摘要
赤泥是铝工业生产排放的固体废渣，目前储量已达数十亿吨，因其自身的高碱性提升了处置难度，巨量的堆积已引起了严重的生态环境问题。本论文以提高赤泥的综合利用为导向，选用山东某制铝厂排放的拜耳法赤泥（RM）为基本原料，以富含活性的三种粉煤灰（FAC、FA1、FA2）为辅料，利用NaOH与水玻璃的混合溶液（MS）活化制备地聚合物，通过调整并优化制备方法，制备出高强度地聚合物。基于此，进一步探究高强度地聚合物的耐酸碱盐腐蚀和抗冻性能，以及形成的地聚合物对重金属离子的固化效应。最终，通过宏观表现和微观测试，综合评价地聚合物的耐久性能和固化机理。得到的主要结论如下： （1）制备高强度赤泥?粉煤灰地聚合物，综合考虑制备的和易性、完整性及力学性，确定养护方式为包裹蒸气养护，最佳养护温度为60℃，FAC的最佳CaO含量约为20%。RM-FAC-MS、RM-FA1-MS和RM-FA2-MS的最佳NaOH溶液使用温度分别为35℃、55℃和65℃，最佳养护时间分别为14d、21d和28d。对于RM-FA2-MS，针对养护完成暴露于空气中出现的“泛碱”现象，通过升高温度蒸发水分子，或者在原材料中添加少量的水泥来胶结未反应的碱性离子，以此改善“泛碱”现象。 （2）结合宏观反应和微观分析，赤泥?粉煤灰地聚合物在碱性环境中分解，并聚合形成水合硅铝酸钙凝胶或聚硅铝酸盐凝胶，并将未参与反应的活性颗粒和未溶解的非活性填料作为胶结基质结合在一起，共同构成地聚合物的结构骨架，从而具备一定的强度。 （3）探究高强度地聚合物的耐酸碱盐腐蚀性能，将养护完成的试件分别全浸泡于HCl、H2SO4、NaOH、模拟海水和蒸馏水中，对比浸泡前后试件的抗压强度和静弹性模量，均满足腐蚀要求。通过SEM和XRD测试，腐蚀后的结构保持原有密实度，并无新相产生，耐蚀性能良好。应用混凝土的单轴受压应力?应变全曲线方程，拟合腐蚀后的地聚合物单轴受压的应力?应变曲线，与试验结果整体趋势保持一致，拟合度良好。同时测试抗冻性能，综合质量和强度损失率，RM-FAC-MS、RM-FA1-MS和RM-FA2-MS的最大冻融循环次数分别为105、120和90次。以宏观唯象损伤力学为理论依据，结合应变等价假说和统计损伤模型，建立冻融后地聚合物受荷本构关系，以及冻融损伤演化方程。以RM-FA1-MS为例，验证了该模型能够很好地描述冻融作用对地聚合物力学性能的影响。 （4）研究地聚合物对有毒重金属Cu2+和Cd2+的固化效应。为此，在原料中预先添加1-3wt%的重金属离子来模拟污染物存在条件，系统的研究重金属离子在特殊环境下的短期和长期浸出特性。在中性和碱性浸出环境中，重金属离子在地聚合物中的存在形式多为氢氧化物沉淀，浸出浓度低于国标限值；但在酸性环境中，沉淀物会被溶解成为游离阳离子而释放到环境中，使得部分浸出浓度高于国标限值。通过SEM、XRD、XPS和FT-IR微观测试，地聚合物仍保持原有结构骨架，但随着重金属污染物含量增加，结构密实度降低，产生硬石膏新相。重金属离子主要以物理包裹固封在地聚合物内部，在中性和碱性环境中固化效果良好。
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