含钙铝土矿选尾矿制备硅铝聚合材料的应用基础研究

硅铝聚合材料是一种环境负荷低、低碳效果显著的环境友好材料。铝土矿选尾矿是氧化铝工业排放的新兴废弃物，其筑坝、堆存等都要较赤泥更为困难。项目在已经利用该尾矿成功制备出性能优异的硅铝聚合材料的基础上，针对水玻璃自身聚合结构对该材料自结构形成的影响这一未知问题，并结合该尾矿在脱水处理时就添加有生石灰的事实，研究该材料的合成机理、钙与水玻璃的作用机制等基础理论问题。通过研究材料组成与微观结构、钙对反应历程及产物的影响、水玻璃自身聚合结构的变化及其对硅铝网络结构的影响等，解答由铝土矿选尾矿制备的硅铝聚合材料为什么具有优异性能、钙为什么影响凝结硬化行为及宏观性能、水玻璃自身聚合特征及其在掺钙时如何影响材料自结构形成等这一系列问题。研究成果不仅是该类材料理论研究的深入与扩展，也是该类材料性能优化及推广应用的理论支撑，并为氧化铝企业铝土实施该尾矿的资源化利用及其脱水处理工艺提供理论指导。

项目研究了掺钙条件下材料经历不同环境后的组成、结构及性能的变化，并阐明了钙对该材料凝结硬化行为及性能的影响及影响机制。以上述成果为主要内容，发表论文8篇（含已录用2篇），申请专利2项。.项目取得了如下主要成果：.弄清了尾矿中各组分在碱激发条件下的作用，发现其活性来源于偏高岭土。在常温下，以掺钙作为增强手段得到了强度超过50.0MPa的砂浆试样，发现生成致密胶凝产物是其具备高强度的主要原因。该成果为铝土矿选尾矿这一“新型”废弃物的资源化利用提供了技术选择。.阐明了高温作用对材料组成、结构等的影响。发现该材料经受1000℃的高温煅烧后，因凝胶的收缩及石英在高温阶段的位移、重建性转变膨胀而呈现先收缩再膨胀的变化；因这种收缩凝胶与膨胀石英的热不相容而导致材料强度在800℃-1000℃时显著下降；凝胶虽然能够经受600℃的高温而不分解，但在更高温度下会分解、结晶为铝酸钙及钙长石，这也导致强度显著下降；当材料经受1200℃的高温煅烧后，因烧结的致密化作用及含钠钙长石等陶瓷相的生成，材料的强度反而有所回升。该成果展示了该材料的热行为，为其应用作隔热防火工程材料提供了支撑数据。.阐明了低温养护（-13℃-17℃）对该材料强度发展的影响，发现尽管低温养护因对硅铝聚合反应的延缓而使得强度延迟发展，但强度仍然能够稳定增长至60.0MPa（90天）以上。这种延缓作用将最终作用于材料微观结构，因为低温养护材料中具有更多大于10μm的大孔，这决定了其各龄期强度均偏低。该成果对该材料在高纬度、低气温地区的应用提供了支撑。.阐明了长龄期养护碱激发胶凝材料的组成、结构演化，发现在常温条件下即使试样经历了6年龄期的养护其强度也未见倒缩，而是持续地增长至75.0MPa以上，这种强度发展归因于其结构的日渐致密。但在该材料的孔洞中发现了碳酸盐，这说明其发生了碳化，因此若用作暴露于自然条件下的工程材料其还应提高抗碳化性能。该成果可丰富该材料长期性能数据库。.揭示了掺钙对材料凝结硬化行为的影响机制，发现在初始阶段溶出的钙离子与水玻璃直接反应而生成凝胶，从而在宏观上表现为凝结时间缩短。这种早期的聚合反应使得材料结构形成不再受限于硅铝原料颗粒的溶出、解聚等过程，且生成的凝胶起搭接及填充作用，这使得材料的强度提高。该成果为该材料的性能优化提供了技术选择。