赤泥是铝土矿加工过程中排放的大宗工业固体废弃物,其综合利用已成为世界性的难题。采用三水铝石铝土矿生产氧化铝所排放的拜耳法赤泥中含有三水铝石、钙霞石和加藤石等具有潜在活性的矿物,可作为制备胶凝材料的原材料。然而,赤泥中的铝硅酸盐等矿物结构较为稳定,活性Si O₂、Al₂O₃的含量也较少,不利于胶凝材料结构的形成,如何充分激发赤泥的潜在活性是其综合利用的关键。本文研究了拜耳法赤泥的机械粉磨、低温煅烧、成分配伍及化学激发等多活化手段的协同作用,深入分析了拜耳法赤泥的活化性能与活化机理。并通过成分配伍和四个复合激发剂体系激发制备了赤泥基低碳胶凝材料,利用单因素试验优化了胶凝材料的基础配比。通过X射线衍射、红外光谱测试、扫描电镜及水化热测试研究了胶凝材料的水化产物和水化机理,并使用Krstulovi?-Dabi?模型计算了胶凝材料的水化动力学参数,模拟了胶凝材料的水化反应过程。最后以胶凝材料的最优配比为基础制备了赤泥免烧砖,测试了免烧砖的力学性能和耐久性能,并计算了胶凝材料及免烧砖的成本和二氧化碳排放量。本论文的主要研究成果如下:(1)通过正交试验测试了煅烧温度、煅烧时间及粉磨时间等三个因素对拜耳法赤泥活性的影响。结果表明,未机械粉磨的拜耳法赤泥在600℃煅烧0.5 h时活性最好,28 d活性指数达到了95.93%,比未处理的提高了32.5%。(2)赤泥中的三水铝石在低温煅烧时分解生成的Al₂O₃为无定形态,易溶于碱性环境中。此外,赤泥中的水钙铝榴石、钙霞石等铝硅酸盐矿物在低温煅烧时,内部的三价Al脱水与周围的O形成了四配位或五配位体,导致其化学性质不稳定,赤泥的活性得到提高。(3)确定四个复合激发体系中激发剂的最佳掺量:水泥熟料、副产品石膏的掺量分别为5%和15%;水泥熟料、氯盐的掺量分别为15%和5%;氢氧化物、碳酸盐的掺量分别为4%和2%;氢氧化物、水玻璃的掺量分别为4%和8%。赤泥掺量为30%和40%时,胶凝材料的强度等级均达到了42.5等级。(4)拜耳法赤泥多活化手段作用机理为:机械粉磨表面改性、低温煅烧矿物转化、成分配伍耦合作用、化学激发结构重构。胶凝材料的水化反应可概括为先电离,再解离,后聚合的过程。激发剂在水中首先发生电离反应,然后前驱体中的活性铝硅酸盐在OH^-的作用下发生解离反应,生成Si(OH)₄和Al(OH)₄^-单体,接着与浆体中的Ca²⁺、Na⁺及激发剂提供的其他离子发生聚合反应,生成的主要水化产物为沸石类物质和C-(A)-S-H凝胶。(5)胶凝材料的水化反应过程模拟结果表明,在水泥熟料-氯盐和氢氧化物-碳酸盐的激发作用下,胶凝材料的水化反应机理均为结晶成核及生长(NG过程)→相边界反应(I过程)→扩散(D过程)的转变,水化初期主要由NG过程控制。(6)赤泥免烧砖具有良好的力学性能和耐久性,最高强度等级达到了MU30,并表现出良好的耐水性和抗碳化能力,干缩较小,除了水泥熟料-副产品石膏复合激发体系之外其余三个复合激发体系免烧砖表面均无明显泛霜现象。与水泥相比,赤泥基低碳胶凝材料和免烧砖的成本下降范围分别为26.0%~62.0%和28.0%~41.0%,碳排放量的下降范围分别为58.5%~89.8%和56.7%~88.5%。以上研究结果表明,利用赤泥制备免烧砖的方案是可行的。