技術領域
本發明涉及地質聚合物領域，具體涉及一種赤泥-礦渣地質聚合物及其制備方法。
背景技術：
赤泥是氧化鋁冶煉過程中附帶產生的一種強堿性固體廢棄物，目前全球赤泥堆存量接近30億噸，而其綜合利用率卻僅為15％左右。我國由于開發技術水平等因素的限制，對赤泥的綜合利用效率還遠不及此。大部分的赤泥只能利用大面積的堆場露天堆放，風干的赤泥產生的揚塵是造成當下局部霧霾天氣的罪魁禍首之一，同時赤泥中的強堿性組分也對地下水系統、土壤及地表植被等造成了嚴重污染和破壞。
赤泥中含有大量具有潛在活性的硅鋁組分，這使得赤泥具有制備地質聚合物的潛質，同時以赤泥為原料制備地質聚合物可使赤泥中的堿轉化為制備地質聚合物的有利物質。目前雖然在對赤泥制備地質聚合物上已有研究，但還存在缺陷，例如國內最新研究報道中有提及以赤泥作為原料制備地質聚合物，其手段是先對赤泥進行煅燒，然后再通過堿激發實現赤泥的二次聚合，然而煅燒過程使得生產成本大大提高而使其推廣應用受到限制；還有就是在制備地質聚合物時將赤泥作為少量摻料使用，例如有研究以高性能偏高嶺土、粉煤灰等作為基體，將赤泥摻量控制在20%以內，這對赤泥的消納利用極為有限。
技術實現要素：
本發明目的是在最大限度利用赤泥的前提下，提供一種以赤泥和礦渣為主要原料制成的具有理想抗壓強度（7d抗壓強度>20MPa，28d抗壓強度>38MPa）的地質聚合物。
本發明的另一目的是提供一種赤泥-礦渣地質聚合物的制備方法，該方法操作工藝簡單，成本低廉，可實現對赤泥的高效消納利用。
為實現以上目的，本發明采用以下技術方案：
一種赤泥-礦渣地質聚合物，其是由赤泥和礦渣組成的復合粉體經復合堿激發劑激發而成，復合粉體與復合堿激發劑的質量比為1：0.6-0.85；其中復合粉體的質量百分比組成為：赤泥50%-70%和礦渣30%-50%，復合堿激發劑由水玻璃、氫氧化鈉及水調配而得，其模數為1.0-2.0，固含量為18%-42%。
進一步優選，復合堿激發劑的模數為1.2-1.6，固含量為30%-38%。
所述赤泥的質量要求為：含水率≤3%，氧化鈣含量≤15%，二氧化硅含量≤20%，氧化鋁含量≤25%，粉磨后細度為75um篩篩余小于15%。
所述礦渣為高爐礦渣微粉，其質量要求為：氧化鈣含量≤45%，二氧化硅含量≤35%，氧化鋁含量≤12%，勃氏比表面積400-450m2/Kg。
所述水玻璃的質量要求為：波美度（°Bé）為50.4，氧化鈉含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%。
赤泥-礦渣地質聚合物的制備方法，包括以下步驟：
1）復合粉體配制：選取赤泥、礦渣，然后將赤泥和礦渣按比例混合得到復合粉體，陳化備用；
2）復合堿激發劑配制：利用氫氧化鈉溶液調整水玻璃的模數為1.0-2.0、固含量為18%-42%，備用；
調整水玻璃的模數和固含量時，先根據所購水玻璃的初始模數、固含量和目標模數、固含量來計算所需氫氧化鈉和水的量，然后將氫氧化鈉溶于水中，待氫氧化鈉溶液冷卻后加入所購水玻璃中制成復合堿激發劑；
3）按照水泥凈漿制備工藝，將復合粉體與復合堿激發劑按1：0.6-0.85的質量比混合攪拌均勻，注入40mm*40mm*40mm的模具；
4）將步驟3）所得制品覆膜自然養護24h后拆模，所得試塊在自然條件下灑水養護至一定齡期即得到赤泥-礦渣地質聚合物。
本發明具有以下優點和特點：
1、本發明是以赤泥和礦渣兩種工業固體廢棄物作為制備地質聚合物的原料，所用原料廉價易得，制備工藝簡單，可實現連續化生產，具有良好的經濟效益。
2、本發明是以赤泥作為主要原料，其摻量為50%-70%，打破了先前赤泥低摻量利用的局限，實現了對赤泥大摻量的消納利用，為解決因赤泥堆放而帶來的環境污染、土地占用等問題提供了有效途徑，具有極大的社會效益。
3、本發明在復合堿激發劑的調配過程中對赤泥中的堿加以利用，制備出了力學性能良好的赤泥-礦渣地質聚合物，其比傳統的水泥基膠凝材料有更好的耐久性。
4、本發明制備時在堿性環境中，礦渣微粉中的Ca-O斷裂釋放出的Ca2+與液相中的Si(OH)4單體和Al(OH)4-單體反應，使得所制備的地質聚合物礦物相中含有大量的水鈣沸石相，水鈣沸石有分子篩之稱，且該相宏觀結構呈現為疏松多孔的三維網狀結構。因此所制地質聚合物若用于重金屬固化領域，可真正實現“以廢治廢”，既為赤泥的大摻量消納利用指明了出路，也給重金屬固化提供了簡單易行且成本低廉的方法，實現了環境治理上的“雙贏”。
具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例對本發明內容做進一步的說明，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例，實施例不應視作對本發明的限定。
實施例1：
1）原料選取：a.選取河南長城鋁業公司某赤泥堆場塊狀赤泥，對其進行干燥粉磨處理，得到赤泥粉體，其含水率≤3%，氧化鈣含量≤15%，二氧化硅含量≤20%，氧化鋁含量≤25%，細度為75um篩篩余小于15%；
b. 礦渣為市售高爐礦渣，氧化鈣含量≤45%，二氧化硅含量≤35%，氧化鋁含量≤12%，勃氏比表面積430m2/Kg；
2）復合粉體制備：按質量取干燥粉磨后的赤泥粉體和礦渣微粉，赤泥粉體和礦渣微粉質量百分比分別為50%和50%，將兩者干混得到復合粉體，陳化24h備用；
3）復合堿激發劑配制：根據目標模數、固含量計算所需氫氧化鈉和水的用量，將所需氫氧化鈉顆粒緩慢加入水中并不斷攪拌得到氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液冷卻至室溫后補充因水蒸發而減少的水量；將氫氧化鈉溶液和液體水玻璃（質量要求為：波美度（°Bé）為50.4，氧化鈉含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%）均勻混合，制得模數為1.6和固含量為30%的復合堿激發劑，備用；
4）成型及養護：按照水泥凈漿制備工藝，將復合粉體和復合堿激發劑按1:0.85的質量比加入攪拌機充分混合攪拌得到漿體，將漿體注入40mm*40mm*40mm的模具，覆膜養護24h拆模；將試塊在自然條件下灑水養護至一定齡期即得赤泥-礦渣地質聚合物。
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度（按照水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)，下同）分別為39.64MPa和65.06MPa。
實施例2：
1）原料選取：所述同實施例1中步驟1）；
2）復合粉體制備：按質量取干燥粉磨后的赤泥粉體和礦渣微粉，赤泥粉體和礦渣微粉質量百分比分別為60%和40%，將兩者干混得到復合粉體，陳化24h備用；
3）復合堿激發劑配制：根據目標模數、固含量計算所需氫氧化鈉和水的用量，將所需氫氧化鈉顆粒緩慢加入水中并不斷攪拌得到氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液冷卻至室溫后補充因水蒸發而減少的水量；將氫氧化鈉溶液和液體水玻璃（質量要求為：波美度（°Bé）為50.4，氧化鈉含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%）均勻混合，制得模數為1.4和固含量為30%的復合堿激發劑，備用；
4）成型及養護：按照水泥凈漿制備工藝，將復合粉體和復合堿激發劑按1:0.75的質量比加入攪拌機充分混合攪拌得到漿體，將漿體注入40mm*40mm*40mm的模具，覆膜養護24h拆模；將試塊在自然條件下灑水養護至一定齡期即得赤泥-礦渣地質聚合物。
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度分別28.16MPa和52.24MPa。
實施例3：
1）原料選取：所述同實施例1中步驟1）；
2）復合粉體制備：所述同實施例2中步驟2）；
3）復合堿激發劑配制：根據目標模數、固含量計算所需氫氧化鈉和水的用量，將氫氧化鈉顆粒緩慢加入一定量的水溶液中并不斷攪拌，將溶液冷卻至室溫后補充因水蒸發而減少的水量；將氫氧化鈉溶液和液體水玻璃（質量要求為：波美度（°Bé）為50.4，氧化鈉含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%）均勻混合，制得模數為1.6和固含量為34%的復合堿激發劑，備用；
4）成型及養護：所述同實施例2中步驟4）；
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度分別為30.75MPa和53.85MPa。
實施例4：
1）原料選取：所述同實施例1中步驟1）；
2）復合粉體制備：按質量取干燥粉磨后的赤泥粉體和礦渣微粉，赤泥粉體和礦渣微粉質量百分比分別為70%和30%，將兩者干混得到復合粉體，陳化24h備用；
3）復合堿激發劑配制：所述同實施例1中步驟3）；
4）成型及養護：按照水泥凈漿制備工藝，將復合粉體和復合堿激發劑按1:0.65的質量比加入攪拌機充分混合攪拌得到漿體，將漿體注入40mm*40mm*40mm的模具，覆膜養護24h拆模；將試塊在自然條件下灑水養護至一定齡期即得赤泥-礦渣地質聚合物。
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度分別為23.52MPa和38.20MPa。
實施例5：
與實施例4的不同之處在于，復合堿激發劑的模數為1.2和固含量為34%；
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度分別為27.19MPa和44.20MPa。
實施例1-5的試塊抗壓強度符合7d抗壓強度>20MPa，28d抗壓強度>38MPa的要求。
本發明所述赤泥-礦渣地質聚合物，復合粉體中赤泥、礦渣的質量百分含量，復合堿激發劑的模數、固含量在其各自上下限及區間取值都能實現本發明，在此就不一一列舉實施例。
對照實例1：
與實施例1的不同之處在于：復合粉體和復合堿激發劑的質量比為1:0.5。此時漿體因稠度太大導致流動性太差，實驗過程中無法澆注成型。
對照實例2：
與實施例1的不同之處在于：復合堿激發劑的模數為0.8，固含量，固含量為22%。
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度分別為22.77MPa和18.10MPa。
對照實例3：
與實施例1的不同之處在于：復合粉體制備時赤泥粉體和礦渣微粉質量百分比分別為80%和20%。
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度分別為12.33MPa和22.97MPa。
對照實例4：
與實施例5的不同之處在于：復合粉體和復合堿激發劑的質量比為1:1。
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度分別為10.56MPa和17.94MPa且漿體凝結時間過長（>24h）。
對照實例5：
與實施例5的不同之處在于：復合堿激發劑的模數為2.2，固含量為42%。
所得試塊養護至7d和28d的抗壓強度分別為17.91MPa和30.64MPa。
由對照實例1-5看出，當一些技術參數發生變化時，所得試塊的7d或28d抗壓強度難以滿足產品的理想抗壓強度（7d抗壓強度>20MPa，28d抗壓強度>38MPa）需求。