权利要求
1.一种金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物优化制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、使用金尾矿、硅灰和粉煤灰作为固体混合原料，加入氢氧化钠和水玻璃作为复合碱激发剂;
步骤2、基于所述固体混合原料与复合碱激发剂的化学组成，确定并调控体系中的四个关键摩尔比，其分别为原材料中的硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)、碱激发剂的模量n(SiO2)/n(Na2O)、碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)、水的加入量n(Na2O)/n(H2O);
步骤3、采用正交实验设计法，以所述四个关键摩尔比为影响因素，以地聚物制品的抗压强度为评价指标，进行实验设计并制备地聚物试样;
步骤4、测试所述地聚物试样的抗压强度，通过分析确定各因素对抗压强度影响的主次顺序，并获得抗压强度最优化的四个关键摩尔比的最佳配比组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体混合原料中，按干基质量百分比计，金尾矿的掺量为50%，粉煤灰的掺量为42.5%~49.5%，硅灰的掺量为0.5%~7.5%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水玻璃的模数n(SiO2)/n(Na2O)为3.3，氢氧化钠的加入量用于调整复合碱激发剂达到所需的n(SiO2)/n(Na2O)摩尔比范围为1.2~1.6。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最佳配比组合中，硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)的摩尔比为3.4~4，碱激发剂的模量n(SiO2)/n(Na2O)的摩尔比范围为1.3~1.5，碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)的摩尔比范围为0.5~0.7，水的加入量n(Na2O)/n(H2O)的摩尔比为0.04~0.08。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备地聚物试样的过程包括：
步骤31：将金尾矿、粉煤灰和硅灰分别于105±2℃干燥至恒重，待其冷却至室温，用标准振筛机对其进行筛分;
步骤32：将金尾矿、粉煤灰和硅灰混合搅拌2min，至颗粒分布均匀;其次，加入氢氧化钠和水玻璃作为复合碱激发剂，利用水泥砂浆搅拌机搅拌，于80r/min匀速搅拌1分钟。
6.一种金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物，其特征在于，由权利要求1至5中任一项所述方法制备得到金尾矿-粉煤灰-硅灰基地聚物;其7天抗压强度达到了20MPa以上。
7.根据权利要求6所述的地聚物，其特征在于，将金尾矿-粉煤灰-硅灰基地聚物应用于道路基层材料、墙体砌块、工程回填的建筑材料中。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及固体废弃物资源化利用与绿色建筑材料技术领域，尤其涉及一种金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物以及优化制备方法。
背景技术
[0002]建筑业作为能源消耗与碳排放的关键领域，其核心材料—传统波特兰水泥的生产过程具有高资源消耗与高碳排放的特征。该过程不仅消耗了大量的自然资源，也向大气中排放大量的二氧化碳，显著加剧全球变暖。据统计，全球水泥行业约占人为二氧化碳排放总量的7%-8%，因此，开发低碳、环保的替代性材料已成为推动建筑业可持续发展的迫切需求。
[0003]地聚合物作为一种极具潜力的水泥替代材料，可在温和的碱性条件下，通过活化富含硅、铝的固体原料聚合形成三维网状无机聚合物。该材料具备早期强度高、耐高温、耐腐蚀等优异性能。尤为重要的是，与传统水泥相比，其生产过程可减少约70%的二氧化碳排放，环境效益极为突出。目前，研究与实践已广泛采用粉煤灰、硅灰、矿渣等工业副产物等作为地聚合物的主要原料。然而，这些现有原料体系仍普遍面临来源局限、化学成分与活性波动大，或原材料成本较高等技术经济瓶颈，严重制约了地聚合物技术的大规模工业化推广与应用。
[0004]与此同时，我国作为世界最大的黄金生产国，伴随黄金开采产生了巨量的尾矿固废。据统计，中国每年新增黄金尾矿约2亿吨，累计堆存量已超过15亿吨。这些尾矿的长期堆存不仅占用大量土地资源，还可能造成水土污染，并存在引发滑坡、尾矿库溃坝等重大安全与环境风险的隐患。值得注意的是，金矿尾矿的主要矿物成分常为石英、长石等，富含硅、铝元素，在化学属性上具备成为地聚合物原料的潜力。若能将其有效利用，将同时应对“建材低碳化”与“固废资源化”两大挑战。
[0005]因此，行业亟待开发一种原料来源广泛、制备工艺稳定、综合性能优越且成本可控的新型地聚合物制备技术。这不仅是突破当前技术瓶颈的关键，也是推动绿色建材产业发展、助力建筑业实现深度低碳转型的必然路径。
[0006]然而，现有技术仍存在以下不足：高性能地聚物常依赖偏高岭土或高活性矿渣，原料成本较高;而大量堆存的金矿尾矿因活性低、成分波动大，在地聚物中的高值化利用率极低，大多数仅作为惰性骨料少量掺入。对于金尾矿、硅灰、粉煤灰这三种活性差异巨大的固废复合体系，其性能受多种化学参数交互影响。常规单因素实验法难以系统、高效地确定各关键化学摩尔比(如n(SiO2)/n(Al2O3)、n(SiO2)/n(Na2O)、n(Al2O3)/n(Na2O)、n(Na2O)/n(H2O)等)对抗压强度的综合影响规律及最优组合，导致产品性能不稳定，难以实现工程化应用。
发明内容
[0007]有鉴于此，本发明提供了一种金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物以及优化制备方法，用以制备高性能地聚物。
[0008]第一方面，本发明提供了一种金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物优化制备方法，所述方法包括：
[0009]步骤1、使用金尾矿、硅灰和粉煤灰作为固体混合原料，加入氢氧化钠和水玻璃作为复合碱激发剂;
步骤2、基于所述固体混合原料与复合碱激发剂的化学组成，确定并调控体系中的四个关键摩尔比，其分别为原材料中的硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)、碱激发剂的模量n(SiO2)/n(Na2O)、碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)、水的加入量n(Na2O)/n(H2O);
步骤3、采用正交实验设计法，以所述四个关键摩尔比为影响因素，以地聚物制品的抗压强度为评价指标，进行实验设计并制备地聚物试样;
步骤4、测试所述地聚物试样的抗压强度，通过分析确定各因素对抗压强度影响的主次顺序，并获得抗压强度最优化的四个关键摩尔比的最佳配比组合。
[0010]可选地，所述固体混合原料中，按干基质量百分比计，金尾矿的掺量为50%，粉煤灰的掺量为42.5%~49.5%，硅灰的掺量为0.5%~7.5%。
[0011]可选地，水玻璃的模数n(SiO2)/n(Na2O)为3.3，氢氧化钠的加入量用于调整复合碱激发剂达到所需的n(SiO2)/n(Na2O)摩尔比范围为1.2~1.6。
[0012]可选地，所述最佳配比组合中，硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)的摩尔比为3.4~4，碱激发剂的模量n(SiO2)/n(Na2O)的摩尔比范围为1.3~1.5，碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)的摩尔比范围为0.5~0.7，水的加入量n(Na2O)/n(H2O)的摩尔比为0.04~0.08。
[0013]可选地，制备地聚物试样的过程包括：
步骤31：将金尾矿、粉煤灰和硅灰分别于105±2℃干燥至恒重，待其冷却至室温，用标准振筛机对其进行筛分;
步骤32：将金尾矿、粉煤灰和硅灰混合搅拌2min，至颗粒分布均匀;其次，加入氢氧化钠和水玻璃作为复合碱激发剂，利用水泥砂浆搅拌机搅拌，于80r/min匀速搅拌1分钟。
[0014]第二方面，本发明提供了一种金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物，由第一方面或第一方面任一可能的实现方式制备得到金尾矿-粉煤灰-硅灰基地聚物;其7天抗压强度达到了20MPa以上。
[0015]可选地，将金尾矿-粉煤灰-硅灰基地聚物应用于道路基层材料、墙体砌块、工程回填的建筑材料中。
[0016]本发明提供的技术方案中，该方法包括使用金尾矿、硅灰和粉煤灰作为固体混合原料，加入氢氧化钠和水玻璃作为复合碱激发剂;基于所述固体混合原料与复合碱激发剂的化学组成，确定并调控体系中的四个关键摩尔比，其分别为原材料中的硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)、碱激发剂的模量n(SiO2)/n(Na2O)、碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)、水的加入量n(Na2O)/n(H2O);采用正交实验设计法，以所述四个关键摩尔比为影响因素，以地聚物制品的抗压强度为评价指标，进行实验设计并制备地聚物试样;测试所述地聚物试样的抗压强度，通过分析确定各因素对抗压强度影响的主次顺序，并获得抗压强度最优化的四个关键摩尔比的最佳配比组合，该方法以大宗金矿尾矿为核心原料，协同其他工业固废制备了高性能地聚物。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0018]图1为本发明实施例提供的金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物优化制备方法的流程图;
图2为本发明实施例提供的基于正交实验设计中的原材料中的SiO2/ Al2O3的摩尔比对抗压强度的影响;
图3为本发明实施例提供的基于正交实验设计中的碱激发剂的模量SiO2/ Na2O的摩尔比对抗压强度的影响;
图4为本发明实施例提供的基于正交实验设计中的碱激发剂的用量Na2O / Al2O3的摩尔比对抗压强度的影响;
图5为本发明实施例提供的基于正交实验设计中的水的加入量Na2O / H2O的摩尔比对抗压强度的影响;
图6为本发明实施例提供的基于正交实验设计中的各因素标准差和极差对比图。
具体实施方式
[0019]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
[0020]在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0021]应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0022]取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
[0023]本发明提供了一种金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物优化制备方法的流程图，如图1至图6所示，该方法包括：
步骤1、使用金尾矿、硅灰和粉煤灰作为固体混合原料，加入氢氧化钠和水玻璃作为复合碱激发剂。
[0024]本发明实施例中，所述固体混合原料中，按干基质量百分比计，金尾矿的掺量为50%，粉煤灰的掺量为42.5%~49.5%，硅灰的掺量为0.5%~7.5%。
[0025]本发明实施例中，水玻璃的模数n(SiO2)/n(Na2O)为3.3，氢氧化钠的加入量用于调整复合碱激发剂达到所需的n(SiO2)/n(Na2O)摩尔比范围为1.2~1.6。
[0026]步骤2、基于所述固体混合原料与复合碱激发剂的化学组成，确定并调控体系中的四个关键摩尔比，其分别为原材料中的硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)、碱激发剂的模量n(SiO2)/n(Na2O)、碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)、水的加入量n(Na2O)/n(H2O)。
[0027]步骤3、采用正交实验设计法，以所述四个关键摩尔比为影响因素，以地聚物制品的抗压强度为评价指标，进行实验设计并制备地聚物试样。
[0028]本发明实施例中，制备地聚物试样的过程包括：
步骤31：将金尾矿、粉煤灰和硅灰分别于105±2℃干燥至恒重，待其冷却至室温，用标准振筛机对其进行筛分;
步骤32：将金尾矿、粉煤灰和硅灰混合搅拌2min，至颗粒分布均匀;其次，加入氢氧化钠和水玻璃作为复合碱激发剂，利用水泥砂浆搅拌机搅拌，于80r/min匀速搅拌1分钟。
[0029]步骤4、测试所述地聚物试样的抗压强度，通过分析确定各因素对抗压强度影响的主次顺序，并获得抗压强度最优化的四个关键摩尔比的最佳配比组合。
[0030]本发明实施例中，所述最佳配比组合中，硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)的摩尔比为3.4~4，碱激发剂的模量n(SiO2)/n(Na2O)的摩尔比范围为1.3~1.5，碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)的摩尔比范围为0.5~0.7，水的加入量n(Na2O)/n(H2O)的摩尔比为0.04~0.08。
[0031]本发明提供了一种金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物，由金尾矿-粉煤灰-硅灰的地聚物优化制备方法制备得到金尾矿-粉煤灰-硅灰基地聚物;其7天抗压强度达到了20MPa以上。
[0032]本发明金尾矿-粉煤灰-硅灰基地聚物实现了工业固废的高效协同利用，金尾矿掺量高，并且通过系统优化，其7天抗压强度稳定达到20MPa以上，能满足多种建材制品的强度要求。
[0033]本发明实施例中，将金尾矿-粉煤灰-硅灰基地聚物应用于道路基层材料、墙体砌块、工程回填的建筑材料中。
[0034]实施例1：原料预处理与化学分析;
将金尾矿在105℃下烘干至恒重，经粉磨后过200目筛备用。粉煤灰和硅灰使用原状灰，如有必要可烘干。
[0035]采用X射线荧光光谱分析测得主要原料的化学成分(质量百分比)示例如下：
金尾矿：SiO2为64.646%，Al2O3为19.581%，其他为少量碱金属氧化物。
[0036]粉煤灰：SiO2为35.965%，Al2O3为31.082%，CaO为24.364%，其他为少量碱金属氧化物。
[0037]硅灰：SiO2为86.0%以上。
[0038]碱激发剂：使用市售水玻璃(模数M=3.3)和固体氢氧化钠(NaOH纯度≥96%)现场配制。
[0039]实施例2：正交实验设计与实施;
确定因素与水平：选定n(SiO2)/n(Al2O3)(因素A)、n(SiO2)/n(Na2O)(因素B)、n(Al2O3)/n(Na2O)(因素C)、n(Na2O)/n(H2O)(因素D)为四个考察因素，每个因素设定三个水平(例如：A: 3.4，3.7，4.0;B: 1.2，1.4，1.6;C: 0.4，0.6，0.8;D: 0.04，0.06，0.08)。
[0040]设计实验方案：选用L9(34)正交表，安排9组实验。根据每组实验设计的摩尔比，反算出所需的各种原料(金尾矿、硅灰、粉煤灰、水玻璃、氢氧化钠、水)的具体质量。
[0041]制备过程：按计算称量固体原料(总质量恒定)，干混2分钟至均匀。将氢氧化钠溶于部分水中，与水玻璃混合，静置冷却至室温形成复合碱液。将碱液倒入干混料中，机械搅拌1min形成均匀浆体。将浆体注入50mm×50mm×50mm的模具中，振动密实，覆盖保鲜膜密封。于室温(20±2℃)下静置养护24小时后脱模，随后先进行一天高压蒸汽养护，之后继续常温养护至规定龄期。
[0042]实施例3：性能测试与优化分析;
分别测试9组正交实验试样在7天龄期的抗压强度，每组测试3个试块取平均值。
[0043]以7天抗压强度为评价指标，进行极差和标准差分析。示例性结果可能显示：因素C(n(Al2O3)/n(Na2O))的极差值和标准差值最大，为主要影响因素;其次为因素A(n(SiO2)/n(Al2O3))和因素D(n(Na2O)/n(H2O))，因素B(n(SiO2)/n(Na2O))影响相对较小。各因素的最佳水平组合为A1B3C2D3，其7天抗压强度可稳定达到20MPa以上。
[0044]本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明成功实现了金尾矿的大宗、高值化协同利用与性能优化。通过将难以利用的低活性金尾矿作为主要硅铝源(掺量可达50%及以上)，并与高活性硅灰、粉煤灰科学复配，构建了高效的三元协同激发体系。在该体系中，硅灰可提供丰富的无定形SiO2，快速参与反应生成凝胶相;粉煤灰提供活性铝硅源，并与金尾矿中的惰性颗粒发生界面反应;金尾矿不仅作为补充的硅铝原料，其微细颗粒更发挥了优异的微集料填充效应，优化了浆体的颗粒级配。经本发明方法制备的地聚物，内部孔隙率显著降低，有害孔和多害孔数量减少，形成了更为致密的三维网状结构，从而大幅提升了材料的宏观力学性能与耐久性，环境与经济效益显著。
[0045]2.本发明提供了一种科学、精准且高效的配合比设计方法。针对金尾矿-粉煤灰-硅灰这一复杂的三元固废体系，首次系统应用正交实验设计法，定量揭示了原材料中的硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)、碱激发剂中的模量n(SiO2)/n(Na2O)、碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)、水的加入量n(Na2O)/n(H2O)，这四个关键化学摩尔比对地聚物抗压强度的交互影响规律与主次影响顺序。该方法彻底改变了传统依赖经验的试错模式，能够以最少的实验次数，快速、科学地锁定全局最优配比范围，为多元固废地聚物的可控设计与性能预测建立了可靠模型。
[0046]3.本发明制备的地聚物产品性能优异、稳定且可控。通过上述优化方法获得的最佳配比，能够制备出工作性良好、力学性能突出的地聚物。其浆体流动性适宜，凝结时间可控，便于施工浇筑。更重要的是，所得材料抗压强度高(例如，7天抗压强度可稳定达到20MPa以上)，体积稳定性好，耐久性优异。这得益于优化配比下形成的均质、高密度硅铝酸盐凝胶相，以及固废颗粒间紧密的微观结合。
[0047]4.本发明材料来源广、工艺简单、应用前景广阔，综合效益显著。本发明所用核心原料均为大宗工业固体废弃物，来源广泛且成本低廉。制备工艺在常温下即可进行，无需高温煅烧，能耗与碳排放极低。所制备的高性能地聚物可作为绿色胶凝材料，直接用于生产墙体砌块、道路基层材料、工程回填体等材料等，部分替代传统水泥，推动土木建筑领域的低碳转型。因此，本发明不仅实现了固体废弃物的高附加值资源化，不仅节约了天然资源和生产成本，更是促进建筑低碳化的发展。
[0048]本发明提供的技术方案中，该方法包括使用金尾矿、硅灰和粉煤灰作为固体混合原料，加入氢氧化钠和水玻璃作为复合碱激发剂;基于所述固体混合原料与复合碱激发剂的化学组成，确定并调控体系中的四个关键摩尔比，其分别为原材料中的硅铝比n(SiO2)/n(Al2O3)、碱激发剂的模量n(SiO2)/n(Na2O)、碱激发剂的用量n(Al2O3)/n(Na2O)、水的加入量n(Na2O)/n(H2O);采用正交实验设计法，以所述四个关键摩尔比为影响因素，以地聚物制品的抗压强度为评价指标，进行实验设计并制备地聚物试样;测试所述地聚物试样的抗压强度，通过分析确定各因素对抗压强度影响的主次顺序，并获得抗压强度最优化的四个关键摩尔比的最佳配比组合，该方法以大宗金矿尾矿为核心原料，协同其他工业固废制备了高性能地聚物。
[0049]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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
说明书附图(6)
