作者單位:

孟躍輝 中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)赤泥綜合利用推進(jìn)辦公室

湯林志 中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新部

景 莊 中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)赤泥綜合利用推進(jìn)辦公室

曾慶猛 中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)赤泥綜合利用推進(jìn)辦公室

1 前言

赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中排放的副產(chǎn)物，目前約95%的氧化鋁通過(guò)拜耳法生產(chǎn)。赤泥是典型的第二類一般工業(yè)固廢，其堿性較強(qiáng)，目前主要以筑壩堆存的方式處置。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，全國(guó)50 家氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)在2021 年排放赤泥約10360 萬(wàn)噸，利用量約600 萬(wàn)噸[1,2]。

赤泥顆粒細(xì)小，具有較高的比表面積。赤泥的主要化學(xué)成分因鋁土礦的來(lái)源及生產(chǎn)工藝的不同而存在差異（如表1 所示），但均含有Al2O3、Fe2O3、SiO2等化學(xué)成分。由于赤泥特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，使其在許多領(lǐng)域被開(kāi)發(fā)和利用（如圖1 所示）。

表1 國(guó)內(nèi)外赤泥主要化學(xué)成分[3]

圖1 涉及赤泥利用的領(lǐng)域

政府和中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)赤泥的綠色利用十分重視，提出在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域中，如何大規(guī)模低成本消納赤泥的課題。

從應(yīng)用現(xiàn)狀看，可以分為兩類：（1）分解分離類工藝：有價(jià)金屬的提取。（2）聚合工藝：土壤改良劑和膠凝材料。分解提取工藝會(huì)生成副產(chǎn)物，若想做到零排放，還要?dú)w于聚合工藝?yán)^續(xù)處理。提取有效成分是為了繼續(xù)發(fā)揮鋁土礦的價(jià)值，但能耗、成本較高；聚合工藝主要是固廢資源再利用。所以，聚合工藝能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低成本的開(kāi)發(fā)和利用[4-6]。

經(jīng)過(guò)調(diào)研和研究發(fā)現(xiàn)，大量的理論、文獻(xiàn)和實(shí)例都證明了其大規(guī)模低成本消納的主要方向是膠凝材料。所謂的膠凝材料是指在物理、化學(xué)作用下，能從漿體變成堅(jiān)固的石狀體，并能膠結(jié)其他物料，制成有一定機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合固體的物質(zhì)，例如墻體材料、充填材料、混凝土材料和路基材料等。

2 赤泥膠凝材料的分類

膠凝材料的發(fā)展是制作工藝的革新，溫度和材料等是其主要因素。不同材料的組成元素相似，火山灰、粘土、高嶺土，其均含有氧、硅、鋁等元素，只是含量不同。赤泥的組成成分同樣含有氧、硅、鋁，與膠凝材料的成分是高度一致的（如圖2 所示），在巖石學(xué)者眼中，赤泥是堿含量偏高的黏土而已。赤泥與一般的黏土類似，經(jīng)過(guò)改性后可被作為一般黏土的替代品，可以生產(chǎn)火山灰性膠凝材料。

圖2 主要化學(xué)組成對(duì)比

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)赤泥的有效利用開(kāi)展了大量研究工作[7-9]，利用赤泥制備水泥混凝土、路面基層、充填材料等已經(jīng)得到普遍重視。赤泥在膠凝材料中的應(yīng)用主要有水泥和堿激發(fā)膠凝材料。值得注意的是赤泥的組成及粒度特點(diǎn)，對(duì)于在硅酸鹽水泥等普通建材領(lǐng)域的應(yīng)用而言是其性能的重要缺陷。然而，對(duì)于堿激發(fā)膠凝材料，則是有益的成分，赤泥的主要成分為 Na2O、CaO、SiO2、Al2O3等，是堿激發(fā)膠凝材料所需要的主要成分。此外，堿激發(fā)膠凝材料對(duì)于赤泥中的重金屬離子、放射性元素等有害成分具有固化封存作用。因此，赤泥在新型堿激發(fā)膠凝材料中的應(yīng)用潛力巨大，發(fā)展前景更為廣闊。

2.1 赤泥堿激發(fā)膠凝材料的科學(xué)性

理論上化學(xué)反應(yīng)都是對(duì)峙反應(yīng)（可逆反應(yīng)），這是化學(xué)中的常識(shí)。在滿足一定動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件如反應(yīng)壓力、溫度、催化劑等，反應(yīng)可以向逆方向進(jìn)行。聚合的過(guò)程是廢棄物被賦予潛能的過(guò)程，是熵減和放熱的過(guò)程。礦石分解的過(guò)程也是礦物資源能力擴(kuò)散的過(guò)程，熵增和吸熱的過(guò)程（如圖3 所示）。

圖3 可逆過(guò)程及條件

鋁土礦經(jīng)破碎后加堿，最后分離、結(jié)晶、焙燒成氧化鋁，赤泥是礦石分離后的工業(yè)廢棄物。赤泥是一種具有火山灰活性的物質(zhì)，單獨(dú)使用活性低，具有潛在的膠凝性質(zhì)。添加激發(fā)劑和其他固廢，在滿足一定的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件下，赤泥中的Si、Fe、Ca 的活性是可以激活的，可以聚合生成膠凝材料。激活活性的方法一般有四種：（1）物理法或機(jī)械法，通過(guò)磨細(xì)，增加其活性。（2）加熱法，能耗較高。（3）化學(xué)法，添加化學(xué)激發(fā)劑。（4）混合法。根據(jù)能耗和成本的要求來(lái)確定工藝，一般使用化學(xué)法加機(jī)械法。

截至2022 年4 月，處在保護(hù)期內(nèi)的赤泥專利66 例，其中涉及到聚合過(guò)程的只有兩例。值得注意的是，將赤泥分解再利用的過(guò)程一定是高耗能的過(guò)程，且容易產(chǎn)生新廢渣。源于赤泥本身特性及大摻量消納的需求，赤泥堿激發(fā)膠凝材料是其大規(guī)模低成本消納的方向。

2.2 赤泥堿激發(fā)膠凝材料的研究基礎(chǔ)

關(guān)于赤泥做堿激發(fā)膠凝材料的研究其實(shí)早已經(jīng)成熟。幾乎在波特蘭水泥同期1908 年德國(guó)著名水泥化學(xué)家kuhl首次提出“堿激發(fā)材料”，在實(shí)驗(yàn)中表明，赤泥作膠凝材料的性能比普通水泥還要好；1948 年成立了國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)；1978 年全面研究、大規(guī)模開(kāi)發(fā)粉煤灰硅鋁酸鹽，研究反應(yīng)機(jī)理，性能和檢測(cè)方法。法國(guó)人大衛(wèi)奧維茲命名了“地聚物材料”；2017 年國(guó)際材料結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)出版了RiLEM 最新技術(shù)發(fā)展報(bào)告，全球15 個(gè)國(guó)家的研究進(jìn)展，中文版《堿激發(fā)材料》在2019 年出版，成果主要是赤泥等固廢上的研究突破。2021 年1 月，《固廢制備地質(zhì)聚合物》出版。

3 赤泥堿激發(fā)膠凝材料的特性

3.1 赤泥地質(zhì)聚合物

拜耳法赤泥CaO 含量相對(duì)較低，加入堿激發(fā)劑后，可以制成低鈣堿激發(fā)膠凝材料，也叫做地質(zhì)聚合物。法國(guó)教授大衛(wèi)奧維提出地質(zhì)聚合物的概念（Geopolymer，簡(jiǎn)稱地聚物），地質(zhì)聚合物是用富含硅鋁成分的固體原料與堿激發(fā)劑反應(yīng)制備出一種具有從無(wú)定形到半結(jié)晶態(tài)的三維立體結(jié)構(gòu)的新型硅鋁酸鹽材料，是由硅氧四面體和鋁氧四面體構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)聚合凝膠體。圖4 為不同齡期的赤泥地聚物水泥的SEM 照片，可以發(fā)現(xiàn)從最開(kāi)始的疏松多孔的結(jié)構(gòu)，到最后28d，硅鋁質(zhì)凝膠逐漸形成類沸石結(jié)構(gòu)。

圖4 不同齡期赤泥地聚物的SEM 照片

3.2 赤泥地聚物材料的形成機(jī)理

赤泥基膠凝材料的形成過(guò)程有多種理論可以解釋[10-13]，下面是兩種主要理論：

（1）解聚和縮聚理論：

解聚和縮聚理論是指地聚物膠凝材料的形成過(guò)程就是原料中硅氧鏈和鋁氧鏈在堿性催化劑作用下斷裂和再重組的過(guò)程。

原材料中的硅氧四面體、鋁氧四面體以及鋁氧六面體等，在堿激發(fā)劑中氫氧根離子和堿金屬活潑離子的作用下發(fā)生共價(jià)鍵破壞，在堿溶液中形成游離的Al(OH)4-與Si(OH)5-等集團(tuán)，溶解產(chǎn)生的離子集團(tuán)由固體顆粒表面向顆粒間隙擴(kuò)散，體系逐漸向飽和發(fā)展，離子集團(tuán)在低鈣堿性環(huán)境下發(fā)生聚合反應(yīng)生成低聚態(tài)凝膠(二聚體、三聚體)，低聚態(tài)凝膠又通過(guò)重構(gòu)成為三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)，最后凝膠進(jìn)一步聚合、硬化成為地質(zhì)聚合物（如圖5 所示）。

圖5 地聚合過(guò)程示意圖:

（2）硅（鋁）中心理論

硅（鋁）中心理論認(rèn)為，類似碳在有機(jī)物中的作用，硅在無(wú)機(jī)物中也起到了中心作用。

1.元素配比仿地，與地殼元素豐度大致相同。赤泥中Si/Al 較低，Al 不能全部用于聚合反應(yīng)而存與溶液中，此時(shí)形成的膠凝材料強(qiáng)度較低。因此，有必要加入一部分高活性硅鋁原料共同激發(fā)，如礦粉、粉煤灰和偏高領(lǐng)土等。

2.形成條件仿地，赤泥中硅鋁溶解速率低，活化程度較低，可通過(guò)機(jī)械能和熱能的方式提高赤泥的活性，使用機(jī)械能是更綠色的工藝，一般多選用球磨機(jī)和振動(dòng)磨進(jìn)行機(jī)械研磨，破壞赤泥結(jié)構(gòu)提高顆粒細(xì)度。

3.仿地聚物結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)由片狀、架狀、層狀、鏈狀、網(wǎng)狀和島狀的鋁硅酸鹽礦物組成，而鉀、鈉等離子由于硅的四配位同構(gòu)化效應(yīng)被固結(jié)在硅鋁網(wǎng)狀體中，保證了鈉離子和重金屬離子的固定。

4.性能仿地聚物，模仿地質(zhì)體所具有的基本物質(zhì)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特征，就能夠制造出具有天然地質(zhì)功能的人造材料。

解聚和縮聚理論解釋了赤泥經(jīng)過(guò)堿激發(fā)后作為膠凝材料的主要原料，性能優(yōu)于普通的硅酸鹽水泥。硅（鋁）中心理論解釋了赤泥與粉煤灰、石膏等多固廢協(xié)同處理，可以實(shí)現(xiàn)氧化鋁廠的零排放目標(biāo)，為赤泥綠色利用設(shè)計(jì)更為理想的方案。

3.3 赤泥地聚物材料的環(huán)保特性

3.3.1 堿離子的固定

從巖土學(xué)的角度來(lái)看，赤泥與一般黏土類似，可以做為一般黏土的替代品，只不過(guò)堿性較高。赤泥中堿的存在形式有兩種，一種是可溶性堿，含量占46%，另一種是不溶性結(jié)構(gòu)堿，占54%?？扇苄詨A是引起泛堿的原因，是具有危害性的，結(jié)構(gòu)性堿是無(wú)害的。

地聚物形成時(shí)，體系中的氫氧根離子和堿金屬活潑離子參與反應(yīng)破壞硅氧四面體、鋁氧四面體的共價(jià)鍵，并重新構(gòu)成三維網(wǎng)狀膠凝結(jié)構(gòu)，鈉離子成為膠體結(jié)構(gòu)中的一部分被固化下來(lái)。

3.3.2 重金屬離子的固定

在地聚物中重金屬主要通過(guò)物理封裝、化學(xué)鍵合等機(jī)理被固化。物理封裝即是在地聚物反應(yīng)過(guò)程中，硅鋁酸鹽溶解的 Si、Al 通過(guò)縮聚生成非晶態(tài)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以阻礙離子的浸出，使其滯留在地聚物內(nèi)部。

化學(xué)鍵合即是地聚物是由四面體硅酸鹽和鋁酸鹽單元通過(guò)共價(jià)鍵連接的具有三維結(jié)構(gòu)的堿性硅鋁酸鹽水合物。地聚物中重金屬的化學(xué)鍵主要基于堿金屬陽(yáng)離子的取代，重金屬陽(yáng)離子鍵合到鋁酸四面體單元上，并固定在地質(zhì)聚合物的結(jié)構(gòu)中。通過(guò)圖6 XRD 測(cè)試結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，其中的重金屬離子可以通過(guò)硅的四配位同構(gòu)化效應(yīng)固結(jié)在硅鋁網(wǎng)格中。

圖6 地聚物固化重金屬前后的XRD 圖（a: 固化前，b: 固化后）[14]

3.3.3 放射性

目前對(duì)赤泥最合適的大規(guī)模利用方法是生產(chǎn)建筑材料。國(guó)家對(duì)建筑材料的放射性水平有嚴(yán)格要求，見(jiàn)GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》。赤泥含有的放射性元素雖為痕量，但將赤泥直接作為建筑材料使用時(shí)，必須考慮其中的放射性是否能夠滿足國(guó)家對(duì)建筑材料放射性水平的技術(shù)要求，而業(yè)內(nèi)對(duì)赤泥放射性方面關(guān)注與探討明顯不足。關(guān)注并評(píng)價(jià)赤泥建材產(chǎn)品的放射性，對(duì)提高赤泥在建筑材料領(lǐng)域的利用率與推廣非常重要。王曉等人[15]研究了不同細(xì)度與摻量的沸石對(duì)赤泥水泥砂漿水化 28d 放射性的影響。結(jié)果表明，利用沸石來(lái)取代砂可以有效屏蔽赤泥水泥砂漿的放射性，如圖7 和圖8 所示，當(dāng)粒度相同時(shí)，屏蔽物沸石的摻量越高，放射性的屏蔽效果越好；當(dāng)摻量相同時(shí)，屏蔽物沸石的粒度越小，放射性的屏蔽效果越好。當(dāng)0.2mm 以下沸石取代砂量達(dá)到 15%時(shí)，放射性屏蔽率高達(dá) 22.7%，此時(shí)試塊的內(nèi)照射指數(shù)為 0.15，外照射指數(shù)為 0.24，放射性總比活度降低為 210.3 Bq/kg。因此，地聚物中的水化產(chǎn)物沸石有降低赤泥放射性的效果。

表4 放射性檢測(cè)報(bào)告和建筑材料使用范圍

表5 典型工業(yè)廢棄料放射性對(duì)比

圖7 沸石取代砂量對(duì)內(nèi)、外照射指數(shù)的影響[15]

圖8 沸石取代砂量對(duì)放射性總比活度和放射性屏蔽率的影響[15]

4 赤泥綠色利用經(jīng)濟(jì)性

4.1 歷史局限性

早在1908 年，德國(guó)工程師、科學(xué)家在試驗(yàn)和研究中表明，赤泥做鋁酸鹽水泥的性能要優(yōu)于硅酸鹽水泥。隨后法國(guó)、澳大利亞等國(guó)都進(jìn)行了一定的研究，最后都沒(méi)有投入實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。其中有許多原因：

（1）石灰石分布廣，硅酸鹽水泥可以就近生產(chǎn)。西方國(guó)家氧化鋁產(chǎn)能較低，赤泥原料供應(yīng)鏈沒(méi)有建立起來(lái)。

（2）外加劑的發(fā)展提高了硅酸鹽水泥的性能，使其從美觀、硬度等方面更符合建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，堿激發(fā)材料缺乏適應(yīng)性良好的外加劑，這成為了制約其發(fā)展的技術(shù)問(wèn)題。

（3）西方國(guó)家水泥市場(chǎng)需求量低，赤泥基膠凝材料生產(chǎn)動(dòng)力不足。

4.2 原料供應(yīng)

圖9 為我國(guó)歷年來(lái)氧化鋁產(chǎn)量，縱觀氧化鋁70 年歷程，氧化鋁產(chǎn)能大發(fā)展是從2006 年開(kāi)始，近十幾年的時(shí)間，氧化鋁產(chǎn)能的提升帶來(lái)了赤泥堆積問(wèn)題逐漸突兀，每生產(chǎn)一噸氧化鋁約排放0.8-1.5 噸赤泥。2021 年赤泥產(chǎn)生量超1 億噸，且赤泥產(chǎn)量相對(duì)集中，主要在山西、山東、河南、廣西和貴州等省份。其中黃河流域2021 年赤泥產(chǎn)生量7535 萬(wàn)噸，赤泥產(chǎn)量相對(duì)集中，原材料供應(yīng)充足。

圖9 我國(guó)歷年氧化鋁產(chǎn)量

4.3 市場(chǎng)需求

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究堿激發(fā)膠凝材料目的主要是替代水泥。膠凝材料應(yīng)用領(lǐng)域以混凝土行業(yè)為例，2021 年國(guó)內(nèi)水泥消費(fèi)量為23.6 億噸，市場(chǎng)容量大。在赤泥產(chǎn)生集中的五大地區(qū)，2021 年水泥生產(chǎn)總量約54084 萬(wàn)噸，赤泥產(chǎn)生量約為9872 萬(wàn)噸。以生產(chǎn)每噸赤泥基水泥摻雜60%赤泥計(jì)算，赤泥基水泥占水泥總量的30%（見(jiàn)表6）。

表6 2021 年赤泥集中地區(qū)水泥生產(chǎn)量

4.4 成本分析

4.4.1 技術(shù)工藝

地聚物工藝和硅酸鹽水泥工藝見(jiàn)圖10。地聚物相對(duì)于硅酸鹽水泥可以節(jié)省“一窯一磨”，生產(chǎn)成本和投資有極大的降低。其核心是激發(fā)劑，如同中醫(yī)中藥的“君臣佐使配伍原則”、“留方不留量”和王水中硝酸和硫酸的比例。激發(fā)劑的主體是堿或者能提供堿金屬離子，如水玻璃、氫氧化鈉、碳酸鈉等，重要的是配比。根據(jù)原料和用途不同，尋求不同的激發(fā)劑配比，堅(jiān)持一廠一策。

圖10 地聚物工藝和硅酸鹽水泥工藝對(duì)比

4.4.2 碳排放

水泥行業(yè)是制造業(yè)中碳排放最大行業(yè)之一，八大行業(yè)中居第三位。年碳排放量13.7 億噸，占全國(guó)碳排量的14%。單噸水泥的碳排放量為0.6 噸，其中原料石灰石分解產(chǎn)生的CO2為0.36 噸，燃煤產(chǎn)生的CO2為0.18 噸。在工藝過(guò)程CO2排放中，燃煤和原料石灰石分解所排放的CO2占比高達(dá)90%。按照硅酸鹽水泥的工藝，熟料燃燒是無(wú)法通過(guò)更改生產(chǎn)技術(shù)而降低碳排放的，只可以通過(guò)增加碳捕集與封存裝置的方式來(lái)解決。據(jù)中金研究院測(cè)算（《碳中和經(jīng)濟(jì)學(xué)》）碳捕集成本500 元，付出的單純綠色溢價(jià)就達(dá)278 元。

生產(chǎn)1 噸硅酸鹽水泥要產(chǎn)生0.6 噸的CO2，其中0.36噸主要來(lái)源于CaCO3熱分解產(chǎn)生，如果繼續(xù)使用石灰石作為水泥的主要原料，那么碳中和很難完成。

在生產(chǎn)過(guò)程中，由于赤泥地聚物無(wú)碳酸鈣分解，沒(méi)有熟料的燒制過(guò)程，可以降低70%的碳排放，節(jié)省下來(lái)的碳排放配額可以增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5 產(chǎn)品商業(yè)場(chǎng)景

5.1 應(yīng)用場(chǎng)景

赤泥地聚物材料使用方向如圖11：

5.1.1 高速公路和混凝土建材

以赤泥為原料的地聚物膠凝材料，可以替代硅酸鹽水泥，主要服務(wù)對(duì)象為：高速建材公司、混凝土配料站、房地產(chǎn)公司、交通公司等（見(jiàn)圖12）。（運(yùn)輸半徑200km）

5.1.2 礦山膠結(jié)充填

圖11 赤泥地聚物材料使用方向

圖12 赤泥基地聚物膠凝材料和赤泥路用施工現(xiàn)場(chǎng)

以赤泥、煤矸石等工業(yè)固廢為主要原料，生產(chǎn)膠結(jié)材料，替代特種水泥，具有早強(qiáng)、速凝等特性，可用于礦山的充填和回填。陳偉等人[16]研究赤泥激發(fā)粉煤灰時(shí)發(fā)現(xiàn)，未摻赤泥，粉煤灰顆粒間隙中生成孔隙針棒狀鈣礬石，粉煤灰表面無(wú)明顯侵蝕現(xiàn)象，微觀結(jié)構(gòu)較為疏松（圖13a）。隨著赤泥摻量的增加（圖13b、圖13c、圖13d），水化反應(yīng)生成C-S-H 凝膠量增加，附著在粉煤灰和赤泥顆粒表面，針棒狀的鈣礬石晶體也穿插在其中，優(yōu)化了孔結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。隨著赤泥摻量的增加，材料力學(xué)性能提升。從圖13d 可知，赤泥摻量較大時(shí)，粉煤灰表面被嚴(yán)重侵蝕，大量產(chǎn)物附著在其表面，表明赤泥提供的高堿度促進(jìn)水化反應(yīng)生成鈣礬石和半碳鋁酸鈣，促進(jìn)孔結(jié)構(gòu)的重塑和強(qiáng)度發(fā)展。

圖13 不同赤泥充填材料養(yǎng)護(hù)28 d 的SEM圖

5.1.3 有害廢物的固化

沸石材料能夠吸附有毒有害物質(zhì)。地聚物能像沸石和霞長(zhǎng)石一樣，固結(jié)含有有害元素的廢物，將半固態(tài)廢物轉(zhuǎn)變?yōu)楣袒Y(jié)體。廢物材料的有害元素與地質(zhì)聚合物混合后被固封在地質(zhì)聚合物基體的三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。

在地聚物中，網(wǎng)狀硅鋁酸鹽的-Si-O-Al-O-Si-結(jié)構(gòu)可以安全地包覆有毒金屬原子（重金屬、放射性陽(yáng)離子），而非網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽更易受化學(xué)侵蝕而滲漏。圖14a 和圖14b 為赤泥-礦渣地聚物養(yǎng)護(hù)至7d 的SEM 圖，其產(chǎn)物主要為卷曲片狀組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)和交錯(cuò)分布的片狀結(jié)構(gòu)。圖14c 和圖14d 為赤泥-礦渣地聚物養(yǎng)護(hù)28d的SEM 圖，其產(chǎn)物主要為層狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)堆積而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部分布著大小不一的納米級(jí)微孔。表7 為各圖片中所示方塊區(qū)域的能譜分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)Na 的固結(jié)效果較好。

圖14 赤泥-礦渣地聚物SEM圖[17]

5.1.4 海岸護(hù)堤、港口建筑、城市道路和機(jī)場(chǎng)

赤泥地聚物材料相對(duì)于硅酸鹽水泥具有更好的耐酸堿、耐腐蝕性，可用于海岸護(hù)堤和港口建筑等。赤泥地聚物材料具有早強(qiáng)和速凝的特性，可用于城市公路和機(jī)場(chǎng)等需要快速修理和恢復(fù)的公共場(chǎng)所。因此，赤泥地聚物材料具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景及市場(chǎng)前景。

5.2 已有標(biāo)準(zhǔn)

目前赤泥綠色利用已有的標(biāo)準(zhǔn)：《堿礦渣混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 439-2018、《公路工程赤泥（拜耳法）路基應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB37/T 3559-2019、《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》GB 18599-2020、《拜耳法赤泥路基工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》T/CNIA 0068-2020。正在上報(bào)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有：《赤泥回收硅鋁粉》、《赤泥回收硅鐵粉》和《赤泥基膠凝材料》等?？梢钥闯?，相關(guān)部門正在積極推進(jìn)赤泥地聚物方面的標(biāo)準(zhǔn)，這顯著促進(jìn)了赤泥地聚物的工程應(yīng)用。

表7 EDS 分析數(shù)據(jù)

6 總結(jié)及展望

基于赤泥特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，將其應(yīng)用于地聚物材料是其大規(guī)模低成本消納的方向。但目前依然存在赤泥地聚物制備和應(yīng)用中涉及的諸多關(guān)鍵問(wèn)題，今后應(yīng)深入研究，以期指導(dǎo)赤泥地聚物的工程應(yīng)用。

（1）從理論上解釋赤泥中各物相的解聚、縮聚行為，明確其地聚物水化產(chǎn)物和微結(jié)構(gòu)變化的機(jī)理。

（2）赤泥可以生態(tài)化利用。地聚物形成機(jī)理解釋了赤泥中堿離子、重金屬離子和放射性元素，可以形成穩(wěn)定的化合物被固定下來(lái)。而非“污染搬家”和點(diǎn)源污染變成面源污染，且做成膠凝材料制品后可以循環(huán)利用。但固化機(jī)制需要深入研究。

（3）赤泥有低成本工藝路線可供選擇，相對(duì)于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗和投資低，且碳排放可以降低70～80%。這種工藝不僅不影響高附加值元素的提取，還可以實(shí)現(xiàn)下游產(chǎn)品的延伸。

（4）赤泥利用工程化問(wèn)題是主要矛盾。技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展，社會(huì)認(rèn)知、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、外加劑研究等諸多問(wèn)題需要一個(gè)整體的解決方案。