摘要
随着我国氧化铝行业规模的迅猛扩张，赤泥已经成为有色金属冶炼行业排放量最大且难以处理的工业废渣，制约着氧化铝行业的绿色健康可持续发展。目前赤泥处置主要由工厂直接泵送至堆场筑坝储存，累计堆存量已达到6亿吨。如此长期堆存不仅侵占大量土地资源，耗费较多堆场建设和维护费用，还存在赤泥中的碱份及重金属下渗造成土壤及水污染、赤泥库溃坝等风险。赤泥的二次资源化利用成为棘手的问题。 碱激发胶凝材料是当前最有望替代传统硅酸盐水泥的绿色水硬性胶凝材料之一。赤泥中含有铝硅原料和碱份，其化学成分非常契合碱激发材料所需组分，理论上来说以赤泥制备碱激发材料的可行性很高。同时面对全球范围内天然骨料资源不同程度的短缺甚至枯竭，已经逐步开发使用人造骨料替代天然骨料制备混凝土。不同于传统高温烧结的人造骨料，基于碱激发原理制备地聚物免烧结人造骨料更加符合当前我国“碳达峰，碳中和”重大战略的理念和发展趋势。依托于建筑材料对工业固废的巨大消耗量，将赤泥应用于地聚物免烧结人造骨料的成果研发与推广，无疑是一种大规模消纳赤泥的新途径，从而改善环境污染、降低安全隐患，有助于突破氧化铝行业绿色发展瓶颈。对于促进赤泥资源化利用乃至其他工业废渣的综合利用开发都具有重要意义。 以利用拜耳法赤泥制备地聚物免烧结骨料为目标开展系列试验研究。分别研究了水玻璃激发体系、碳酸钠复合脱硫石油焦渣激发体系，分析碱当量、原料配比等因素对赤泥基地聚物材料力学性能和流动性能的影响规律，探究了不同激发体系赤泥基地聚物水化反应机理，以此为基础指导赤泥基地聚物免烧结骨料的配方优化;为加大对赤泥的消纳力度，以赤泥基地聚物作为胶结固化材料对赤泥进行二次固化，利用挤压造粒设备制得赤泥基地聚物免烧结骨料，以筒压强度、堆积密度、表观密度、1h吸水率等工作性能为评价指标，研究了不同体系固化剂及其掺量对赤泥基地聚物免烧结骨料工作性能影响效应;针对赤泥重金属含量高的问题，提出以水泥裹壳改性的方法制得赤泥基地聚物免烧结核壳骨料，对比分析裹壳前后赤泥基地聚物免烧结骨料的重金属浸出特性，并结合微观分析方法揭示赤泥基地聚物对重金属离子的固化机制，实现赤泥绿色环保利用;探究了赤泥基地聚物免烧结核壳骨料取代天然骨料制备透水型混凝土的可行性，实现赤泥无害化、资源化的大宗应用。 主要研究结论如下: (1)水玻璃激发体系中各因素对地聚物力学性能影响程度为:碱当量＞赤泥掺量＞水玻璃模数，对地聚物拌合物流动性影响程度为水玻璃模数＞碱当量＞赤泥掺量，最终根据正交实验结果得到的最优配比为“70％赤泥+30％矿渣+水玻璃模数1.8+碱当量7％”，28d抗压强度和抗折强度达到39.1MPa、7.4MPa。以碳酸钠复合脱硫石油焦渣替代水玻璃制备赤泥基地聚物材料，脱硫石油焦渣的掺入能够在一定程度上对碳酸钠激发体系赤泥基地聚物的流动性和力学性能进行优化，实验得到最优配比为“55％赤泥+20％矿渣+25％脱硫石油焦渣+碳酸钠碱当量7％”，28d抗压强度和抗折强度达到17.9MPa、3.37MPa。 (2)微观分析揭示在碱性条件下，赤泥和矿渣中的活性铝硅酸盐会发生水解溶出Si(OH)4和Al(OH)4-单体，活性单体继续与体系中的Na+、Ca2+等离子发生水化反应重新聚合生成C-(A)-S-H凝胶等产物从而形成强度。赤泥中的碱组份和部分活性铝硅盐得到充分利用，复配矿渣和脱硫石油焦渣可以弥补赤泥基地聚物低钙的问题。 (3)随着固化剂掺量的增加，骨料筒压强度和耐水性能均得到提升;当水玻璃体系固化剂掺量为40％,制备的赤泥基地聚物免烧骨料28d筒压强度为11.83MPa,经裹壳强化达到15.1MPa,满足规范人造高强轻集料6.5MPa的强度指标;随着养护龄期的增长，赤泥基地聚物免烧结骨料的重金属浸出毒性显著降低，赤泥基地聚物能够有效固化赤泥中大量的重金属元素，原赤泥中浸出含量较高的As、Cr经28d养护固化率为71.2％、79.3％,56d固化率提高至78.7％、83.5％,经过裹壳强化后，As、Cr的固化率达到98.4％、94.3％。 (4)水灰比对透水混凝土立方体抗压强度和透水系数的影响效应相反，综合分析考虑，建议透水混凝土水灰比为0.28,目标孔隙率20％,赤泥基地聚物免烧结核壳骨料取代率为25％,其56d抗压强度为14.7MPa,透水系数为3.89mm/s。
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