阅读说明：本技术 一种赤泥地聚物骨料及其制备方法 (Red mud geopolymer aggregate and preparation method thereof ) 是由 王琰帅 董必钦 戴建国 邢锋 洪舒贤 田凯歌 侯东帅 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种赤泥地聚物骨料及其制备方法,所述赤泥地聚物骨料的原材料包括如下重量份的组分：赤泥50～100份；激发剂1～10份；粉煤灰0～40份；水20～60份。本发明提供的赤泥地聚物骨料具有较高的力学性能和抗压强度,具有更加广泛的工程应用。(The invention provides red mud geopolymer aggregate and a preparation method thereof, wherein the raw materials of the red mud geopolymer aggregate comprise the following components in parts by weight: 50-100 parts of red mud; 1-10 parts of an excitant; 0-40 parts of fly ash; 20-60 parts of water. The red mud geopolymer aggregate provided by the invention has higher mechanical property and compressive strength, and has wider engineering application.)

一种赤泥地聚物骨料及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土材料领域，尤其涉及一种赤泥地聚物骨料及其制备方法。

背景技术

目前，国家要求推动冶金渣、化工渣、赤泥、磷石膏等产业废弃物综合利用，推广一批先进适用技术与装备，加强对工业固体废弃物中战略性稀贵金属的回收利用。

赤泥是氧化铝生产过程中排出的工业固体废物，其中含有大量氧化铁而呈红色粉末状。赤泥的产出量和成分因矿石的品位和生产方法、技术水平而有所不同，据统计，每生产1吨氧化铝会产生0.5吨～2.0吨赤泥。目前，工业上常见的碱法生产氧化铝包含三种，即烧结法、拜耳法和联合法。中国作为世界第4大氧化铝生产国，氧化铝的产量逐年增加，每年排放的赤泥高达数百万吨。大量的赤泥如果得到不能充分有效的利用，就只能依靠大面积的堆场堆放，不仅占用了大量土地，也对环境造成了严重的污染。因此，赤泥的综合回收利用就显得尤为重要。

水泥混凝土路面是我国最常用的一种路面结构，每年新建规模巨大，消耗大量的砂、石原材料。但传统水泥混凝土路面结构基层和底基层采用的水泥稳定碎石结构或石灰-粉煤灰碎石结构强度变异大、温缩干缩开裂比较严重，易造成水泥混凝土路面出现断板、脱空等危害。目前，有较多研究将赤泥作为掺合料用于水泥混凝土材料中，但赤泥掺量较低，且随着赤泥的掺杂，材料的力学性能下降明显。因此，赤泥的综合利用效果并不理想，无法将赤泥很好地运用于建筑等工程应用中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种赤泥地聚物骨料及其制备方法，旨在解决现有技术中赤泥的力学强度和抗压强度过低，导致综合利用效果不好且不利于运用于工程应用的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种赤泥地聚物骨料，所述赤泥地聚物骨料的原材料包括如下重量份的组分：

以及，一种赤泥地聚物骨料的制备方法，包括如下步骤：

按照所述的赤泥地聚物骨料的原材料的配方分别称取各组分；

将所述赤泥进行预处理后与粉煤灰和水混合，得到第一混合料；

将所述第一混合料与激发剂进行混合造粒得到赤泥地聚物骨料。

本发明提供的赤泥地聚物骨料，以赤泥为主要原料，赤泥中主要含有SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃等物质，在激发剂作用下发生水化反应，使赤泥与水相互作用形成具有C-(A)-S-H凝胶结构或具有S-A-P-H、S-A-H凝胶结构的产物，在赤泥内部形成“网络结构”，增强赤泥材料的交联性能，提高了赤泥材料的力学强度的抗压强度。本发明提供的所述赤泥地聚物骨料还可以选择性地添加粉煤灰，粉煤灰与赤泥混合，根据需求制备不同密度等级的赤泥地聚物骨料，使赤泥地聚物骨料能达到较高的力学性能和抗压强度，一方面能够对赤泥原料进行大规模的回收利用，形成赤泥地聚物骨料；另一方面，由于赤泥地聚物骨料能达到较高的力学性能和抗压强度，可代替普通建筑砂子广泛应用于建筑等工程应用中。

本发明提供的赤泥地聚物骨料的制备方法，先将赤泥进行预处理，再混合其他组分，该制备方法能够使各组分分散均匀，在实现本发明赤泥地聚物骨料具较高的抗压强度的同时，保证所述赤泥地聚物骨料具有优异的稳定性能。此外，此制备方法工艺简单，条件可控，设备要求低，可用于工业化生产。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的赤泥地聚物骨料的电子显微图。

图2是本发明实施例3提供的赤泥地聚物骨料的电子显微图。

图3是本发明实施例4提供的赤泥地聚物骨料的电子显微图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实例提供一种赤泥地聚物骨料，所述赤泥地聚物骨料的原材料包括如下重量份的组分：

本发明提供的赤泥地聚物骨料，以赤泥为主要原料，赤泥中主要含有SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃等物质，在激发剂作用下发生水化反应，使赤泥与水相互作用形成具有C-(A)-S-H凝胶结构或具有S-A-P-H、S-A-H凝胶结构的产物，使赤泥内部形成了“网络结构”，增强赤泥材料的交联性能，提高了赤泥材料的力学强度的抗压强度；本发明提供的所述赤泥地聚物骨料还可以选择性地添加粉煤灰，粉煤灰与赤泥混合，根据需求制备不同密度等级的赤泥地聚物骨料，使赤泥地聚物骨料能达到较高的力学性能和抗压强度，应用更加广泛。

具体的，所述赤泥地聚物骨料以赤泥为主要原料，赤泥中主要含有SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃等物质。通过对赤泥原材料进行改性处理，改变赤泥的成分属性，提高赤泥原材料的力学强度和抗压能力。在本发明具体实施例中，在所述赤泥的添加量为50～100份的基础上添加1～10份的激发剂、0～40份的粉煤灰和20～60份的水，保证得到的赤泥地聚物骨料是以赤泥为主要原料进行制备的，以实现对赤泥的综合利用。

优选的，所述赤泥的中位径为1.3～1.6μm；控制赤泥的中位径为1.3～1.6μm，使赤泥的粒径大小适中，当赤泥改性处理时，能够保证与水相互作用之后形成具有凝胶网络的结构。若赤泥的粒径过大，发生水化反应不均衡，会导致所形成的凝胶网络过于稀疏，无法提高赤泥原材料的力学强度和抗压能力；若赤泥的粒径过小，反应过程中易出现团聚，不利于赤泥地聚物骨料的使用。进一步控制赤泥的中位径，可保证赤泥的颗粒大小均匀，有利于进行后续试验，使加入激发剂之后发生的水化反应的效果均衡。

优选的，所述赤泥的含水率为0.01％～3％，保证赤泥含水量低，使赤泥在反应过程中不会由于过量的水而影响力学强度，使制备得到的赤泥地聚物骨料能达到较高的力学性能和抗压强度。

具体的，所述赤泥地聚物骨料包括激发剂，激发剂主要用于激发赤泥与水发生水化反应以形成具有凝胶网络的结构，使赤泥材料内部的交联性能增强，提高了赤泥材料的力学强度的抗压强度。

优选的，所述激发剂选自硫酸、碳酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钙、氯化钠、碳酸钠、硅酸钠、硫酸钠中的至少一种。在一些实施例中，当激发剂选自硫酸、碳酸、磷酸中的至少一种，其中，硫酸含有硫酸根离子，碳酸含有碳酸根离子，磷酸含有磷酸根离子；在含有酸根离子激发剂的作用下，赤泥材料与水结合发生水化反应形成具有S-A-P-H或S-A-H凝胶结构的凝胶产物，在赤泥内部形成“网络结构”，增强赤泥材料的交联性能，提高了赤泥材料的力学强度的抗压强度。在一些实施例中，当激发剂选自氢氧化钠、氢氧化钙中的至少一种，其中，氢氧化钠和氢氧化钙均含有氢氧根离子；在含有氢氧根离子的激发剂作用下，赤泥材料与水结合发生水化反应形成具有C-(A)-S-H凝胶结构的凝胶产物，在赤泥内部形成“网络结构”，增强赤泥材料的交联性能，提高了赤泥材料的力学强度的抗压强度。

进一步优选的，所述激发剂选自氢氧化钠与硅酸钠的组合物，氢氧化钙与硫酸钠的组合物，磷酸与磷酸二氢铝的组合物中的任意一种。在一些实施例中，采用氢氧化钠与硅酸钠的组合物作为激发剂，其中，氢氧化钠为强碱性物质，硅酸钠是一种可溶性的无机硅酸盐，黏度较高，采用无机硅酸盐和强碱性物质的混合体系作为激发剂，多种阴离子共同作用，提高水化反应的速率，生成具有C-(A)-S-H凝胶结构的产物，提高赤泥材料之间的交联性能，使改性后的赤泥材料具有更强的力学强度。在一些实施例中，采用氢氧化钙与硫酸钠的组合物作为激发剂，采用强碱与带有硫酸根的盐作为激发剂，促进水化产物更快地生成，从而加快了赤泥“网格结构”的交联，提高了赤泥地聚物骨料的力学强度。在一些实施例中，采用磷酸与磷酸二氢铝的组合物作为激发剂，其中，磷酸是三元中强酸，不易挥发，不易分解，有一定氧化性和酸的通性；磷酸二氢铝是具有黏性的无机金属盐，与磷酸混合使用能够降低磷酸二氢铝的黏性，提高了水化反应的速度，同时会产生具有C-(A)-S-H凝胶结构的产物，进而提高了赤泥地聚物骨料的力学强度。

具体的，在所述赤泥的添加量为50～100份的基础上，所述激发剂的添加量为1～10份，添加上述添加量的激发剂，能够保证赤泥发生迅速、完整的水化反应，以形成具有C-(A)-S-H凝胶结构或具有S-A-P-H/S-A-H凝胶结构的产物，使赤泥内部形成了“网络结构”，增强赤泥材料的交联性能，提高了赤泥材料的力学强度的抗压强度。若激发剂的添加量较少，则会导致水化反应不完全，导致赤泥地聚物骨料的强度很低；若添加量过多会出现过量析出的现象，同时会导致费用成本过高，不利于规模化生产。

优选的，在所述赤泥的添加量为50～100份的基础上，所述赤泥地聚物骨料的原材料还包括0.01～1份添加剂。添加添加剂可以提高激发剂的激发能力，使原材料赤泥的水化程度进一步提升，提高水化反应的速率，使水化反应更完全。优选的，所述添加剂选自有机金属化合物。进一步优选的，所述有机金属化合物选自甲醇钠、乙醇钠、丙醇钠中的至少一种。添加上述有机金属化合物，能够提高激发剂的激发效果，促进赤泥进行水化反应，提高所述赤泥地聚物骨料的强度。

具体的，在所述赤泥的添加量为50～100份的基础上，所述赤泥地聚物骨料包括0～40份粉煤灰；本发明提供的赤泥地聚物骨料还可以选择性地添加粉煤灰，粉煤灰与赤泥混合，根据需求制备不同密度等级的赤泥地聚物骨料，使赤泥地聚物骨料能达到较高的力学性能和抗压强度，应用更加广泛。

优选的，所述赤泥地聚物骨料为球形颗粒，所述球形颗粒的粒径大小为500μm～10mm。使赤泥地聚物骨料的粒径为500μm～10mm，粒度较小且均匀，有利于后续进行使用。

所述赤泥地聚物骨料由以下制备方法制备得到。

相应的，本发明实施例还提供了一种赤泥地聚物骨料的制备方法。该方法包括如下步骤：

S01.按照所述的赤泥地聚物骨料的原材料的配方分别称取各组分；

S02.将所述赤泥进行预处理后与粉煤灰和水混合，得到第一混合料；

S03.将所述第一混合料与激发剂进行混合造粒得到赤泥地聚物骨料。

上述赤泥地聚物骨料的制备方法先将赤泥进行预处理，再混合其他组分，该制备方法能够使各组分分散均匀，在实现本发明赤泥地聚物骨料具较高的抗压强度的同时，保证所述赤泥地聚物骨料具有优异的稳定性能。此外，此制备方法工艺简单，条件可控，设备要求低，可用于工业化生产。

具体的，在上述步骤S01中，按照所述的赤泥地聚物骨料的原材料的配方分别称取各组分，所述赤泥地聚物骨料的原材料的性质及含量如上文所述，为了节约篇幅，此处不再进行赘述。

具体的，在上述步骤S02中，将所述赤泥进行预处理后与粉煤灰和水混合，得到第一混合料。优选的，将所述赤泥进行预处理的步骤中，所述预处理的方法为将所述赤泥于60～80℃中烘干后，进行球磨处理。其中控制烘干温度为60～80℃，保证得到的赤泥有利于进行后续试验，若温度过高，会导致赤泥结晶化，不利于后期与激发剂进行反应，同时也会导致过大能耗，产生较多成本。进一步优选的，烘干得到的赤泥含水量为0.01％～3％，控制所述赤泥的含水量有利于更好地形成较高的力学性能和抗压强度的赤泥地聚物骨料。

进一步的，进行球磨处理，在本发明优选实施例中，采用球磨机进行球磨处理，使所述赤泥的中位径为1.3～1.6μm；控制赤泥的中位径为1.3～1.6μm，使赤泥的粒径大小适中，当赤泥改性处理时，能够保证与水相互作用之后有利于形成具有凝胶网络的结构；若赤泥的粒径过大，发生水化反应不均衡，会导致所形成的凝胶网络过于稀疏，无法提高赤泥原材料的力学强度和抗压能力；若赤泥的粒径过小，反应过程中易出现团聚，不利于赤泥地聚物骨料的使用。进一步控制赤泥的中位径，可保证赤泥的颗粒大小均匀，有利于进行后续试验，使加入激发剂之后进行水化处理的效果均衡。

优选的，将所述赤泥进行预处理后与粉煤灰和水混合的步骤中，采用搅拌的方式于转速为30～35转/分的条件下进行混合，所述混合的时间为1～10分钟；此步骤中通过低速、短时间的混合处理制备得到第一混合料，以形成部分球体，使后续激发剂的加入能够均匀地进行反应。

在上述步骤S03中，将所述第一混合料与所述激发剂进行混合造粒得到赤泥骨料的步骤中，采用搅拌的方式于转速为60～65转/分的条件下进行混合造粒，所述混合造粒的时间为10～15分钟，加入激发剂后，与第一混合料反应，采用较高转速以及更长处理时间，加速赤泥原材料之间的进行水化反应，形成凝胶网络结构，以形成赤泥地聚物骨料。

在一些实施例中，所述激发剂以固态激发剂进行添加，将所述第一混合料与所述激发剂进行混合后，喷洒水进行造粒得到赤泥骨料，其中，所述喷洒的水的添加质量为第一混合料质量的5％～10％；采用固态激发剂进行试验，试验过程较简便。在一些实施例中，所述激发剂以液态激发剂进行添加，将所述一混合料与90％～95％的液态激发剂进行混合，再置于成球机中，喷洒5％～10％液态激发剂进行造粒得到赤泥骨料；采用液态激发剂进行试验，液态激发剂的分布更加均匀，制备得到的赤泥地聚物骨料的强度更优。

优选的，所述制备方法还包括将所述赤泥地聚物骨料进行养护处理。进一步优选的，将所述赤泥地聚物骨料进行养护处理的步骤中，将所述赤泥地聚物骨料于湿度为85％～95％、温度为20～25℃条件下进行养护处理，使制备得到的赤泥地聚物骨料能达到较高的力学性能和抗压强度，应用更加广泛。

下面以具体实施例的内容进一步进行说明。

实施例1

一种赤泥地聚物骨料及其制备方法

赤泥地聚物骨料的原材料包括如下重量份的组分：赤泥100份；激发剂5份；添加剂0.01份；水30份；其中，激发剂选氢氧化钠溶液。

赤泥地聚物骨料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：依赤泥地聚物骨料的原材料分别称取各组分；将赤泥在70℃烘箱中烘干后，使用球磨机粉磨2分钟至中位径为1.5μm；将赤泥、添加剂和水于转速为30转/分的转速下混合10分钟得到第一混合料；

激发剂以液态激发剂进行添加，将第一混合料与部分液态激发剂进行混合，再置于成球机中，喷洒剩余的液态激发剂于转速为60转/分的转速下混合10分钟进行造粒，再于湿度为85％～95％、温度为20～25℃条件下进行养护处理，得到赤泥地聚物骨料。

实施例2

一种赤泥地聚物骨料及其制备方法

赤泥地聚物骨料的原材料包括如下重量份的组分：赤泥90份；激发剂8份；粉煤灰10份；添加剂0.01份；水40份；其中，激发剂选硫酸溶液。

赤泥地聚物骨料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：依赤泥地聚物骨料的原材料分别称取各组分；将赤泥在70℃烘箱中烘干后，使用球磨机粉磨2分钟至中位径为1.5μm；将赤泥、添加剂、粉煤灰和水于转速为30转/分的转速下混合10分钟得到第一混合料；

激发剂以液态激发剂进行添加，将第一混合料与部分液态激发剂进行混合，再置于成球机中，喷洒剩余的液态激发剂于转速为60转/分的转速下混合10分钟进行造粒，再于赤泥骨料于湿度为85％～95％、温度为20～25℃条件下进行养护处理，得到赤泥地聚物骨料。

实施例3

一种赤泥地聚物骨料及其制备方法

赤泥地聚物骨料的原材料包括如下重量份的组分：赤泥80份；激发剂10份；粉煤灰20份；添加剂0.01份；水30份；其中，激发剂选自氢氧化钠与硅酸钠的组合物。

赤泥地聚物骨料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：依赤泥地聚物骨料的原材料分别称取各组分；将赤泥在60℃烘箱中烘干后，使用球磨机粉磨1分钟至中位径为1.3μm；将赤泥、添加剂、粉煤灰和水于转速为30转/分的转速下混合10分钟得到第一混合料；

激发剂以固态激发剂进行添加，将第一混合料与激发剂进行混合后，喷洒水于转速为60转/分的转速下混合10分钟进行造粒，再于湿度为85％～95％、温度为20～25℃条件下进行养护处理，得到赤泥地聚物骨料。

实施例4

一种赤泥地聚物骨料及其制备方法

赤泥地聚物骨料的原材料包括如下重量份的组分：赤泥70份；激发剂10份；粉煤灰30份；添加剂0.1份；水40份；其中，激发剂选自氢氧化钙与硫酸钠的组合物。

赤泥地聚物骨料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：依赤泥地聚物骨料的原材料分别称取各组分；将赤泥在70℃烘箱中烘干后，使用球磨机粉磨2分钟至中位径为1.4μm；将赤泥、添加剂、粉煤灰和水于转速为30转/分的转速下混合10分钟得到第一混合料；

激发剂以固态激发剂进行添加，将第一混合料与激发剂进行混合后，喷洒水于转速为60转/分的转速下混合10分钟进行造粒，再于湿度为85％～95％、温度为20～25℃条件下进行养护处理，得到赤泥地聚物骨料。

实施例5

一种赤泥地聚物骨料及其制备方法

赤泥地聚物骨料的原材料包括如下重量份的组分：赤泥90份；激发剂10份；粉煤灰10份；添加剂0.01份；水30份；其中，激发剂选磷酸与磷酸二氢铝的组合物。

赤泥地聚物骨料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：依赤泥地聚物骨料的原材料分别称取各组分；将赤泥在70℃烘箱中烘干后，使用球磨机粉磨2分钟至赤泥的中位径为1.5μm；将赤泥、添加剂、粉煤灰和水于转速为30转/分的转速下混合10分钟得到第一混合料；

激发剂以固态激发剂进行添加，将第一混合料与激发剂进行混合后，喷洒水于转速为60转/分的转速下混合10分钟进行造粒，再于湿度为85％～95％、温度为20～25℃条件下进行养护处理，得到赤泥地聚物骨料。

对比例1

一种赤泥料及其制备方法

赤泥料的原材料包括100份赤泥。赤泥料采用以下制备方法制备得到，制备方法如下：将100份赤泥在70℃烘箱中烘干后，使用球磨机粉磨2分钟至赤泥的中位径为1.5μm，得到赤泥料，该赤泥并不能在造粒机上制备具有强度的骨料，只有成粒的颗粒并没有机械强度。

结果分析

对实施例1～5所制备得到的赤泥地聚物骨料和对比例1制备得到的赤泥骨料进行性能分析，分析得到：实施例1～5制备得到的赤泥地聚物骨料级配良好；如附图1所示，附图1由实施例1制备得到的赤泥地聚物骨料的SEM显微形貌图，可以看出，当在赤泥中加入激发剂，可以得到明显的水花产物，产品致密性良好；如附图2所示，附图2由实施例3制备得到的赤泥地聚物骨料的SEM显微形貌图，产品致密性良好；如附图3所示，附图3由实施例4制备得到的赤泥地聚物骨料的SEM显微形貌图，产品致密性良好。

将养护后的赤泥地聚物骨料进行抗压强度测定，如下表1所示，实施例1制备得到的赤泥地聚物骨料的抗压强度为5.3MPa；实施例2制备得到的赤泥地聚物骨料的抗压强度为1.7MPa；实施例3制备得到的赤泥地聚物骨料的抗压强度为7.5MPa；实施例4制备得到的赤泥地聚物骨料的抗压强度为8.2MPa；实施例5制备得到的赤泥地聚物骨料的抗压强度为4.1MPa；对比例1制备得到的赤泥骨料的抗压强度为0；分析可得，采用本申请的赤泥地聚物骨料原材料制备得到的赤泥地聚物骨料能达到较高的力学性能和抗压强度，可代替普通建筑砂子广泛应用于建筑等工程应用中。

表1

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。