专利摘要
本发明公开了一种调节地聚合物强度及实现高强地聚合物的方法，涉及固体废弃物资源化和新型建筑材料制备技术领域；以拜耳法赤泥、煤系偏高岭土、碱激发溶液为反应物来制备地聚合物，通过控制反应物中总的Si/Al和Na/Al的原子摩尔比来调节地聚合物的抗压强度；反应物Si/Al原子摩尔比为1.1‑1.4，Na/Al原子摩尔比0.55~1.3，反应物中水与固体质量比值为0.4‑0.7；本发明改变原料中的Si/Al和Na/Al的原子摩尔比，在保证地聚合物抗压强度的基础上，得到不同强度等级早期强度高的地聚合物产品，实现地聚合物强度的工程可控，并且对环境友好。
权利要求
1.一种调节地聚合物强度的方法，其特征在于，以拜耳法赤泥、煤系偏高岭土、碱激发溶液为反应物来制备地聚合物，通过控制反应物中总的Si/Al和Na/Al的原子摩尔比来调节制成的地聚合物的抗压强度，所述的控制反应物中总的Si/Al和Na/Al的原子摩尔比包括：
当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.2时，Na/Al的原子摩尔比为：1.0，反应物中水与固体质量比值为0.5；
当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.3时，Na/Al的原子摩尔比为：0.9，反应物中水与固体质量比值为0.6；
当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.4时，Na/Al的原子摩尔比为：1.2，反应物中水与固体质量比值为0.7；
所述的碱激发剂为水玻璃溶液和氢氧化钠分析纯配置的混合溶液；通过向原料中加入水玻璃溶液调节原料组分中Si的含量，通过向原料中加入氢氧化钠分析纯调节原料组分中Na的含量；
所述拜耳法赤泥的化学组成成分的质量分数为：SiO
说明书
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化和新型建筑材料制备技术领域，具体涉及一种调节地聚合物强度及实现高强地聚合物的方法。
背景技术
赤泥是由铝土矿石的氧化铝精炼产生的固体废物。赤泥主要从拜耳法收集，该法使用氢氧化钠溶解硅酸铝。通常1吨氧化铝的生产过程中会有约1至1.5吨的赤泥。许多研究人员已经做出了重大努力来处理赤泥并减少其对环境的影响。处理赤泥的主要并发症之一是由于其高pH值，在10到13之间，并且其数量很大。最近在世界各地研究了各种类型的处置技术及其兼容性，例如深海倾倒，垃圾填埋和池塘储存。在田间储存的大量赤泥是非常危险和有毒的，设计不良的储水坝可能因其失效而导致社会和环境污染。因此，已经进行了许多努力来寻找具有成本效益和环境可持续性的技术，这些技术可以帮助以适当的方式利用和处理赤泥。例如，研究已经研究了利用赤泥作为路基材料的技术，作为去除污染物，催化剂和凝结剂的吸附材料，以及将其作为中和酸性废物的试剂以及回收有价值的金属。但是，这些处理方法都很难实现赤泥的大规模利用。
煤系高岭土又称作煤矸石，是煤的伴生矿物。我国的煤系高岭土储量大，质量好分布广，几乎大型煤矿都伴生或共生高岭土。然而，随着煤炭行业的发展，采煤及煤加工过程中产生的煤系高岭土（煤矸石）的产量也与日俱增，这不仅占据了大片土地，而且对生态环境包括水资源，土地资源和空气质量造成严重污染和破坏，甚至酿成安全事故，如不加紧有效利用和处理，将影响煤炭工业的正常发展，影响周围环境质量。煤系偏高岭土是煤系高岭土在合适的温度下煅烧形成的，是一种无定形物质。有效利用煤系高岭土，不仅可以减少污染煤矸石储存造成的环境污染，还会增加某些领域的额外价值。
地聚合物是一种由碱激发铝硅质材料形成的胶凝材料。从制备原料及过程等考虑，地聚合物可定义为：以“铝硅酸盐”的天然矿物（如高岭土，偏高岭土，硅藻土等）或工业废渣（如火山灰、矿渣、粉煤灰、硅灰、尾矿、赤泥、钢渣等）；碱激发剂（如水玻璃，苛性钾，苛性钠，硅酸钾等）为原料，经过适当工艺处理，通过化学反应得到的具有与陶瓷性能相似的一种新材料。与普通硅酸盐胶凝材料相比，地聚合物具有力学性能更好、早期强度高、原料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小（基本不排放CO2）等优点，是一种环保水泥，是近年来在国际上研究非常活跃的新型材料之一，但是在实际应用过程中很难生产出不同强度等级的地聚合物产品，不能够供不同的实际工程进行选用。
而在地聚合物生产的过程中，原料的组成和配比对地聚合物的抗压强度影响较大，而如何在保证地聚合物抗压强度的基础上，对原料进行调节，使原料配方根据实际条件需要进行改变同时实现不同需求下抗压强度的调整，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种调节地聚合物强度及实现高强地聚合物的方法，目的是在保证地聚合物抗压强度的前提下，对原料的配比实现可调，满足生产中的实际要求，解决高抗压范围内地聚合物强度不易调节的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种调节地聚合物强度及实现高强地聚合物的方法，以拜耳法赤泥、煤系偏高岭土、碱激发溶液为反应物来制备地聚合物，通过控制反应物中总的Si/Al和Na/Al的原子摩尔比来调节制成的地聚合物的抗压强度，所述的控制反应物中总的Si/Al和Na/Al的原子摩尔比包括。
当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.1时，Na/Al的原子摩尔比为：0.55~0.8，反应物中水与固体质量比值为0.4。
当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.2时，Na/Al的原子摩尔比为：0.6~1.1，反应物中水与固体质量比值为0.5。
当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.3时，Na/Al的原子摩尔比为：0.7~1.2，反应物中水与固体质量比值为0.6。
当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.4时，Na/Al的原子摩尔比为：0.8~1.3，反应物中水与固体质量比值为0.7。
优选的，当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.2时，Na/Al的原子摩尔比为1.0，反应物中水与固体质量比值为0.5。
优选的，当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.3时，Na/Al的原子摩尔比为0.9，反应物中水与固体质量比值为0.6。
优选的，当反应物Si/Al的原子摩尔比为1.4时，Na/Al的原子摩尔比为1.2，反应物中水与固体质量比值为0.7。
优选的，所述的碱激发剂为水玻璃溶液和氢氧化钠分析纯配置的混合溶液。
通过向原料中加入水玻璃溶液调节原料组分中Si的含量，通过向原料中加入氢氧化钠分析纯调节原料组分中Na的含量。
图1是煤系偏高岭土、赤泥和Si/Al原子摩尔比为1.1、Na/Al分别为0.55、0.65、0.80时的赤泥—煤系偏高岭土地聚合物试样的XRD图谱。
图1所示，赤泥原料中主要矿物有钙霞石族矿、加藤石、赤铁矿、方解石、三水铝矿等，通过XRD图谱显示的都是尖锐的峰，没有明显的驼峰，表明赤泥原料中非晶相物质不多。其中钙霞石族矿是类似长石矿物的一种，是含碱性的硅铝酸盐矿，其中赤泥中是由多种钙霞石矿物混合的状态。煤系偏高岭土的X射线衍射峰中呈漫射峰，在18~32°（2θ）之间具有明显的宽驼峰，并有几个小峰，表明其基本上包含以无定型的SiO2，主要以非晶相的物质为主。
通过本发明方法形成赤泥—煤系偏高岭土地聚合物的XRD图谱相对于赤泥生成了沸石类矿物，而沸石类矿物类似于地壳中的岩石具有高强特点。沸石类矿物是在强碱环境下，OH
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。
（1）本发明采用赤泥和煤系偏高岭土作为地聚合物的原材料，材料来源广，制备工艺简单，并且可以实现工业化生产，具备良好的经济价值。
（2）本发明通过引入Si和Na改变原料中的Si/Al和Na/Al的原子摩尔比，得到不同强度等级的地聚合物产品，实现地聚合物强度的工程可控，成本低廉，经济效果显著。
（3）本发明通过严格限定的原料中的硅铝比及钠铝比，在保证地聚合物抗压强度的基础上制备的地聚合物，充分利用了拜耳法赤泥，满足建筑材料的要求，开发了赤泥资源化利用的新途径。
（4）本发明开发的赤泥—煤系偏高岭土地聚合物相比于传统胶凝材料具有优异的力学性能，早期强度高，并且在生产的过程中没有CO2的排放，环境污染小，具有一定的环境价值。
附图说明
图1为煤系偏高岭土、赤泥和Si/Al原子摩尔比为1.1、Na/Al分别为0.55、0.65、0.80时的赤泥—煤系偏高岭土地聚合物试样的XRD图谱。
图2为煤系偏高岭土、赤泥和Si/Al原子摩尔比为1.2、Na/Al分别为0.6、1.0、1.1时的赤泥—煤系偏高岭土地聚合物试样的XRD图谱。
图3为煤系偏高岭土、赤泥和Si/Al原子摩尔比为1.3、Na/Al分别为0.7、0.9、1.2时的赤泥—煤系偏高岭土地聚合物试样的XRD图谱。
图4为煤系偏高岭土、赤泥和Si/Al原子摩尔比为1.4、Na/Al分别为0.8、1.2、1.3时的赤泥—煤系偏高岭土地聚合物试样的XRD图谱。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
（1）原料选取与加工：
所用材料包括山西河津铝厂的拜耳法赤泥和山西忻州煅烧高岭土厂的HP-90B煤系偏高岭土，其中拜耳法赤泥自然风干，采用破碎机粉碎后过0.075mm的筛；破碎过筛后的赤泥粉末放入烘箱105℃烘干24h得到试验所需赤泥原料比表面积平均粒径为2.64μm，比表面积为2270m
表1 拜耳法赤泥的化学成分。
表2 煤系偏高岭土的化学成分。
水玻璃溶液为市售的工业水玻璃（SiO2含量24.73%，Na2O含量8.17%，模数3.12，波美度40，密度1.375g/cm
（2）地聚合物制备及强度测试：
控制赤泥和煤系偏高岭土的质量比为1:1，Si/Al的比值为1.1时，Na/Al的变化范围分别为：0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80，水与固体质量比值为0.4（水的质量包括加入水玻璃溶液中水与加入蒸馏水的质量之和，固体质量包括拜耳法赤泥和煤系偏高岭土的质量之和），制备地聚合物。
28d龄期时测试地聚合物试块的抗压强度，其中测试速率为2mm/min；
所得地聚合物试块28d的抗压强度分别为4.94MPa、13.77MPa、15.15MPa、18.39MPa、20.95MPa、25.15MPa。
实施例2
（1）原料选取：所述同实施例1中步骤（1）
（2）地聚合物制备及强度测试：
控制赤泥和煤系偏高岭土的质量比为1:1，Si/Al的比值为1.2时，Na/Al的变化范围分别为：0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1，水与固体质量比值为0.5（水的质量包括加入水玻璃溶液中水与加入蒸馏水的质量之和，固体质量包括拜耳法赤泥和煤系偏高岭土的质量之和），制备地聚合物。
28d龄期时测试试块的抗压强度，其中测试速率为2mm/min。
所得地聚合物试块28d的抗压强度分别为3.05MPa、32.76MPa、35.46MPa、44.30MPa、52.73MPa、43.22MPa。
实施例3
（1）原料选取：所述同实施例1中步骤（1）。
（2）地聚合物制备及强度测试：
控制赤泥和煤系偏高岭土的质量比为1:1，Si/Al的比值为1.3时，Na/Al的变化范围分别为：0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2，水与固体质量比值为0.6（水的质量包括加入水玻璃溶液中水与加入蒸馏水的质量之和，固体质量包括拜耳法赤泥和煤系偏高岭土的质量之和），制备地聚合物。
28d龄期时测试地聚合物试块的抗压强度，其中测试速率为2mm/min。
所得地聚合物试块28d的抗压强度分别为6.32MPa、43.99MPa、51.65MPa、48.43MPa、30.91MPa、29.62MPa。
实施例4
（1）原料选取：所述同实施例1中步骤（1）。
（2）地聚合物制备及强度测试：
控制赤泥和煤系偏高岭土的质量比为1:1，Si/Al的比值为1.4时，Na/Al的变化范围分别为：0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3，水与固体质量比值为0.7（水的质量包括加入水玻璃溶液中水与加入蒸馏水的质量之和，固体质量包括拜耳法赤泥和煤系偏高岭土的质量之和），制备地聚合物。
28d龄期时测试地聚合物试块的抗压强度，其中测试速率为2mm/min；
所得地聚合物试块28d的抗压强度分别为4.57MPa、33.39MPa、33.96MPa、35.88MPa、41.75MPa、40.36MPa。
图1是煤系偏高岭土、赤泥和Si/Al原子摩尔比为1.1、Na/Al分别为0.55、0.65、0.80时的赤泥—煤系偏高岭土地聚合物试样的XRD图谱。
图1所示，赤泥原料中主要矿物有钙霞石族矿、加藤石、赤铁矿、方解石、三水铝矿等，通过XRD图谱显示的都是尖锐的峰，没有明显的驼峰，表明赤泥原料中非晶相物质不多。其中钙霞石族矿是类似长石矿物的一种，是含碱性的硅铝酸盐矿，其中赤泥中是由多种钙霞石矿物混合的状态。煤系偏高岭土的X射线衍射峰中呈漫射峰，在18~32°（2θ）之间具有明显的宽驼峰，并有几个小峰，表明其基本上包含以无定型的SiO2，主要以非晶相的物质为主。
通过本发明方法形成赤泥—煤系偏高岭土地聚合物的XRD图谱相对于赤泥生成了沸石类矿物，而沸石类矿物类似于地壳中的岩石具有高强特点。沸石类矿物是在强碱环境下，OH
本发明通过引入Si和Na改变地聚合物中的Si/Al和Na/Al的原子摩尔比，得到不同强度等级的地聚合物产品，实现地聚合物强度的工程可控，成本低廉，经济效果显著。
通过严格限定的原料中的硅铝比及钠铝比，在保证地聚合物抗压强度的基础上制备的地聚合物，充分利用了拜耳法赤泥，满足建筑材料的要求，开发了赤泥资源化利用的新途径。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
一种调节地聚合物强度及实现高强地聚合物的方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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