摘要：冶金废水、赤泥和矿渣的三元地质聚合物注浆材料在环保和工程应用中具有重要意义。通过碱激发反应生成的N-A-S-H凝胶网络，赋予材料优异的力学性能和耐久性能，包括高抗压强度、抗折强度及卓越的耐腐蚀、抗冻融循环和耐磨损性能。这种新型注浆材料实现了废弃物的高效利用，还有效固化和稳定了有害成分，减少了环境污染。文章旨在系统探讨该材料的性能及形成机理，为其在实际工程中的应用提供科学依据和技术支持
关键词：冶金废水,赤泥,矿渣,三元地质聚合物,注浆材料性能
冶金废水、赤泥和矿渣作为工业生产的副产物，长期以来对环境造成了严重的污染问题。但这些废弃物中又富含有价值的成分，通过科学的资源化处理，可以转化为性能优异的建筑材料。地质聚合物注浆材料作为一种新型的环保建材，因其高强度、耐久性和优异的化学稳定性，逐渐受到广泛关注。
1资源化处理的必要性和可行性
冶金废水、赤泥及矿渣的资源化处理不仅是解决环境污染问题的重要路径，也是实现废物资源化、节约资源和能源的有效手段。冶金废水中含有大量有害重金属和化学物质，赤泥作为铝工业的副产物，富含氧化铝、氧化铁等成分，而矿渣是高炉炼铁的废弃物，具有良好的潜在水硬性。将这三种废弃物资源化处理，形成地质聚合物注浆材料，可以大幅度减少废弃物的排放量，降低环境污染风险，同时充分利用其潜在价值。通过将冶金废水、赤泥和矿渣进行适当比例的混合并在碱激发剂的作用下形成地质聚合物，不仅能使这些废弃物中的有害物质固化、稳定化，还能制备出具有优异力学性能和耐久性能的新型建筑材料。这种资源化处理方法不仅符合循环经济理念，还能实现废弃物的高值化利用，提高资源利用效率，从而达到环境保护与资源节约的双重目标［1］。
2实验材料与方法
2.1原材料
冶金废水、赤泥和矿渣是制备三元地质聚合物注浆材料的主要原材料。冶金废水通常含有高浓度的重金属离子，如铁、镍、铜等，以及大量的悬浮物和有机物。对冶金废水进行化学成分分析和重金属浓度检测，确保其在后续处理中的稳定性和反应活性。赤泥是铝土矿提取过程中产生的固体废弃物，主要成分为氧化铝、氧化铁、二氧化硅和钙、钠等金属氧化物。对赤泥进行筛分、干燥和粉磨处理，以获得粒度均匀、反应性较高的粉末。矿渣则是高炉炼铁过程中产生的副产品，其主要成分为硅酸盐和铝酸盐，具有潜在的水硬性和火山灰特性。矿渣在使用前需进行化学成分分析，并通过粉磨设备将其粉碎至一定细度，以提高其反应活性和力学性能。这三种原材料在综合利用中具有高度的协同效应，能够通过合理配比和碱激发剂的作用形成稳定的地质聚合物网络结构，提升最终材料的综合性能。
2.2实验方法
三元地质聚合物注浆材料的制备包括原材料预处理、混合、碱激发、成型及性能测试等步骤。首先，对冶金废水进行处理，通过化学沉淀法去除重金属离子，并进行浓缩处理以提高其固含量。赤泥和矿渣需经过干燥、粉磨和均化处理，确保其粒度和化学成分的均匀性。在制备过程中，将预处理后的冶金废水、赤泥和矿渣按一定比例混合，加入适量的碱激发剂（如氢氧化钠、硅酸钠溶液）进行搅拌，使其充分反应生成地质聚合物浆料。随后，将浆料注入模具中，在一定温度和湿度条件下进行养护，促进地质聚合物的固化和强度增长。为了评估三元地质聚合物注浆材料的性能，需进行一系列测试，包括抗压强度、抗折强度、耐腐蚀性能、抗冻融循环性能及耐磨损性能等。同时，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）等手段对材料的微观结构和化学组成进行表征，以揭示其内部结构与性能之间的关系［2］。
3三元地质聚合物注浆材料的性能研究
3.1力学性能
三元地质聚合物注浆材料的力学性能是评估其应用价值的关键指标之一，主要包括抗压强度、抗折强度和粘接强度。抗压强度测试通常采用标准立方体试样（50mm×50mm×50mm），在28天龄期进行测定。实验数据显示，该材料的抗压强度可达到45MPa以上，表现出优异的承载能力。抗压强度的提高主要归因于地质聚合物中形成的三维硅氧、铝氧网络结构，这种致密的网络结构能够有效分散外力，提升材料的整体抗压性能。此外，反应过程中生成的N-A-S-H（纳硅酸盐-铝酸盐-水合物）凝胶相和未完全反应的颗粒相互填充孔隙，进一步增强了材料的致密性和强度。
抗折强度也是三元地质聚合物的重要力学性能指标之一，用于评估材料在弯曲载荷下的承载能力。实验采用尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体试样，在28天龄期进行三点弯曲测试。测试结果显示，该材料的抗折强度可达8MPa，远高于传统水泥基材料。这种高抗折性能主要得益于其独特的微观结构，其中N-A-S-H凝胶相在固化过程中形成的连续网络有效地桥接了内部裂纹，阻止了裂纹的扩展。此外，赤泥和矿渣中的细小颗粒在碱激发剂的作用下，形成了均匀分布的增强相，这些增强相在外力作用下能够吸收和分散应力，显著提高了材料的抗折性能。
3.2耐久性能
三元地质聚合物注浆材料的耐久性能是其应用于实际工程中至关重要的指标，主要包括耐腐蚀性能、抗冻融循环性能和耐磨损性能。首先，耐腐蚀性能是衡量材料在各种化学介质中长期使用稳定性的关键。实验通过将试样浸泡在不同浓度的硫酸、盐酸和氢氧化钠溶液中，分别进行28天的侵蚀测试。结果显示，材料在酸性和碱性溶液中的质量损失率均小于2%，表明其具有优异的耐化学腐蚀性能。这种性能主要源于其致密的微观结构和高耐化学稳定性的N-A-S-H凝胶相，能够有效阻止化学介质的侵入和破坏。此外，赤泥和矿渣中的活性组分在碱激发下形成了稳定的硅氧、铝氧骨架结构，能进一步增强材料的耐腐蚀性能［3］。
抗冻融循环性能是评价材料在低温环境下长期使用可靠性的指标之一。实验采用标准冻融循环测试方法，将试样在-20℃~20℃之间反复冻融50个循环后进行强度测试。结果显示，试样的抗压强度损失率低于5%，说明其具有良好的抗冻融性能。这一性能的优异表现主要归因于材料内部致密的微观结构和均匀分布的N-A-S-H凝胶相，这些结构能够有效地减少水分在材料内部的迁移和冰晶的生成，从而减轻冻融循环对材料的破坏作用。此外，微观结构分析表明，材料在冻融循环过程中没有明显的裂纹和孔隙增大现象，进一步证明了其结构的稳定性和抗冻融能力。耐磨损性能是衡量材料在摩擦和磨损环境中使用寿命的重要指标。实验采用砂轮磨损试验机对试样进行磨损测试，结果显示，其磨损率低于0.05g/cm2，表现出优异的耐磨性能。
这主要得益于其致密的微观结构和高硬度的矿渣颗粒，这些颗粒在磨损过程中起到了支撑和保护作用，显著提高了材料的耐磨损性能。
3.3微观结构分析
三元地质聚合物注浆材料的微观结构分析主要依靠X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）等技术手段来揭示其内部结构与性能的关系。首先，XRD分析显示，材料的主要晶相为钠铝硅酸盐（N-A-S-H）凝胶，这种凝胶相是地质聚合物的骨架，赋予材料高强度和耐久性。通过XRD图谱可以观察到，在28天龄期时，材料中的无定形峰明显增强，表明在碱激发作用下，原材料中的活性组分充分反应形成了大量的无定形凝胶相。如图1所示。
此外，XRD分析还显示出少量的晶态相，如钙矾石和石英，这些晶态相的存在对提高材料的机械性能和耐久性能起到了积极的作用。结合XRD数据，材料中的N-A-S-H凝胶相含量较高，具有高度的化学稳定性和结构致密性，是材料优异性能的重要保障。
SEM分析提供了材料微观结构的直观图像，显示了三元地质聚合物的致密结构和均匀分布的颗粒形貌。在高倍率下观察，材料的微观结构呈现出连续的凝胶网络，填充了原材料颗粒之间的孔隙，形成了致密的固体基体。如图2所示。
SEM图像还显示出一些未完全反应的原材料颗粒，这些颗粒在凝胶相中起到了骨架和填充作用，能增强材料的力学性能。此外，EDS分析结果显示，材料中的主要元素为硅（Si）、铝（Al）、钠（Na）和氧（O），这些元素的均匀分布进一步证实了材料内部的化学均匀性和稳定性。EDS谱图还揭示了钙（Ca）和铁（Fe）的存在，这些元素来自赤泥和矿渣，在碱激发过程中形成了钙矾石和铁氧化物等增强相，能进一步提高材料的综合性能。通过微观结构分析，可以得出结论，三元地质聚合物注浆材料的优异性能主要源于其致密的凝胶网络结构和均匀分布的增强相，这些微观结构特征是材料实现高强度和耐久性能的基础［4］。
4机理分析
4.1化学反应机理
三元地质聚合物注浆材料的化学反应机理主要依赖于碱激发剂对冶金废水、赤泥和矿渣中活性组分的溶解和重组。在碱性条件下，铝硅酸盐材料（如赤泥和矿渣）中的Si-O-Si和Al-O-Al键被打破，形成硅酸盐和铝酸盐单元。这些单元在高pH值环境中进一步聚合，生成含有大量Si-O-Al和Si-O-Si键的N-A-S-H凝胶网络。具体而言，NaOH溶液作为碱激发剂，通过提供大量的OH-离子，促使Si和Al单元的溶解和重组。冶金废水中的重金属离子（如Fe3+、Cu2+）在反应过程中与N-A-S-H凝胶相互作用，形成稳定的络合物，从而固化和固定这些有害成分。整个反应过程通过放热反应迅速进行，生成的N-A-S-H凝胶具有高度的稳定性和化学耐久性，是材料实现高强度和耐久性能的基础。此外，反应过程中生成的钙矾石和铁氧化物等微晶相，进一步增强了材料的机械性能和化学稳定性。
4.2微观结构与宏观性能的关系
三元地质聚合物注浆材料的微观结构直接决定了其宏观性能。微观结构中致密的N-A-S-H凝胶网络和均匀分布的增强相（如钙矾石和铁氧化物），是材料实现高抗压强度和抗折强度的关键。这些凝胶和微晶相通过填充和桥接孔隙，形成了一个连续的三维网络结构，能有效地分散外部应力，阻止裂纹的扩展，并提高材料的整体力学性能。同时，材料内部的均匀性和致密性决定了其优异的耐久性能。在耐腐蚀性能方面，致密的微观结构能够有效阻止化学介质的侵入，保护材料内部结构不受损害。在抗冻融循环性能方面，均匀分布的N-A-S-H凝胶网络减少了水分在材料内部的迁移，降低了冻融循环对材料的破坏作用。微观结构的稳定性和致密性是材料实现高耐久性能的根本保障，从而在各种苛刻环境中表现出优异的使用寿命和稳定性［5］。
4.3外加剂的作用
外加剂在三元地质聚合物注浆材料的制备中起到了至关重要的作用，通过调节反应体系的化学环境，改善材料的微观结构和宏观性能。常用的外加剂包括超塑化剂、引气剂和矿物掺合料等。超塑化剂通过降低浆料的粘度，提高其流动性和施工性能，同时保持较高的强度和耐久性。引气剂通过引入微小而均匀的气泡，增加材料的抗冻融性能，改善其长期使用的可靠性。矿物掺合料（如粉煤灰、硅灰）则通过填充和活性反应，进一步优化材料的微观结构，提升其力学性能和耐久性能。例如，粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3在碱激发下与地质聚合物形成二次反应，生成更多的N-A-S-H凝胶，增强材料的结构致密性和强度。此外，外加剂还可以通过调节材料的孔隙结构和水化产物的形态，提高其耐化学腐蚀和耐磨损性能。综合来看，外加剂的合理使用是提升三元地质聚合物注浆材料综合性能的重要手段，对其实际工程应用具有重要意义。
5结语
综上所述，冶金废水、赤泥和矿渣的三元地质聚合物注浆材料在性能和机理研究中展现了显著的优势。该材料通过碱激发反应，形成了稳定的N-A-S-H凝胶网络和均匀分布的增强相，从而实现了优异的力学性能和耐久性能。其抗压强度、抗折强度以及耐腐蚀、抗冻融循环和耐磨损性能均表现出卓越的性能指标。这种新型注浆材料不仅有效固化和稳定了废弃物中的有害成分，还通过资源化处理实现了废物的高值利用，符合循环经济和环境保护的理念。微观结构分析进一步揭示了其优异性能的内在机制，提供了科学依据和技术支持。冶金废水、赤泥和矿渣的三元地质聚合物注浆材料在工程应用中具有广泛的前景，为环境治理和资源利用提供了一条切实可行的技术路径。
参考文献
［1］王进聪，张哲.冶金废水-赤泥-矿渣三元地质聚合物注浆材料性能及机理研究［J］.金属矿山，2023（6）：262-267.
［2］付宏渊，姚杰，邱祥.铜尾矿改性水泥基地聚合物注浆材料性能与机理分析［J］.中南大学学报（自然科学版），2024，55（3）：1107-1119.
［3］陈士军，龚木联，刘溯逸，等.基于响应曲面法的三元地聚合物注浆材料耐久性能研究［J］.硅酸盐通报，2024，43（3）：938-947.
［4］杨刚.聚脲注浆防渗和聚合物防水砂浆补强维修技术探讨［J］.化肥设计，2023，61（6）：17-19+22.
［5］胡春红，王彦伟，朱昌星.碳纤维增强聚合物水泥注浆材料力学性能及其微观机理［J］.硅酸盐通报，2022，41（1）：20-26+50.
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