 سنگ‌های اهرام مصر 
در اواسط دهه 1980، جوزف دیویدوویتس اولین نتایج تحلیلی خود را که بر روی نمونه‌های جمع‌آوری‌شده از اهرام مصر انجام شده بود، ارائه داد. او ادعا کرد که مصریان باستان از یک واکنش ژئوپلیمری برای ساخت بلوک‌های سنگ آهک دوباره متراکم‌شده استفاده می‌کردند. بعدها، چندین دانشمند مواد و فیزیکدان این مطالعات باستان‌شناسی را به دست گرفتند و نتایجی را در مورد سنگ‌های هرم منتشر کردند و ادعای منشأ مصنوعی داشتند. W.M. Kriven, C. Leonelli, J.L. Provis, A.R. Boccaccini, C. Attwell, V.S. Ducman, C. Ferone, S. Rossignol, T. Luukkonen, J.S.J. van Deventer, J.V. Emiliano, J.E. Lombardi (2024), Why geopolymers and alkali-activated materials are key components of a sustainable world: A perspective contribution. Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/10.1111/jace.19828 W.M. Kriven, C. Leonelli, J.L. Provis, A.R. Boccaccini, C. Attwell, V.S. Ducman, C. Ferone, S. Rossignol, T. Luukkonen, J.S.J. van Deventer, J.V. Emiliano, J.E. Lombardi (2024), Why geopolymers and alkali-activated materials are key components of a sustainable world: A perspective contribution. Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/10.1111/jace.19828 با این حال، نظریه‌های منشأ مصنوعی سنگ‌های هرم نیز توسط سایر زمین‌شناسان، دانشمندان مواد و باستان‌شناسان به شدت مورد بحث قرار گرفته است. 

 سیمان‌های رومی 
همچنین ادعا شده است که سیمان‌های آهک-پوزولان رومی که در ساخت برخی از سازه‌های مهم، به ویژه کارهای مربوط به ذخیره آب (مخازن، قنات‌ها) استفاده می‌شدند، از نظر شیمیایی مشابه مواد ژئوپلیمری هستند. 

 جستارهای وابسته 

 پلیمر معدنی
 زئولیت
 خاکستر بادی
 سیمان پرتلند

 منابع 

رده:مواد سرامیک
رده:ترکیب‌های معدنی