综述：利用凝灰岩和珊瑚岩建造的建筑遗产保护：对地质聚合物配方、应用、兼容性和耐久性的系统性综述与文献计量分析 Kent Benedict Aleonar Salisid, Raul Lucero, Reymarvelos Oros, Mylah Villacorte-Tabelin, Theerayut Phengsaart, Shengguo Xue, Jiaqing Zeng, Ivy Corazon A. Mangaya-ay, Takahiko Arima 和 Carlito Baltazar Tabelin （另有3位作者）

《Minerals》：The Conservation of Architectural Heritage Structures Built with Tuff and Coral Rock: A Systematic Review and Bibliometric Analysis of Geopolymer Formulation, Application, Compatibility and Durability Kent Benedict Aleonar Salisid, Raul Lucero, Reymarvelos Oros, Mylah Villacorte-Tabelin, Theerayut Phengsaart, Shengguo Xue, Jiaqing Zeng, Ivy Corazon A. Mangaya-ay, Takahiko Arima and Carlito Baltazar Tabelin + 3 authors

　　摘要：保存由凝灰岩和珊瑚岩建造的考古遗产结构（AHS）面临着挑战，因为由于城市化、土地开发、采石场的枯竭以及反采矿和反采石立法，获取原始凝灰岩和珊瑚岩变得越来越困难且受到严重限制。为解决这一问题，一种新兴方法是通过地质聚合物化技术制造出与之兼容的“替代”岩石，这种工艺比使用传统的水泥和混凝土更加可持续和环保。为了探索地质聚合物在AHS保护策略中的潜力，我们遵循了系统评价和荟萃分析的优先报告条目（PRISMA）指南；共识别出103篇符合条件的文章，并将其分类为用于AHS的地质聚合物（34篇）、凝灰岩建造的AHS（60篇）和珊瑚岩建造的AHS（9篇）。AHS中的凝灰岩基材呈现出多种颜色（黄褐色、灰白色、红褐色、浅绿灰色和粉色），密度（1.0–2.5 g/m3）和抗压强度（3–100 MPa）。而AHS中的珊瑚岩基材则呈现白奶油色，具有粗孔结构（1–5 MPa）、细粒结构（8–15 MPa）和钙质砂岩结构（50–60 MPa）。在地质聚合物配方方面， meta-氧化铝被报道为最常用的主要前驱体或添加剂，同时NaOH和Na?SiO?被用作碱性活化剂。地质聚合物配方中使用的骨料取决于当地的可获得性，包括石英砂、河砂、碎石、碳酸盐岩石、火山岩、火山砂、凝灰岩、砖块、陶瓷瓦片和废弃物。美学、化学成分、物理属性和机械性能被认为是确保地质聚合物适用于AHS保护应用的关键标准。迄今为止，地质聚合物已作为修复砂浆、加固剂（如灌浆料和粘合剂）以及砌体增强材料用于AHS的保护。最后，基于加速老化测试（如盐雾、湿-干循环和冻融循环）和长期户外暴露实验，用于AHS保护的地质聚合物的耐久性与原始基材相当。

1. 引言
考古遗产结构（AHS）是利用天然石材建造的历史建筑、纪念碑和遗址，因其文化重要性和意义而受到保护[1]。许多AHS由相对柔软的岩石建造，这些岩石的有效孔隙率为20%–60%，体积密度为1.0–2.5 g/m3，抗压强度为3–30 MPa[2,3,4]。两种常用于AHS的天然岩石是凝灰岩（一种火山岩）和珊瑚岩（一种沉积岩），因为它们在当地易获取，足够柔软可以用古代工具加工，比木材更耐用，并且外观美观[5,6,7]。
然而，由凝灰岩和珊瑚岩建造的AHS存在一个严重且不可避免的问题，即它们容易风化，长期暴露在环境中会导致明显的材料损失和退化。例如，Seigesmund等人[8]报告称，墨西哥和亚美尼亚AHS中使用的凝灰岩表面出现剥落现象，这是由于粘土矿物在湿-干循环中膨胀和收缩，导致内部拉应力引起的岩石断裂和剥落。同样，?elik和Sert[9]将土耳其AHS中凝灰岩的退化归因于盐结晶作用，这种作用受到微孔（直径<0.1 μm）的大量存在促进，这些微孔成为盐晶快速生长的核化点。

相比之下，珊瑚岩容易受到水侵蚀和酸性物质的影响，空气中的二氧化碳会降低雨水的pH值至约5.8[10]，从而逐渐溶解石灰岩和珊瑚岩中的CaCO?。例如，Manohar等人[11]研究了印度Remeshwaram岛上Ramanathaswamy寺庙使用的珊瑚岩的退化机制，即使经过15次盐风化测试后也几乎没有质量损失，这归因于岩石的大孔径（约70%的孔径>0.5 μm）。然而，由于雨水渗透和风的影响，珊瑚岩也出现了可见的损坏。Urbina Leonor等人[12]使用三种人工雨水溶液（pH值分别为5.0（酸性）、6.2（中性）和5.2（中性））评估了墨西哥Veracruz港城市使用的珊瑚岩的退化情况，发现高降水量的情况下珊瑚岩的退化更为严重，无论其酸度如何。
为了保护风化和退化的凝灰岩和珊瑚岩建造的AHS，需要严格遵守规则以限制对原始结构和基材材料的损害。根据国际古迹遗址理事会（ICOMOS, 2003）的规定，用于AHS保护的材料必须在视觉和机械性能上与原始材料相似，以保持历史真实性并防止损坏。传统的AHS修复技术使用来自原始历史采石场的石材[13,14,15]。例如，Siedel等人[13]报告称，来自Rochlitz山的Rochlitz凝灰岩仍被用于德国的历史结构修复。Cárdenes等人[15]报告称，Arcuas地区的三个活跃采石场正在为加那利群岛和西班牙的遗产结构提供石材。
然而，近年来，城市化、土地开发、采石场的枯竭以及反采矿和反采石立法限制了获取原始AHS材料的途径。例如，墨西哥Aguascalientes的大教堂使用了名为Barranca凝灰岩的浅粉色凝灰岩建造，但由于历史采石场的枯竭，许多修复工作改用了Valladolid凝灰岩。同样，菲律宾Bohol岛上16至18世纪西班牙时期建造的珊瑚岩教堂和瞭望塔的保护也变得困难，因为整个岛屿被联合国教科文组织列为全球地质公园，禁止采石活动。

另一种解决方法是寻找具有与原始岩石基材相似性能的替代或替代理石，但这些替代石材来自其他采石场。替代理石在外观上与原始基材相似，但其形成时间不同，导致物理机械性能和风化行为不匹配。例如，Blows等人[17]报告称，目前无法获得的Caen石材（一种中侏罗世形成的细粒法国石灰岩，曾用于英国AHS大教堂的建筑材料）经常被Lepine石材（一种上侏罗世形成的白色英国石灰岩）替代。这两种石材都经过了盐风化测试，结果显示Lepine石材的耐久性较低（15次盐风化后质量损失14%），而Caen石材仅为4%。作者将Caen石材的更高耐久性归因于其较低的微晶方解石含量（50%），而Lepine石材为70%）。
P?ikryl和T?r?k[18]评估了捷克共和国Charles桥上引入的新石材的影响，该桥梁最初使用的是当地砂岩建造，但由于所有砂岩采石场的关闭而无法再使用。新石材的颜色、物理、机械和风化行为与原始基材不同，这可能加速了Charles桥的退化。作为对策，研究人员根据岩石物理和机械性能而不是仅仅依赖颜色、纹理和粒度等视觉特征来评估原始石材和替代石材的兼容性。Rozenbaum等人[19]也强调了基于美学、物理和机械性能选择替代石材的重要性。他们指出，Le Mans大教堂（11至15世纪）使用的Saint-Maximin石材与罗马尼亚石灰岩在成分（SiO?分别为12.5%和0%；CaCO?分别为87.4%和97.1%）、总孔隙率（38.0%和27.0%）和孔径大小（18 μm和8 μm）方面不兼容。与Garchy石材（来自巴黎南部，用于Orleans、Nevers和Bourges的大教堂，13世纪）及其在罗马尼亚中部的兼容替代石灰岩（SiO?分别为0%和1.7%；CaCO?分别为99.6%和97.5%；总孔隙率分别为19.7%和18.2%；孔径大小分别为1.3 μm和1 μm）相比，Saint-Maximin石材存在差异。Martínez-Martínez等人[3]遵循Rozenbaum[19]的建议，研究了莫雷利亚AHS中使用的其他替代凝灰岩，并基于岩石物理性质而非仅仅外观特征进行了兼容性测试。

在没有替代石材的情况下，AHS的保护工作历史上依赖于水泥基材料，如水泥和混凝土基材料，因为它们具有良好的机械性能和现场适用性。例如，20世纪50年代，混凝土曾用于匈牙利Eger城堡的早期修复[20]。然而，混凝土促进了盐渍现象的形成，导致原始石材基材严重退化。T?r?k等人[20]指出，用于密封Eger城堡凝灰岩墙的混凝土渗透性较低，不仅使更多雨水进入凝灰岩基材，还阻止了孔隙水的蒸发，从而加剧了盐渍现象。
为了提高兼容性，研究人员开发了“人工石材”，这是一种通过混合当地材料（如天然火山灰、碎石、当地土壤、沙子）与白水泥、超塑化剂和无机着色剂制成的混凝土，旨在模仿天然石材的物理和机械性能，包括颜色和纹理。例如，Stefanidou等人[21]开发了一种人工石材，用于修复希腊的三个AHS，分别是佩拉古市场（公元前5至4世纪）、Maronia古剧场（公元前4至3世纪）和罗德岛中世纪城市的Saint Nicolaos要塞（15世纪），这些遗址分别由泥灰岩、石灰岩/大理石和砂岩建造；结果表明，这种人工石材在纹理、颜色、孔径分布和抗压强度方面与天然石材兼容。同样，Menningen等人[22]开发了一种人工石材，模仿了亚美尼亚凝灰岩的外观和岩石物理性质，用于文化遗产修复，使用了水泥、碎石和着色剂。然而，人工石材的缺点是使用了普通的波特兰水泥（OPC），这是二氧化碳（CO?）排放的主要来源。

一种新兴的、更可持续和环保的替代方案是地质聚合物[23,24]。地质聚合物作为一种可持续的替代品，已被广泛用于减少碳排放，在最佳条件下提供高化学抗性和机械强度[25,26,27]，并再利用废弃物[28,29,30,31]。例如，Amar等人[32]发现地质聚合物混凝土在7天无约束抗压强度（UCS）方面达到44 MPa，而OPC混凝土为36 MPa；在硬化后期（28天），两者的UCS值分别为51 MPa和54 MPa。
最近，地质聚合物还被配制以模仿天然岩石的性能，这对这些材料在AHS保护中的成功应用至关重要。例如，Peltz等人[33]设计了一种合成砂岩，使用meta-氧化铝作为前驱体，石英砂作为骨料，实现了有效孔隙率（22.8%）和抗压强度（19.6 MPa），分别低于Berea砂岩（13.1%）和Flechtingen砂岩（5.8%和129 MPa）。Sim?o等人[34]利用大理石切割废弃物（80 wt%）和火山岩（20 wt%）作为meta-氧化铝的替代品，分别实现了49.5%和53.6%的开放孔隙率，以及28 MPa和14 MPa的抗压强度。Khater等人[35]通过水压技术制备了含渣-meta-氧化铝-花岗岩复合材料（比例分别为12.5 wt%–12.5 wt%–75 wt%），在30 MPa、50 MPa和70 MPa压力下压制，获得了20.9 MPa、35.8 MPa和13.3 MPa的抗压强度。
为了详细研究应用于AHS保护策略的地质聚合物配方和性能，我们采用了一种系统的方法来回顾相关文献。尽管已经发表了许多关于石质遗产保护的综述论文，但大多数并未关注地质聚合物的应用[36,37]。少数包含地质聚合物的综述仅限于将其作为涂层砂浆的功能化应用[23]和历史结构的加固[24]。这些先前的综述论文没有涉及地质聚合物与AHS原始基材在美学、化学成分、物理属性和机械性能方面的兼容性标准。此外，应用于AHS保护的地质聚合物的耐久性尚未得到详细研究。本工作解决了关于地质聚合物在古建筑遗产（AHS）保护应用中的知识空白，研究问题如下：
1. AHSs中原始凝灰岩和珊瑚岩基底的物理和机械性能是什么？
2. 2013年至2024年间，开发并应用于凝灰岩和珊瑚岩建造的AHSs的地质聚合物配方有哪些？
3. 选择用于保护凝灰岩和珊瑚岩建造的AHSs的地质聚合物时，使用了哪些兼容性标准以及测量了哪些性能指标？
4. 如何对地质聚合物进行表征、评估和应用于凝灰岩和珊瑚岩建造的AHSs的保护中？

2. 方法论回顾
2.1. 检索与识别
本文遵循《系统评价和荟萃分析优先报告项》（PRISMA）指南[38]以及Andrews[39]推荐的协议，对使用地质聚合物建造的遗产结构进行了回顾。在检索之前，该协议已在Open Science Framework（OSF）中预注册，注册DOI为10.17605/OSF.IO/RQMJU。检索范围包括文章标题、摘要和关键词，使用搜索字符串“geopolymer” OR (“coral” AND “rock”) OR “tuff” AND “heritage”，出版日期限定在2013–2024年，数据来自Scopus和Web of Science（WoS）数据库，并于2025年8月提取。共检索到487篇文献，其中Scopus227篇，WoS260篇，去除重复项后剩余368篇。同时，还使用Google Scholar作为补充数据库，使用相同的搜索字符串，发现了10篇文章。检索、筛选和文章检索工作在2025年6月至7月期间完成。

2.2. 筛选和纳入标准
图1展示了筛选过程，根据标题、摘要、亮点和关键词排除了不涉及凝灰岩、珊瑚岩或地质聚合物的文章，共剔除249篇，剩下119篇符合纳入标准。根据评估标准，会议论文（13篇）、无法访问的文章（2篇）和非英文研究（1篇）被排除。还对全文进行了评估[40]，排除了不关注地质聚合物用于AHS保护的文章（9篇）。PRISMA指南允许纳入使用其他方法的文章；因此，根据相同的筛选标准通过Google Scholar又增加了10篇文章，最终共有103篇文章被分类为凝灰岩建造的遗产、珊瑚岩建造的遗产以及应用于AHSs的地质聚合物（图2）。由于本回顾重点关注地质聚合物在AHS保护中的应用，因此分析并总结了34篇包含实验数据的论文，其余69篇关于凝灰岩和珊瑚岩建造的AHSs的文章也因提供了关于原始基底特征和性质、评估协议及原始基底劣化程度的有用信息而被纳入。这34篇地质聚合物论文进一步根据使用的前体材料进行细分：偏高岭土（12篇）、粉煤灰（4篇）、矿渣（4篇）、火山灰（5篇）、陶瓷废弃物（4篇）、凝灰岩废弃物（1篇）、浮石（1篇）、硅灰（1篇）、本地粘土（1篇）和矿山废弃物（1篇）。

2.3. 回顾限制
本次回顾仅关注地质聚合物的配方，包括其兼容性和在凝灰岩和珊瑚岩建造的AHSs中的应用。此外，地质聚合物配方的讨论限于前体材料类型、碱激活剂、外加剂、骨料以及28天抗压强度（除非另有说明）。材料兼容性的讨论主要集中在美学质量以及化学、物理和机械性能作为选择标准。美学质量包括颜色、纹理和泛碱现象；化学性能关注微观结构和基底离子的释放；物理性能包括开口孔隙率、吸水性、毛细性和体积密度；机械性能则主要集中在粘附性、表面硬度、压实性能以及抗压、抗拉和抗弯强度等关键因素。地质聚合物在AHSs中的应用限于最常见的干预类型，如修补砂浆、加固剂和砌体增强。同时，还回顾了地质聚合物的长期行为，但仅限于加速试验和长期稳定性测试。

3. 建筑遗产结构原始凝灰岩和珊瑚岩基底的物理和机械性能
3.1. 凝灰岩建造的建筑遗产结构
凝灰岩是由火山喷发时产生的高温高压作用下的火山碎屑物质（如灰烬、岩石和晶体）经过自然胶结形成的岩石。表1列出了不同国家的凝灰岩建造的AHSs及其相应的颜色和物理机械性能。
总体而言，凝灰岩的颜色、纹理和物理机械性能因地理位置而异[2]。在欧洲，意大利、匈牙利、西班牙、荷兰、斯洛伐克和德国都有凝灰岩建造的AHSs（图3）。例如，在意大利，13至16世纪期间使用Neopolitan Yellow凝灰岩（一种黄褐色、轻质、低强度的岩石，体积密度和抗压强度分别为1.0–1.3 g/m3和3–6 MPa）建造了Ovo城堡、St. Elmo城堡、St. Domenico Maggiore大教堂和St. Chiara教堂[4]。同样在匈牙利，13至19世纪期间使用灰奶油色至红棕色的凝灰岩（体积密度1.6–1.8 g/cm3，抗压强度7–26 MPa）建造了Sirok城堡、Eger大教堂和奥斯曼宣礼塔[5]。这种凝灰岩的强度与荷兰大教堂和历史建筑中使用的灰棕色凝灰岩相当，抗压强度范围为13至29 MPa[6,7]。在德国Rochlitz，使用了颜色较深的红棕色凝灰岩（外观类似于烧制粘土砖），建造了Mittweida的St. Maria教堂、Wechselburg的Collegiate教堂和Van Lausick的St. Kilian教堂，这些建筑建于12至15世纪[13]。文献中还报道了两种强度较高的凝灰岩，抗压强度在50至100 MPa之间：一种用于斯洛伐克M?snje的考古遗址（16至19世纪；淡绿灰色岩石）[14]；另一种来自西班牙加那利群岛的Arucas石（主要呈灰色，带有黄色、蓝色和红色），用于建造San Juan Bautista教堂[15,41]。

3.2. 珊瑚岩建造的建筑遗产结构
另一种广泛用于AHSs的岩石是珊瑚岩，也称为“珊瑚石”或“珊瑚礁石灰岩”。珊瑚岩是一种白色至奶油白色的石灰岩，由古代海洋中的珊瑚礁形成，其外观类似于珊瑚。它们由称为珊瑚虫的多细胞生物通过吸收海洋生态系统中的大量钙（Ca2+）和碳酸盐（CO32?）离子缓慢形成厚实的钙质外壳。当这些珊瑚虫死亡后，它们的硬外壳（由碳酸钙CaCO3组成）被留下，并在数百万年间被埋藏、胶结和压实，最终形成珊瑚岩[11]。Meng等人[61]根据颗粒大小将非多孔珊瑚岩分为四类：巨石型、框架型、砾石型和石灰岩型。这种珊瑚岩颗粒大小的差异可归因于数百万年间白云石化、胶结、侵蚀和溶解过程的影响。例如，用于建造拉玛纳塔斯瓦米神庙（印度）的方解石珊瑚岩石的体积密度为2.21克/立方厘米，抗压强度为50-60兆帕[11]。当珊瑚岩石具有类似珊瑚礁的外观并且可见孔隙结构时，它们可以被分类为粗孔型和细孔型，分别具有环状和线状的孔隙排列（图7）。例如，Xu等人[62]使用偏振显微镜估计粗孔珊瑚岩石的孔径为0.5-1毫米，细孔珊瑚岩石的孔径为100-200微米。Wei等人[63]还指出，粗孔珊瑚岩石的抗压强度（1.6-4.7兆帕）低于细孔珊瑚岩石（7.6-15.1兆帕）。一些粗孔珊瑚岩石的例子包括马耳他的巨石建筑、沙特阿拉伯吉达的历史房屋、伊朗克尔姆岛的历史圆顶建筑以及墨西哥韦拉克鲁斯市的韦拉克鲁斯港。相比之下，细孔珊瑚岩石被用于马尔代夫的清真寺、肯尼亚的历史遗迹、坦桑尼亚的历史房屋以及菲律宾各个岛屿和沿海地区的巴洛克教堂、政府建筑和瞭望塔。表2总结了来自马尔代夫、菲律宾、印度、墨西哥、沙特阿拉伯、伊朗和坦桑尼亚的一些用珊瑚岩石建造的AHS（建筑历史结构）。

像凝灰岩一样，珊瑚岩石也有多种形式。图7展示了具有明显孔隙结构的不同类型的珊瑚岩石：(a)粗孔珊瑚岩石和细孔珊瑚岩石[63]，(b)用于墨西哥韦拉克鲁斯港的珊瑚岩石，(c)墨西哥韦拉克鲁斯港的一个5厘米立方体的粗孔珊瑚岩石样本[12]，(d)菲律宾博霍尔的马里博霍克瞭望塔，以及(e)马里博霍克瞭望塔的一个2厘米立方体的细孔珊瑚岩石样本。图(d,e)中的照片由作者提供。表2列出了使用珊瑚岩石建造的一些著名AHS。图8展示了部分用凝灰岩和珊瑚岩石建造的AHS的位置，表明大多数用凝灰岩建造的AHS位于火山附近的地区，如日本、中国、菲律宾和韩国，这些地区都在环太平洋火山带内。此外，根据地理位置的不同，凝灰岩的颜色也有所不同：南美洲（墨西哥和洪都拉斯）的凝灰岩颜色较浅，欧洲（如土耳其）的凝灰岩颜色为灰色至深色，而亚洲国家的凝灰岩则呈现中间色调（灰色）至浅色。相比之下，用珊瑚岩石建造的AHS主要分布在热带国家的沿海地区（如港口或岛屿），并且可以根据其物理性质进一步分类；细孔珊瑚岩石常见于菲律宾、肯尼亚和马尔代夫的AHS中，粗孔珊瑚岩石则常见于墨西哥（南美洲）、吉达（中东）和马耳他的AHS中，而无孔珊瑚岩石（如方解石珊瑚岩石）则常见于印度。

4. 地聚合物在建筑遗产结构保护中的应用
4.1. 地聚合物在建筑遗产结构保护方面的出版趋势
图9显示了34篇关于用于遗产保护的地聚合物的研究文章的趋势。对文化遗产中的地聚合物的研究始于2016年，即联合国可持续发展目标（UN-SDGs）获得批准后的那一年，最初的重点是开发使用偏高岭土作为前驱材料的可持续修复砂浆。2017年，有报道提到添加了树脂、矿山废物和纤维的地聚合物复合材料，但在接下来的一年（2018年）没有发现关于遗产保护的地聚合物的相关出版物。2019年，发表的文章主要关注破碎古瓷砖的修复，而2020年则是火山碎屑沉积物作为地聚合物前驱材料的使用以及废弃印刷电路板的再利用迅速增加。2021年，引入了废砖和废石作为前驱材料和骨料及矿物添加剂，以提高地聚合物砂浆的抗压强度。2022年，评估了用瓷器和瓷砖废物部分替代传统偏高岭土的可能性，同时使用了硅灰作为历史砌体的替代石灰基砂浆，并在基于偏高岭土的地聚合物中添加了有机添加剂（聚醋酸乙烯酯（PVA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。2023年，利用凝灰岩和砖废物作为前驱材料和骨料来开发地聚合物，使其具有与原始石材相似的特性；2024年，发现瓷砖废物由于其相似的色泽而适合用作历史砖砌体的修复砂浆。

4.2. 积极参与的国家、期刊和机构
表3列出了在遗产保护地聚合物研究方面活跃的国家。意大利的频率最高，占56%，其次是葡萄牙（12%）、捷克共和国（12%）和土耳其（6%）。

4.3. 积极的作者
表4总结了2013年至2024年间最活跃的作者，其中Roberta Occhipinti的贡献最大（10.5%），她发表了四篇关于使用火山碎屑（如浮石、火山灰、火山土壤）开发地聚合物的文章。其次是Fugazzotto（7.9%），他发表了三篇关于利用陶瓷瓷砖废物开发地聚合物的文章；Perná（7.9%）则专注于开发基于偏高岭土的地聚合物。其他值得注意的作者包括Ricciotti（利用陶瓷瓷砖废物并添加有机添加剂）、Finocchiaro（使用火山碎屑材料，包括火山灰和土壤，并添加钾激活剂）和Montinho（专注于使用基于偏高岭土的地聚合物修复破碎的古陶瓷外墙）。

4.4. 定义和形成机制
地聚合物由于其低碳排放、高化学抗性以及良好的热性能和机械性能，被广泛认为是环保的替代性水泥材料[71,72]。这种替代材料是通过将地质（如偏高岭土、粘土或火山灰）或工业副产品/废物（如煤灰、棕榈油燃料灰、硅灰、矿渣和含有铝硅酸盐相的废弃物）与碱金属氢氧化物（如NaOH、KOH和石灰）及硅酸盐溶液（如Na2SiO3和K2SiO3）作为“前驱剂”混合而成，通过这些物质形成非晶态至半 crystalline 结构，其中硅和铝以四面体配位方式共价结合到氧上，类似于沸石材料的3D排列，但同时存在间隙水和多孔结构[28,29,31]。图11展示了地聚合物化的简化示意图，该过程包括三个步骤：(i) 溶解，(ii)缩合，和 (iii)硬化。溶解步骤是在碱性条件下将前驱材料的铝硅酸盐键断裂成铝酸盐和硅酸盐物种，随后碱离子（Na+、K+ 和 Ca2+）中和铝和硅单体的负电荷。接下来是缩合或聚合过程，形成由硅氧基键（Si-O-Al）和硅氧基键（Si-O-Si）组成的地聚合物基质，并进一步聚合形成多硅氧基键（-Si-O-Al-O-）、多（硅氧基-硅氧基）（-Si-O-Al-O-Si-O-）、铁硅氧基（-Fe-Si-O-Al-O-）和铝磷基（-Al-O-P-O）键[23,24]。最终，基质硬化形成类似沸石和水体的非晶态至半结晶3D凝胶结构[25,26,31]。

4.5. 基于偏高岭土的地聚合物
偏高岭土（MK）是通过在700至800°C的温度下煅烧高岭石2-4小时制备的，是最常用的地聚合物前驱材料，其化学成分通常为50%-67% SiO2、31%-42% Al2O3、0.3%-2% Fe2O3、0.3%-1.3% K2O + Na2O、0.2%-1.0% CaO + MgO 和 0.2%-2.2% TiO2，SiO2/Al2O3比例约为1-2。表5总结了34项研究中27项使用偏高岭土作为前驱材料的情况；其中12篇论文将其作为主要前驱材料，其余15篇将其作为掺合料。例如，Allali等人[73]开发了一种MK砂浆，用它替代Morocco传统石灰和水泥基砂浆中的CaCO3和Ca(OH)2，以防止盐析并提高柔韧性。该MK砂浆使用硅酸钠和氢氧化钠作为活化剂，在添加含石英、白云石和云母的方解石砂后，7天的抗压强度达到77兆帕。这种方法在Morocco具有经济优势，因为MK比熟石灰（Ca(OH)2更便宜且更易于获取。同样，Clausi等人[74]使用白云石和砂岩作为骨料开发了MK砂浆，其中白云石和砂岩的粒径小于0.5毫米。这些作者制备的密度为2.7和3.0克/立方厘米的地聚合物的抗压强度分别为18和21兆帕。这些白云石和砂岩地聚合物在结合剂/骨料比为1、液固比为0.4时与原始石材相似，可用于替代自然白云石和砂岩进行修复。

4.6. 基于粉煤灰的地聚合物
粉煤灰（FA）是燃煤发电厂和生物质（如木材、甘蔗渣、稻壳、茶叶粉尘和椰壳）、棕榈油工业、市政垃圾焚烧厂和热电厂产生的工业废弃物[28,29,30,85,86]；由于其火山灰性质，它被广泛用作OPC的部分替代品，用于更环保的建筑材料。最近，由于粉煤灰具有高表面积和高铝及非晶硅酸盐含量，它成为了地聚合物的流行前驱材料[87]（表6）。表6总结了用于地聚合物的粉煤灰的化学和矿物组成。表7列出了五项使用粉煤灰的研究，其中四项将其作为主要前驱材料。先前的研究表明，粉煤灰通常与其他前驱材料（如MK和矿渣）混合使用，以增加最终地聚合物的抗压强度。例如，Kakria等人[88]将非金属成分（NMF）重新利用——这种成分是分离印刷电路板（PCBs）中金属和非金属组分的副产品——通过分类获得，并使用85 wt%的FA和15 wt%的NMF混合物，在28天内的抗压强度达到了27-29 MPa，而使用55 wt%的FA、30 wt%的MK和15 wt%的NMF并在粘合剂/骨料比为0.33时，抗压强度为33-35 MPa。同样，Dollente等人[89]使用FA与硅灰、纤维和细骨料混合作为未加固的历史砌体的修复砂浆，从而提高了其抗拉强度并增强了其抗震性能。在这项先前的研究中使用的五种不同类型的纤维（即聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯（PP）、不锈钢（STSL）、切碎的玄武岩（CB）和碳纤维（CFs）中，PVA使抗拉强度提高了2.2 MPa（相比未添加纤维时为1.6 MPa），同时抗压强度保持在约12 MPa。Longo等人[92]也报道了历史砌体的修复工作，他们使用FA与5%的MK和膨胀玻璃骨料作为无机基体，制备了一种纤维增强水泥基材料（FRCM），这种复合材料由纤维网和砂浆基体组成，用于历史砌体的加固。这种复合材料的抗压强度为6.0 MPa，密度为1.03 g/cm3，其导热系数为0.9 W/m?2K?1，低于传统天然水硬石灰（NHL）基体的1.1 W/m?2K?1。使用FA的优势包括其资源化利用、火山灰性质以及最初呈水泥灰色的特点，这些都非常适合作为修复材料；因此，它常被用作水泥的部分替代品。然而，为了达到所需的强度，需要添加外加剂并仔细调整活化剂的浓度。表7展示了基于粉煤灰的地聚合物配方及其抗压强度。

4.7. 基于矿渣的地聚合物
矿渣是钢铁工业的副产品，产生于通过添加还原剂和造渣剂（如焦炭和石灰石）来去除铁矿石中的杂质的过程。目前它被用作波特兰水泥的替代品，用于开发可持续建筑材料，这些材料通常含有32.5%-35.7%的SiO2、9.94%-11.6%的Al2O3、32.4%-42.1%的CaO和7%-9.3%的MgO。表8总结了四项使用矿渣作为主要前体的研究，以及一项将其作为外加剂的文章。例如，Taburini等人[94]通过将矿渣与其他前体（如MK、 wollastonite和沙子）混合，开发出一种耐用的修复砂浆，用于加固古建筑，28天内的抗压强度达到了34.5 MPa，其中MK/矿渣/骨料的比例为1/2/3.5，骨料中63%为沙子，37%为wollastonite纤维（成分分别为SiO2 = 46.5%、Al2O3 = 0.96%、CaO = 42.1%、Na2O = 0.15%、K2O = 0.47%、MgO = 7.23%）。类似地，Maras等人[95]在含有5 wt%生石灰（Ca(OH)2）和砖粉（0-2 mm）的矿渣混合物中加入了8 M NaOH，制备出用于土耳其文化遗产结构修复的砂浆，28天内的抗压强度达到了33 MPa。Gupta等人[96]还报道了显著的结果，他们利用彩色石材加工废弃物和矿渣按1:1的比例混合并经过水力压制，生产出彩色地聚合物，抗压强度范围为15-25 MPa。Kutlusoy等人[97]使用了与Maras等人[95]相似的前体材料，但增加了48%的生石灰，并添加了硅酸钠和沙子作为接缝砂浆，用于文化遗产砌体的修复，28天内的抗压强度达到了30.6 MPa。这些结果表明，富含石灰（CaO）的基于矿渣的地聚合物表现出更好的机械性能，在地聚合物化后抗压强度至少达到30 MPa，这可能是由于形成了致密的钙铝硅酸盐水合物（CASH）和钙硅酸盐水合物（CSH），类似于硬化后的波特兰水泥中的成分。矿渣是从钢铁行业的高炉中收集的废弃物，由于其类似水泥的特性，可以用于修复：它容易水化并提供相对较高的抗压强度。表8展示了用于文化遗产保护的基于矿渣的地聚合物配方及其抗压强度。

4.8. 基于火山碎屑材料的地聚合物
表9列出了五项利用火山灰（VA）作为前体进行地聚合物化的研究，这些火山灰来自2013年意大利埃特纳山东侧村庄的一次火山爆发。这种材料由无定形相组成，主要包含火山玻璃（>60 wt%）以及斜长石（(Ca,Na)Al2Si2O8）、普通辉石（Ca(Mg,Fe)Si2O6）、橄榄石（Mg2(SiO4)）和Fe/Ti氧化物，其中石灰（CaO）含量为10.5，Si/Al > 2。例如，Finocchiaro等人[98]通过将VA与20 wt%的MK和钾基活化剂（硅酸钠和氢氧化钾）混合，获得了21天内的抗压强度为71 MPa；而使用钠基活化剂（硅酸钠和氢氧化钠）时，抗压强度为51 MPa。Occhipinti等人[99]仅使用VA和20 wt%的MK以及钠活化剂时，28天内的抗压强度为45 MPa，加入VA骨料（0.075-2 mm）后抗压强度降至39 MPa。Finocchiaro等人[100]使用含80 wt% VA和20 wt% MK的钠活化剂时，28天内的抗压强度为25 MPa，加入2%生石灰后抗压强度提高到34 MPa。

另一种富含铝硅酸盐的地质材料——火山土壤，也适用于地聚合物应用。火山土壤（VSs）是由火山碎屑材料（如熔岩、灰烬和岩石）风化以及有机物的积累形成的[101,102]。表9列出了四项使用从埃特纳山西坡采石场收集的火山古土壤（Ghiara）作为前体的研究，这种土壤呈黄红色调，无定形，含有斜长石、橄榄石、赤铁矿、刚玉和磁铁矿等相，Si/Al > 2，并被重新用作埃特纳山地区历史建筑的修复材料。例如，Finocchiaro等人[98]通过将20 wt%的MK加入K溶液中，获得了21天内的抗压强度为89 MPa；而使用Na溶液时抗压强度为51 MPa。Occhipinti等人[99,103]仅使用Na溶液时，28天内的抗压强度为25 MPa，但加入火山古土壤骨料后抗压强度降至21 MPa。

同时，Occhipinti等人[104,105]使用了来自西西里岛埃奥利安岛的富含硅的火山土壤，这种土壤在硅酸盐熔岩快速冷却时释放气体形成可见的气孔。这种火山岩石呈淡灰色，高度无定形，含有刚玉和斜长石相，SiO2含量高（70%），SiO2/Al2O3 > 5。它被用作西西里巴洛克建筑中建筑材料的修复前体，这些建筑最初是由西西里石灰石建造的。在这项研究中开发的基于浮石的砂浆在添加30 wt%的MK并使用硅酸钠（Na2SiO3）/氢氧化钠（NaOH）比例为1.19、液固比（L/S）为0.61的情况下，28天内的抗压强度达到了12.7 MPa，其抗压强度与西西里石灰石相当（后者抗压强度范围为0.5-20 MPa）；根据Deere–Miller图，这种地聚合物的模量比更低，作者是认为这种材料是理想的修复材料，因为它比原始材料更柔软，可以避免应力诱导。表9列出了用于文化遗产保护的基于火山碎屑材料的地聚合物配方及其抗压强度。

4.9. 基于陶瓷废料的地聚合物
表10总结了五项使用陶瓷废料作为前体生产地聚合物的研究。这些废料的化学和矿物成分与MK相似，因此具有作为MK替代品的潜力。陶瓷废料通常含有57%的SiO2、33%的Al2O3、3.5%的Fe2O3、1.4%的K2O、0.8%的Na2O和0.8%的CaO，主要矿物成分包括石英（SiO2）、云母（KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2）、长石（K,N,Ca)(Al,Si)4O8和赤铁矿（Fe2O3）[106]。几种陶瓷废料，如瓷石制品、原始压制的瓷砖和砖块或混合陶瓷废料，与MK结合用于地聚合物应用。例如，Ricciotti等人[107]使用来自意大利维琴察的瓷石制品和陶瓷瓷砖废料，在750 °C下烧结5小时后与MK混合，获得了41 MPa的抗压强度；瓷废料的抗压强度为30 MPa，混合陶瓷废料的抗压强度为38 MPa。这些作者进行了初步的研究，发现这种浆料具有良好的可操作性，易于在凝灰岩基材上涂抹。值得注意的是，通过添加水基颜料可以轻松生产出彩色产品，从而得到各种颜色的MK地聚合物。Fugazzotto等人[108,109,110]使用瓷砖废料开发了一种棕红色的地聚合物产品。例如，Fugazzotto[108]将瓷砖废料与MK和少量水硬石灰混合，室温下固化后的抗压强度为14.3 MPa；而在65 °C下固化24小时后抗压强度降至9.79 MPa，这可能是由于结晶抑制了凝胶的形成，降低了其密实度和耐久性，同时也表明有效孔隙率增加了，这在实际应用中是一个有希望的结果。因此，在他们的最新案例研究中，这些作者开发了一种现场应用的修复砂浆，用于卡塔尼亚罗马Odéon的破损砖砌体，因为其颜色与砖块相似。测试砂浆使用了（i）瓷砖废料或（ii）砖块废料与MK和石灰混合，并根据现场可用性、颜色和细度添加了碳酸盐沙、火山骨料和大理石粉等骨料。应用后，砂浆在7天和28天内均表现出良好的附着力，几乎没有泛碱现象，收缩率低，裂纹不明显；与瓷砖废料配方相比，砖块废料配方的效果更接近原始材料。然而，由于在修复过程中干预材料仍需可识别，因此这种做法在伦理上存在争议。Fugazzotto [110]的另一种配方中评估了多种骨料，包括碳酸盐沙和硅沙以及瓷砖废料，其中使用碳酸盐沙作为骨料并混合20 wt%的MK时，抗压强度最高达到了32 MPa。此外，Capasso [111]使用砖块废料与20 wt%的粉煤灰（FA）混合，获得了13.4 MPa的抗压强度，这种砂浆可作为传统修复材料（如石灰砂浆、OPC砂浆、碎砖、砂和天然石灰）的替代品。

4.10. 用其他材料配制的地聚合物
表11列出了一项使用来自天然石材加工行业的凝灰岩废料作为前体的研究。Capasso [111]将尼奥波利斯黄凝灰岩和维泰博红凝灰岩的混合物重新用作意大利文化遗产结构的修复材料，并分别添加了10%和20%的FA，抗压强度分别为1.48 MPa和1.34 MPa。Baltazar [112]开发了一种基于硅灰（SF）的地聚合物，作为传统天然水硬石灰（NHL）的替代品，通过添加超塑剂提高其流动性，抗压强度为10-12 MPa，略低于未添加时的15 MPa。表9还总结了一项由Beghoura [113]进行的研究，该研究提出将钨矿尾矿重新用作葡萄牙的历史修复材料。砂浆通过混合矿渣、玻璃、MK和波特兰水泥以及膨胀软木，并用硅酸钠（Na2SiO3）和氢氧化钠（NaOH）活化，28天后的最大抗压强度为19.5 MPa。铝粉和过氧化氢作为发泡剂的应用分别使体积增加了358%和141%，从而提供了一种轻质的修复材料。同时，Rescic等人[114]使用了混合了碱性活化剂氢氧化钾和硅酸钾的Santena粘土来稳定砂浆，用于建筑遗产中的土基砂浆；这种混合物经过了多种耐久性测试，如温湿度循环测试（一种加速老化测试，用于评估由于膨胀引起的耐久性）和在气候室中的收缩测试（首先在50°C和30%相对湿度下加热6小时，然后在20°C和90%相对湿度下冷却6小时，重复50次）。结果显示，稳定化砂浆的重量损失可以忽略不计，为0.30%，与未经稳定的原始砂浆相同，为0.29%，表明稳定化材料的耐久性没有显著影响。

在使用地质聚合物进行建筑遗产结构保护时，兼容性标准至关重要。根据国际古迹遗址理事会（ICOMOS, 2003）的规定，修复（新）材料与现有（旧）材料之间不应产生明显的负面影响，尤其是在技术（化学和机械）、美学以及历史（物理）方面。此外，意大利文化遗产与活动部（Ministero per i beni e le attività culturali, Rome）于2004年发布的第42号法令《文化遗产与景观法》将修复定义为“通过一系列操作直接干预财产，旨在保持财产的完整性、恢复财产本身并保护及传递其文化价值”，这包括对地震风险财产的结构性升级[115]。在菲律宾，2009年的《国家文化遗产法》（Republic Act No. 10,066）将修复定义为“采取的行动或技术干预，以纠正退化和改变”[116]。本节概述了用于遗产结构修复和保护的地质聚合物的兼容性标准，这些标准分为（i）美学兼容性、（ii）化学兼容性、（iii）物理兼容性和（iv）机械兼容性。

5.1. 美学兼容性
美学兼容性标准关注结构的视觉外观，主要通过肉眼观察，以确定修复材料与原始材料在颜色、泛碱形成和纹理方面的相似性。

5.1.1. 颜色
为了在使用地质聚合物时保持原始材料的美学外观，会进行色度分析来评估地质聚合物与原始材料的相似性。色度分析使用直径约6毫米的分光光度计，在材料的不同区域至少测量六次，并以CIELab（由国际照明委员会于1976年开发的一种描述肉眼可见颜色的颜色坐标空间）来报告结果。CIELab提供了三个色彩坐标——L*、a*和b*，以确定颜色差异（ΔE），遵循公式（1），其中L*表示亮度，范围从0（完全吸收或黑色）到+100（白色），而a*和b*分别表示绿色/红色和蓝色/黄色，范围均在-60到60之间。ΔE值表示两个物体之间的颜色相似度，ΔE = 3被认为是可感知的极限；即ΔE > 3表示肉眼可以明显识别的颜色差异[105,112]。
表12列出了最近研究中报告的用于评估颜色差异的色度分析结果。例如，Clausi等人[74]测量了原始石材（如砂岩和白云石）与基于meta瓷土的地质聚合物粘结剂以及装饰性石料骨料（同样为砂岩和白云石）之间的色差，白云石和砂岩的ΔE值分别为5和11。作者将高值归因于砂岩亮度的变化，ΔL = ?10，导致其色调比天然砂岩更苍白，从而在修复后仍能保持相似但可识别的颜色差异。同样，Fugazzotto等人[110]制备了基于陶瓷 tiles 的地质聚合物，并添加了碳酸盐沙、硅质沙或瓷砖废料作为骨料。用于公元前二至三世纪古城Zancle-Messana的Messana砖的地质聚合物，使用瓷砖骨料时ΔE最低为6（含10 wt% MK），而使用硅质沙和20 wt% MK时ΔE最高为21。而对于Gela砖的地质聚合物（复刻古代砖块），ΔE最低为6.5（含10 wt% MK + 硅质沙）和13（含10 wt% MK + 瓷砖废料），这是由于骨料类型的不同所致。此外，Fugazzotto等人[109]对罗马Odéon剧院（公元二世纪）的砖墙进行了现场应用研究，使用基于瓷砖废料和砖块废料的地质聚合物作为修复砂浆，经过三个月的监测后虽然没有测量到颜色差异（ΔE），但总体视觉比较显示使用砖块废料地质聚合物的砖墙与使用瓷砖废料地质聚合物的砖墙在颜色上没有区别。

一些研究还进行了色度分析，以获得每种配方的不同拟颜色，因为原始浮石呈白色，可以轻松调整以匹配联合国教科文组织列入名单的西西里巴洛克城市的西西里石灰石的颜色。例如，Occhipinti等人[105]评估了每种基于浮石的地质聚合物砂浆配方的拟颜色，得到了最佳的ΔE值1.3（含20% MK）和3.2（含30% MK），与原始浮石相比，突显了前体对最终颜色的显著影响。类似地，Fugazzotto等人[110]评估了含有不同类型骨料（如碳酸盐沙和陶瓷 tiles）的配方的拟颜色，与原始陶瓷瓷砖废料相比，他们报告了ΔE值为1.5（含20 wt% MK和较高Na2SiO3/NaOH比率2.3），表明混合物中高含量的Na2SiO3对最终颜色有显著影响。Fugazzotto等人[110]的结果与Occhipinti[105]的结果一致，他们发现Na2SiO3/NaOH比率从0.33增加到2.67时，ΔE值分别从6.4降低到2.3，导致黄色成分增加。Rescic等人[112]评估了用于稳定土基文化遗产的原始粘土与地质聚合物砂浆之间的颜色差异，ΔE值为11.1（明显的变暗，负ΔL），但在经过温湿度循环处理后，ΔE降低到2.09。

此外，还进行了色度分析以确定地质聚合物在环境因素作用下的颜色变化。例如，Occhipinti等人[99]评估了VA型和VS型地质聚合物在室外暴露6个月后的颜色变化，发现VA型地质聚合物的颜色变化不大（ΔE = 1.9–2.5），而VS型地质聚合物的颜色变化明显（ΔE = 6.2–7.1）。同样，Rescic等人[112]将Santena粘土材料与K2SiO3和KOH混合以稳定材料，在经过温湿度循环测试后，ΔE为2.09。

一些作者还开发了彩色地质聚合物，通过各种方法达到所需的产品颜色。例如，Perná等人[82]在捷克共和国的教堂翻新过程中使用无机颜料进行了现场应用，以匹配陶瓷瓷砖的原始颜色。同样，Angelo等人[77]使用有机染料（如溴百里酚蓝、酚酞、甲酚红、甲基橙）制备了蓝色、紫色、紫色和棕色的地质聚合物。Gupta等人[96]通过添加来自石材加工行业的彩色废石粉制备了粉色、浅黄色和白色的地质聚合物。

5.1.2. 泛碱的存在
泛碱在建筑遗产基材上的形成不仅会降低历史材料的耐久性，还会影响其美学性能。图12示意图展示了地质聚合物中泛碱的形成过程，通常表现为表面或次表面的白色盐状沉积物，逐渐损坏材料。最近，一些作者监测了泛碱的存在；即表面形成了由可溶性碳酸盐（如trona (Na3HCO3?2H2O)、thermonatrite (Na2CO3?H2O)、natrite (Na2CO3) 和 natron (Na2CO3?10H2O) 组成的白色盐状沉积物，这一过程是由过量的碱性活化剂通过多孔网络移动到表面并与大气中的CO2反应促成的[23]。例如，Occhipinti等人[99]评估了VA型和VS型地质聚合物在Catania暴露6个月后的效果，发现未暴露的砂浆上出现了trona (Na3H(CO3)2?2H2O)、natrite (Na2CO3) 和 natron (Na2CO3?10H2O)，Trona和Natron同时存在于表面和内部。此外，这些作者还报告说，在VA型砂浆和粘结剂中，有三分之二的外部表面被natrite覆盖，而在VS型地质聚合物中，只有四分之一的外部表面和五分之一的内部表面被覆盖。之前的研究将natrite的存在归因于雨水对natron和trona的浸出，而natrite在干燥条件下沉淀。同样，Fugazzotto等人[108]通过用手术刀刮擦陶瓷基地质聚合物的表面来表征盐状粉末沉积物，并通过X射线衍射（XRD）鉴定其为thermonatrite (Na2CO3?H2O) 和 trona (Na3(CO3)(HCO3)?2H2O)，这在65°C下固化24小时后得到确认，但在常温固化条件下未见这种现象。Clausi等人[74]使用富含铝（砂岩）和钙（白云石）的骨料防止了泛碱的形成，XRD结果在90天后没有新的结晶相出现，同时1400 cm?1附近的FTIR光谱带也减少了，这与natron的碳酸盐伸缩振动有关。

其他研究人员通过一系列清洗或浸泡过程来去除多余的碱性物质，以防止泛碱的形成。例如，Geraldes等人[117]通过监测使用NaOH或KOH作为碱性活化剂的浴液的电导率（EC），并在21°C和40°C下干燥，来控制盐类泛碱的形成。他们发现，当使用NaOH作为碱性活化剂并在40°C下干燥时，电导率（σ）最低，初始浴液中含有3.5克地质聚合物浆料和50克蒸馏水，电导率为5000 μS/cm；其他配方在21°C时为约8300 μS/cm，在40°C时分别为9000 μS/cm和13,000 μS/cm，这归因于较高的固化温度和较小的Na+离子尺寸，使其容易从表面浸出。

5.1.3. 纹理
保持与原始石材相似的表面纹理非常重要。这一属性通过宏观检查来评估，取决于修复砂浆中使用的骨料类型、分布和大小，以模仿原始石材。例如，Clausi等人[74]使用粒径小于0.5毫米的天然石材作为骨料，粘结剂/骨料比例为1:1。同样，Occhipinti等人[105]将天然火山岩作为骨料，以30%的重量比例与粘合剂结合，用于修复砂浆中，骨料的粒径分布分别为32.5%（2< ? < 1毫米）、31.5%（1.0 < ? < 0.5毫米）、29%（0.5 < ? < 0.125毫米）、6%（0.125 < ? < 0.075毫米）和1%（? < 0.075毫米）。而Capasso等人[111]则使用了粒径为0.3至4毫米的凝灰岩废弃物，骨料与粘合剂的比为0.5；然而，他们没有进行宏观研究，主要关注材料的再利用，这在地质聚合物的应用中是很常见的，因为地质聚合物在建筑历史保护（AHS）领域还处于起步阶段。与用作修复砂浆的地质聚合物不同，其他研究开发了人造石材砂浆（ASMs），其骨料的分布、类型和尺寸经过精心设计，以模仿天然石材；然而，由于使用了OPC作为粘合剂，这些砂浆的可持续性是一个缺点。多项研究通过微观[19,55]和宏观分析[21]比较了原石材和新石材之间的纹理差异，评估了纹理特性（如颗粒、斑晶和基质）。为了达到古旧外观的效果，可以在现场刮除砂浆以暴露骨料[109]。例如，Stefanidou等人[21]在希腊佩拉的考古遗址中设计了一种人造石材，他们将旧石材粉碎到0-2毫米的粒径，添加了0-2毫米和2-4毫米的沙子和干土，用水泥粘合，预浇筑后固化14天，并用凿子凿出类似原石材表面的纹理。同样，Menningen等人[22]将原始凝灰岩粉碎成细粒和粗粒骨料，粒径范围为0至8毫米，用水泥粘合，并用无机颜料着色以匹配基质颜色，然后在宏观上与原始凝灰岩进行了比较。结果表明，添加天然石材可以保持细粒玻璃质基质，复制了原始的火山凝灰岩。在合成黑色凝灰岩时，另一个显著的挑战是难以复制天然岩石的原始颜色，因为水泥浆在凝固和硬化过程中往往会变浅。

5.2 化学相容性
5.2.1 微结构
图13展示了扫描电子显微镜（SEM）拍摄的照片，用于评估原始基底与修复砂浆之间的微结构差异。例如，Ricciotti等人[75,81,107]通过微结构分析观察到地质聚合物与基底（如陶瓷、凝灰岩和混凝土）之间的界面是均匀且连续的，没有微裂纹和孔隙，表明其具有高化学相容性和良好的粘附性。同样，Fugazzotto等人[105]也进行了SEM分析，发现地质聚合物与古代砖块的界面非常牢固，没有可见的裂缝或微裂纹。

5.2.2 离子释放
离子释放用于测量修复砂浆中释放的离子种类数量，以评估可能形成的可溶性盐类，这些盐类可能会进一步侵蚀古代石材。例如，Ricciotti等人[75]通过测量与水接触时释放的离子种类来评估化学相容性，确定可溶性盐的含量与厚度的关系；他们的结果显示，在初次使用超纯水清洗后，3毫米厚度的样品中钠离子（Na+）的浓度约为6.7毫克/克，6毫米厚度的样品为5.5毫克/克。第二次清洗后，钠离子浓度降至1.7毫克/克（3毫米厚度）和1.6毫克/克（6毫米厚度）；第三次清洗后分别为1.3毫克/克（3毫米厚度）和1.1毫克/克（6毫米厚度）；最后一次清洗后，两种样本的离子释放量均为0.7毫克/克。pH值保持在10-11之间，表明无论样本厚度如何，差异都不显著。

5.3 物理相容性
表13总结了修复材料的物理特性，特别是孔隙率、吸水率、毛细吸水率和密度，并与原始基底的特性进行了比较，通过百分比变化来确定两者之间的相似性。例如，Clausi等人[74]制备的砂浆具有与天然石材相似的孔隙率和密度（2.7–2.9克/立方厘米），可作为替代材料或与原始材料兼容的修复砂浆。同样，Capasso等人[111]报告称，凝灰岩废弃物（39%-42%）和砖块废弃物（27%-34%）制成的地质聚合物与传统砂浆（30%-40%）和生物碎屑石灰岩（24%-30%）的开放孔隙率相似；他们的研究还发现，凝灰岩废弃物（20–33毫克/平方厘米·秒^1/2）和砖块废弃物（19–26毫克/平方厘米·秒^1/2）的毛细吸水率与传统砂浆（28.5毫克/平方厘米·秒^1/2）和天然生物碎屑石灰岩（31.3毫克/平方厘米·秒^1/2）相似，并指出这些特性在地质聚合物和原始材料之间高度相似。同时，Occhipinti等人[105]报告了一种基于浮石的轻质地质聚合物的重要性，其平均密度为1.4克/立方厘米，开放孔隙率为35%-37%，用于防止在西西里岛AHSs中使用的西部西西里石灰岩受到额外应力。Baltazar等人[112]比较了传统石灰基灌浆料与地质聚合物灌浆料的开放孔隙率和密度，发现前者的密度约为1.35克/立方厘米，后者为1.2克/立方厘米。相比之下，石灰基灌浆料的开放孔隙率约为50%，而地质聚合物灌浆料的开放孔隙率为20%-40%。

5.4 力学相容性
5.4.1 粘附性
Baltazar等人[112]开发了一种基于硅灰（SF）的地质聚合物砂浆，用于历史建筑的灌浆。为了评估硅灰砂浆与传统石灰基砂浆的粘附强度（即修复材料与基底之间的粘结强度），通常会进行粘附测试。粘附测试是一种定量方法，通过制作几种混合试样来测量修复材料（如砂浆、灌浆料、粘合剂）与原始基底（如石材、瓷砖、陶瓷、砖块）之间的粘结强度。根据Baltazar[112]的研究，基于硅灰的地质聚合物具有更高的抗弯强度（0.6–0.9 MPa），比传统的天然水硬石灰灌浆料（0.1 MPa）高出约90%（图14a）。Tamburini等人[94]对应用于古代和现代建筑粘土砖上的纤维增强渣-MK地质聚合物砂浆进行了拉拔测试，发现其与古代砖块的粘附性良好（0.9–1.7 MPa），而原始基底出现了破坏（图14b）。相比之下，现代地质聚合物砖块的破坏发生在增强层，粘附强度略高，约为1.2–2.81 MPa。Fugazzotto等人[110]使用“三明治”试样进行了粘附测试（图14c），发现与砂骨料和陶瓷基地质聚合物的粘附性较差，归因于界面处的断裂，但没有提供具体的数值。

5.4.2 表面硬度
Maras[95]使用原位无损检测（NDT）技术评估了历史砂浆和地质聚合物砂浆的表面硬度，并根据反弹硬度测试得出中等程度的相似性。Capasso等人[111]也进行了Shore-D硬度测试，但没有将结果与原始材料进行比较。

5.4.3 堆密度
堆密度通过超声波脉冲速度（UPV）来测量，这是一种另一种原位NDT方法，用于确定材料的损伤程度；它取决于材料的密度和弹性模量，这可能导致材料劣化。例如，Maras[95]评估了地质聚合物和原始砂浆的堆密度，发现地质聚合物的堆密度高于历史砂浆。

5.4.4 抗压强度
Occhipinti等人[105]使用Miller图比较了基于浮石的地质聚合物和传统石灰岩的机械性能，发现其抗压强度与低强度石灰岩相似（图15）。Capasso等人[111]将凝灰岩和砖块废弃物地质聚合物与文化遗产中的传统材料进行了比较，发现其与原始材料相似，其中凝灰岩废弃物地质聚合物（0.81–1.34 MPa）和砖块废弃物地质聚合物（5.34–13.4 MPa）与天然石灰岩（10.1 MPa）相当。同样，Baltazar[112]也报告了基于硅灰的地质聚合物具有更高的抗压强度（10–15 MPa），而传统石灰基砂浆为8 MPa。然而，Dollente等人[89]比较了不含纤维（12.6 MPa）和添加纤维（1.81–12.1 MPa）的地质聚合物的抗压强度，发现抗压强度取决于添加的纤维类型。

5.4.5 抗拉强度
Dollente等人[89]在粉煤灰-硅灰地质聚合物砂浆中添加了五种类型的纤维（聚乙烯醇、 chopping玄武岩、镀铜不锈钢、聚丙烯和碳纤维），以提高抗拉强度同时保持抗压强度，从而可能提高历史建筑的抗震性能。结果显示，添加PVA、不锈钢和 chopped玄武岩纤维后，抗压强度分别达到了12.0 MPa、12.1 MPa和9.9 MPa，而对照砂浆的抗拉强度为1.58 MPa。同时，Tamburini[94]开发了一种以河沙为骨料和纤维状 wollastonite 为填料的渣-MK地质聚合物，28天后的抗压强度和抗拉强度分别为34.5 MPa和4.8 MPa；这种地质聚合物被用作纤维/网格增强水泥基复合材料的砂浆基质。

5.4.6 抗弯强度
抗弯强度是指材料在载荷下抵抗弯曲的能力，通过断裂前的应力来衡量。确定加固材料抵抗变形和开裂的能力非常重要，其抗力应与原始材料（如传统砂浆或岩石）相当。例如，Capasso[111]比较了传统凝灰岩和砖块废弃物基地质聚合物的抗弯强度，发现基于凝灰岩的地质聚合物具有很高的相似性，而基于砖块废弃物的地质聚合物与传统砂浆的相似性较低（表14）。Baltazar[112]中的硅灰基灌浆料的抗弯强度为1.0–1.5 MPa，高于传统的天然水硬石灰（NHL）砂浆的0.2 MPa，这归因于硅灰在碱活化剂中的作用形成了铝硅酸盐凝胶。Clausi[74]获得的MK地质聚合物具有最高的抗弯强度，为3.2–3.6 MPa，但未与原始石材（如白云石和砂岩）进行比较。

6. 地质聚合物在建筑遗产结构保护中的最新应用
最近的建筑遗产保护研究通常使用基于地质聚合物的修复砂浆来修复或修补原始石材基底的退化部分，随后应用加固剂填充裂缝和固定松动的材料。此外，还研究了增强砌体结构的技术，以提高其抗震性能；然而，大多数研究仅展示了修复的潜力并进行了初步的现场评估。少数研究还报告了该材料在现场的的成功应用，主要针对陶瓷瓷砖和砖块，而关于天然岩石现场应用的研究也较为充分。表15总结了地质聚合物在文化遗产中的最新应用，包括地质聚合物的类型、用途和原始基底。

6.1 修复砂浆
修复砂浆应用于原始材料，作为修复大面积退化原始材料的替代方案。例如，Allali等人[73]开发了一种基于MK的地质聚合物，其中添加了富含钙的成分（石灰和钙质砂），以确保与传统材料（用于摩洛哥AHSs）的化学相容性，而不是使用传统的石灰基砂浆和混凝土，因为传统材料容易形成密度大且柔韧性低的盐；所开发的地质聚合物7天的抗压强度范围为16至77 MPa（CaCO3）和2至40 MPa（Ca(OH)2）。同样，Maras[95]开发了一种基于渣的地质聚合物作为土耳其AHSs的修复砂浆，因为使用传统的低强度砂浆会在地震后导致明显的裂缝；这种地质聚合物的7天抗压强度为10-20 MPa。与此同时，使用偏高岭土和浮石的意大利AHSs修复砂浆的28天抗压强度分别为18-21 MPa和7-12 MPa[74,105]。此外，Kutlusoy等人[97]旨在通过使用高抗压强度的基于渣的地质聚合物来增强砌体的结构性能，其7天的抗压强度范围为20.7 MPa至36 MPa。6.2. 固结剂：固化剂是用于填充小缝隙和裂缝以及修复破损原始陶瓷和天然石材的粘合剂或灌浆料。例如，Moutinho等人[76,78]使用基于MK的地质聚合物作为固化剂来修复破损的瓷砖，其7天的抗压强度为0.6 MPa至3 MPa，而Baltazar等人[112]将其作为历史砌体中旧石材的灌浆料使用，28天的抗压强度分别为10-12 MPa（添加了超塑剂）和14-15 MPa（对照组）。同时，Ricciotti等人[75]将基于MK的地质聚合物与环氧树脂结合使用，作为凝灰岩和混凝土基材的修复浆料，28天的抗压强度为40-50 MPa。6.3. 砌体加固：此外，还探索了使用高强度地质聚合物砂浆并添加纤维来增强历史砌体的抗震性能，以抵抗地震振动。例如，Dollente等人[89]将添加了纤维的基于FA的地质聚合物砂浆应用于未加固的历史砌体，其抗拉强度为0.6 MPa至2.2 MPa，而对照组的抗拉强度为1.6 MPa。其他研究则致力于为历史砌体提供抗震加固。例如，Tamburini等人[94]专注于纤维网增强的砂浆，通过对原始基材（粘土砖）进行拔出试验来测量其粘接强度，结果显示历史砖的抗拉强度为0.9至1.65 MPa，对照组为0.9 MPa，现代砖的抗拉强度为1.6至2.8 MPa，对照组为2.7 MPa。类似地，Longo等人[92]发现其抗拉强度为868 MPa。6.4. 其他：最后，一些研究虽然没有讨论AHSs的应用，但展示了通过开发不含商业彩色颜料的有色地质聚合物的潜在修复效果[77,96]。例如，Gupta等人[96]使用添加了彩色石材加工废料的基于渣的地质聚合物砖，制成了粉红色、黄色、灰白色和白色的砖，其抗压强度为15-25 MPa。同时，Angelo等人[77]使用吸附了Bromothymol blue、methyl orange、cresol red和phenolphthalein的着色剂，分别制备了蓝色、黄色、紫色和紫色的地质聚合物。另一个值得注意的结果是不同环境下的成熟过程对基于MK的地质聚合物修复潜力的影响。例如，Perná等人[83]报告了在空气中（86.5 MPa）、去矿物质水中（79.3 MPa）和海水中（87.2 MPa）成熟的地质聚合物在28天后的抗压强度有所不同。此外，MK-硅灰与硅酸钠（Na2SiO3）和硅酸钾（K2SiO3）结合使用，7天的抗压强度为30至58 MPa[84]，而含有膨胀玻璃颗粒的MK-粉煤灰地质聚合物在48天后的抗压强度为10 MPa[93]。最近，现场修复应用逐渐增加。例如，Fugazzotto等人[109]将基于陶瓷的地质聚合物砂浆应用于古代砖块上，结果显示了类似的颜色差异。类似于Perná等人[82]的研究，也展示了地质聚合物在修复历史陶瓷瓷砖和砂岩中的应用。然而，还需要进一步的发展，以便能够应用于高度风化的古老石材，并开发出能够长期保护石材建筑遗产结构的可持续材料。表15. 地质聚合物在AHS保护中的当前应用。7. 地质聚合物用于建筑遗产结构的长期耐久性：基于地质聚合物的替代材料对于保护由凝灰岩和珊瑚岩建造的AHSs来说，耐久性是一个关键属性。本节讨论了地质聚合物在（i）加速老化和（ii）长期户外暴露条件下的耐久性和性能。7.1. 加速老化：这种类型的耐久性或风化测试是在循环条件下进行的，通过在相对较短的时间内使材料受到极端环境条件的模拟长期降解来评估其耐久性。一些属于加速老化的测试包括（i）盐雾环境[76]、（ii）湿-干循环[114]和（iii）冻-融循环[76,78,94]。7.1.1. 盐雾环境：Moutinho等人[76]进行了盐雾环境测试，按照ASTM B117-03标准，在含有3.5%盐溶液的气候室中，将基于MK的地质聚合物暴露于人工盐雾环境中，持续14天、28天和60天，温度为30°C。结果表明没有可见的盐分存在，但XRD分析显示在含水量较高（H2O/Na2O = 18）和前驱体颗粒尺寸较小（D50 = 1.5 μm）的试样中形成了岩盐（NaCl）。7.1.2. 湿-干循环：Rescic等人[114]对使用当地Santena粘土（意大利常见的土建筑材料）配制的灰泥进行了湿热循环测试。灰泥在气候室中先置于50°C和30%相对湿度下5小时，然后置于20°C和90%相对湿度下5小时，共重复50次循环。结果显示颜色变化（ΔE）为11.1至2.09，而重量损失仅为0.33%，与未经处理的材料相比可以忽略不计，表明修复材料与基材之间的粘聚力损失很小。7.1.3. 冻-融循环：Moutinho等人[76]在气候室中对用作陶瓷瓷砖固化剂的基于MK的地质聚合物进行了冻-融循环测试，共进行了29个夏季/冬季循环。夏季条件为10°C和40%相对湿度，冬季条件为-10°C和95%相对湿度及30°C和100%相对湿度，每个循环分为四个阶段，每个阶段持续7小时，总时间为36小时。结果通过视觉检查发现了试样上的裂纹或粘附力损失；在第一个冬季循环后，含水量较低（H2O/Na2O = 17）和前驱体颗粒尺寸较小（D50 = 6.0 μm）的试样上出现了可见裂纹。而第十个夏季循环后，两种地质聚合物都出现了粘附力损失，经过十九个循环后没有新的裂纹或材料损失。第二个循环后，高含水量地质聚合物的质量损失为16%，低含水量地质聚合物的质量损失为10%。第四个循环后，它们的质量损失分别为18%和14%。此外，Moutinho等人[78]添加了沸石的偏高岭土，在10个循环后观察到质量损失和与基材的粘附力损失。Taburini等人[94]在20°C至-20°C之间进行了50次冻-融循环，试样在20°C下浸泡在水中；一年后，没有观察到裂纹或表面损失，质量损失为0.67%，剩余抗压强度在40.2 MPa至45 MPa之间。7.2. 长期户外暴露：与需要特殊“气候”测试室的加速老化测试不同，长期户外暴露利用了自然环境。虽然这种方法简单且成本较低，但需要持续监测温度、相对湿度和降雨量等环境参数。例如，Occhipinti等人[105]使用了来自意大利埃特纳火山火山碎屑残留物的火山灰和火山土壤基地质聚合物。砂浆固化28天后，在卡塔尼亚市中心的一个屋顶上暴露了六个月（2020年7月至2021年1月），平均温度为19.6°C，平均相对湿度为75%。结果表明，这些地质聚合物在户外条件下具有良好的稳定性，没有裂纹、明显的泛碱现象、颜色差异，且抗压强度较高。同时，Fugazzoto等人[109]使用陶瓷砖废料制备了地质聚合物，并将其应用于卡塔尼亚罗马Odéon纪念碑的墙壁上，平均温度为26.5°C，相对湿度为60%。三个月后进行监测，结果显示良好的粘附性，没有明显的泛碱现象、裂纹和收缩，同时保持了与原始砖块的高度颜色相似性。8. 总结与未来展望：保护由凝灰岩和珊瑚岩建造的AHSs是一项具有挑战性的任务，因为它需要使用环境友好且可持续的修复材料，并保持与原始基材的兼容性。近年来，由于地质聚合物低碳足迹、能耗低以及良好的物理、机械和美观性能，它们已成为传统OPC材料的流行替代品。尽管几种地质聚合物在AHS保护中显示出潜在的应用价值，但它们与原始材料的兼容性仍不清楚。本研究系统而全面地回顾了用于保护凝灰岩和珊瑚岩建造的AHSs的不同地质聚合物，包括前驱体材料、骨料类型、混合物组成以及材料的物理、机械和美观性能。此外，还回顾了用于AHS保护的天然石材的兼容性标准，重点关注与原始基材的美学、物理、化学和机械兼容性。此外，还概述了长期耐久性测试方案以及地质聚合物在加速老化和长期户外暴露下的性能。具体来说，本研究的发现如下：

原始凝灰岩基质的耐候性结构（AHSs）具有多种不同的特性，包括颜色（从黄褐色到灰褐色再到红褐色不等，部分区域还带有浅绿色或粉红色调）、密度（1.0–2.5克/立方米）以及抗压强度（3–100兆帕）。原始珊瑚岩基质的耐候性结构通常具有粗细不一的孔隙结构，其抗压强度范围为1–60兆帕。由于元明矾具有较高的反应活性和丰富的铝硅酸盐成分，在地质聚合物配方中起着重要作用，无论是作为主要前驱体还是作为添加剂/混合材料。

用于地质聚合物配方的其他材料还包括粉煤灰、矿渣、当地黏土、火山灰、火山土壤、浮石以及废弃物（如陶瓷废料、矿业废弃物和硅灰），这些材料也都含有较高的铝硅酸盐含量。最常用的碱性活化剂是硅酸钠和氢氧化钠。

用于耐候性结构保护的地质聚合物中的骨料主要取决于当地的可用性，因此通常会使用石英砂、河沙、碎石、碳酸盐石材、火山岩、火山砂、凝灰岩、砖块和陶瓷骨料等容易获得的材料。

耐候性结构保护的兼容性标准包括美观性（如颜色和泛碱现象）、物理性能（如孔隙率、吸水性、毛细吸水性和密度）、化学组成（如微观结构和离子释放情况）以及机械性能（如黏附性、表面硬度、 compactness、抗压强度、抗弯强度和抗拉强度）。

地质聚合物在耐候性结构保护中的应用范围很广，包括用于修补受损石材的修复砂浆、加固材料（如粘合剂或灌浆料）以及用于替换原始基质的增强砂浆。当地质聚合物用作修复砂浆时，需要考虑透气性、黏附性以及与原始基质的表面光洁度相匹配的要求；作为加固材料时，其粘度应适中，以便渗透到空隙或裂缝中并保持碎块间的凝聚力，从而增强和重新连接受损或断裂的部分。作为增强砂浆使用时，地质聚合物应具备较高的抗拉强度和抗弯强度，并保持足够的抗压强度，以提高地震等地震灾害中的抗震性能。当用作替代原始基质的材料时，地质聚合物的颜色、质地、抗压强度和耐风化性必须与原始基底相似。

地质聚合物的耐久性通过加速老化测试（如盐雾测试、湿干循环测试和冻融循环测试）以及长期户外暴露来评估。由于凝灰岩和珊瑚岩构建的耐候性结构容易受到地震的破坏，未来的研究可能会重点探讨砂浆加固策略以及诸如纤维增强地质聚合物等提高结构抗震性能的技术。

现代污染正在加速凝灰岩和珊瑚岩构建的耐候性结构的退化，因此开发能够延缓风化同时保持原始基底美观性的石材加固材料至关重要。