Geopolimery są to nieorganiczne, amorficzne, syntetyczne polimery glinokrzemianowe, o specyficznym składzie i właściwościach. Określenie „geopolimery” odnosi się do polimerów nieorganicznych, które są amorficznymi materiałami glinokrzemianowymi syntezowanymi w mocno zasadowym środowisku w temperaturze nie przekraczającej 100°C. Termin „geopolimer” został po raz pierwszy użyty w 1970 r. przez Davidovitsa [1].
Struktura geopolimerów jest bardzo zbliżona do naturalnych kamieni występujących w przyrodzie, dlatego nazywane są często „sztucznymi kamieniami”.
Geopolimery składają się z długich łańcuchów – kopolimerów tlenków glinu i krzemu, a także stabilizujących je kationów metali oraz związanej wody. Oprócz dobrze zdefiniowanych łańcuchów polimerycznych, w materiale występują z reguły różne przemieszane fazy, takie jak: tlenek krzemu, nieprzereagowany substrat glinokrzemianowy oraz niekiedy wykrystalizowane glinokrzemiany typu zeolitowego.
Empiryczny wzór pojedynczego łańcucha ma formułę [2]

gdzie \( M^+_n \) – kation metalu alkalicznego \( (Na^+, K^+ ) \), \( v \) – stopień polimeryzacji, \( x \) – stosunek Si/Al, \( a \) – ilość związanej wody; \( v, x, a \) – zależą od składu i sposobu przygotowania konkretnej próbki.
Łańcuch polimerowy geopolimeru składa się z czworościennych struktur \( SiO_4 \) i \( AlO_4 \) połączonych między sobą przez wspólne atomy tlenu w dwu- lub trójwymiarową skomplikowaną sieć.
Rys. 1 przedstawia schemat przestrzennej sieci geopolimeru [3].

Wyjściowym składnikiem dla otrzymania cementu geopolimerowego są glinokrzemiany, których źródłem mogą byś surowce naturalne lub odpady przemysłowe, jak granulowany żużel wielkopiecowy lub popioły lotne.
Ze względu na surowiec, z którego powstają geopolimery dzieli się na dwa rodzaje:

• powstałe na bazie metakaolinu (odwodnionego w temp. \( 700-800^°C \) kaolinu) w wyniku reakcji z wodorotlenkiem sodu:

• powstałe na bazie popiołu lotnego – otrzymywanego przez krzepnięcie lotnych produktów ubocznych ze spalania węgla kamiennego i antracytowego (klasa F – powyżej \( 70\% \) tlenków Si, Al i Fe), bituminów lub węgla brunatnego (klasa C – powyżej \( 50\% \) tlenków Si, Al i Fe).

Rys. 2 przedstawia różnice w mikrostrukturze cementu naturalnego oraz geopolimeru powstałego na bazie popiołu lotnego [4].

Ze względu na budowę geopolimery dzielone są na trzy główne klasy:

• PS – polisialan (polysialate); podstawową jednostką łańcuchów polimerycznych jest Si-O-Al-O;
• PSS – poli(silokso-sialan) (poly(sialate-siloxo) ), podstawową jednostką łańcuchów polimerycznych jest Si-O-Al-O-Si-O;
• PSDS – poli(disilokso-sialan) (poly(sialate-disiloxo) ), podstawową jednostką łańcuchów polimerycznych jest Si-O-Al-O-Si-O-Si-O.

Tabela 1 przedstawia klasy geopolimerów ze względu na podstawową jednostkę łańcucha [5].

Właściwości
Geopolimery są najczęściej twardymi, odpornymi mechanicznie ciałami stałymi przypominającymi naturalny kamień lub beton. Są stosowane głównie do przygotowywania materiałów budowlanych, przede wszystkim betonu i jego pochodnych. Betony takie charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami:

• wysoką wytrzymałością – lepszą odpornością na ściskanie oraz odpornością na zginanie od najlepszych betonów na bazie cementu portlandzkiego;
• odpornością chemiczną (np. na kwasy, siarczany czy chlorki);
• wodoodpornością znacznie przewyższającą tradycyjny beton;
• wysoką ogniotrwałością, nawet do temperatur rzędu \( 600^°C \);
• krótkim czasem wiązania, nawet poniżej godziny;
• brakiem odkształceń podczas wiązania i ograniczonymi odkształceniami na skutek zmian wilgotności i temperatury.

Zastosowanie
W praktyce zastosowanie betonów geopolimerowych jest bardzo ograniczone ze względu na ich wyższą cenę niż betonów tradycyjnych. Stosowane są one jednakże w przypadkach, gdzie wymagana jest wysoka ogniotrwałość (np. izolacje ogniowe w lotnictwie) lub bardzo szybkie osiągnięcie wysokiej twardości (np. przy awaryjnych naprawach pasów startowych). Podczas syntezy geopolimerów, wydziela się 4-8 razy mniej \( CO_2 \) niż przy produkcji jednej tony klasycznego cementu przy zużyciu 2-3 razy mniejszej energii, dlatego cement geopolimerowy nazywa się "zielonym cementem". Geopolimery są też stosowane jako materiał nośny do utylizacji toksycznych odpadów, szczególnie substancji radioaktywnych.
Możliwości zastosowania geopolimerów:

• okładziny budynków;
• beton architektoniczny;
• materiały izolacyjne;
• pokrycia antykorozyjne;
• materiały ognioodporne;
• kompozyty do zaawansowanych zastosowań.