알칼리를 시멘트의 구성요소로 활용한 것은 슬래그 미분말과 가성칼리 용액 혼합물의 응결거동을 연구했던 1930년대이다. Chassevent는 1937년에 가성칼리와 소다용액을 사용한 슬래그의 반응성을 측정하였고, 이것을 시작으로 시멘트 클링커가 없는 시멘트 연구가 진행되었다. Glukhovsky는 1957년에 약알칼리성 칼슘 혹은 칼슘이 포함되지 않은 알루미노 규산염과 알칼리 금속용액을 사용한 바인더의 생산이 가능하다는 것을 최초로 발견하였다. 이것이 흙 실리케이트 콘크리트로 명명되었고, AASS(Alkali Activated Slag System)의 연구분야가 새롭게 시작되었다.
Davidovits은 1981년 고령토와 석화회암, 백운석의 혼합물에 알칼리를 혼합한 바인더를 개발하였다. 450℃이하의 온도에서 kaolinite의 알칼리 반응을 통하여 water-resistant 세라믹 타일을 제조하였는데, 때 100~150℃의 범위에서 NaOH 알칼리 용액과 반응하는 kaolinite는 Si-O-Al-O 결합을 한 반응생성물이 나타난다.
이 반응생성물을 토대로 프랑스의 연구자인 Davidovits에 의해 지오폴리머의 연구가 시작되었다. 그의 초기 특허에 따르면 지오폴리머는 메타카올린과 알칼리 실리케이트 용액이 반응한 혼합물로 구성된다고 하였으며, 양생온도를 20~150℃ 범위로 유지시켰을 때 발열반응과 Si-O-Al-O 결합을 한 반응생성물이 나타난다고 하였다. 그러나 현재에는 fly ash를 비롯한 다양한 산업부산물의 지오폴리머 소재화에 대한 연구 및 활성화제에 대한 연구가 진행되어, 지오폴리머의 구조가 양생온도 뿐만 아니라 활성화 용액의 농도에 따라서도 변화한다는 것을 밝혀내었다.
초기 fly ash가 연구대상에서 크게 관심을 받지 못한 이유는 fly ash가 실온과 대기압 조건에서 물과 반응하여 매우 빠르게 분해되나, 이 분해물질은 1차 상위에 낮은 용해도의 2차상으로 침적하여 1차상의 계속적인 분해를 매우 느리게 하거나 혹은 차단시켜 반응성을 제한시킨다. 즉, 생성된 2차상은 이온이나 물의 이동을 제어하는 확산인자로 작용하기 때문이다. 그러므로 산업에 응용하기 위한 관련 제품을 개발하기 위해서는 fly ash의 활성화가 필요해졌으며, 이를 위한 한 방법으로 고농도의 알카리 용액이 사용하여 확산속도를 증가시키는 연구가 진행되었다.
Fly ash는 알카리 용액으로 활성화시킬 경우, silicon과 aluminium 및 알칼리금속 성분으로 구성된 aluminosilicate gel이라는 새로운 생성물이 만들어진다. 이 생성된 aluminosilicate gel은 바인더로 작용하여 입자들을 결합시키거나 혹은 화학적으로 결합한 하나의 세라믹 덩어리로 만든다.
최근 실온에서 합성된 aluminosilicate gel는 우수한 물리·화학적 특성으로 연구동향의 주요 관심사로 대두되고 있다. 합성 aluminosilicate gel는 천연원료를 사용하는 시멘트와 달리 산업폐기물을 사용하고, 고온 소성반응을 거치지 않으므로 경제적 측면에서도 대단한 장점을 가지고 있다. 특히 제조 방법에 따라 시멘트보다 우수한 물리적 특성을 나타내기도 하여 상업적 관심이 고조되고 있으며, 이러한 aluminosilicate gel을 “Inorganic binder” 혹은 “Geopolymer”라고 명명하고 있다.
지오폴리머 소재의 재료적 화학구성물은 zeolite와 유사하다. 미세구조적으로는결정성이 아닌 비정질로 존재한다. 일반적으로 지오폴리머는 Si-Al로 이루어진 재료가 일정한 반응조건(알칼리 조건) 하에서 Si, Al 원소가 용출하게 되고, 이를 반응시키면 중축합 화학반응을 일으키며, 그 결과 아래와 같은 3차원 중합체 체인과 Si-O-Al-O 결합의 링구조를 형성하게 된다.
Davidovits는 이러한 지오폴리머의 화학적 명명을 ‘Poly(sialate)’ 로 제안하고 있다. Poly(sialate)는 체인으로 산소와 IV 방향 배위의 Al3+와 Si4+의 링 폴리머이며 비정질에서 semi-결정성으로 정렬된다.
