本发明属于固废资源利用领域，具体涉及一种复合碱激发固废型高性能无机胶及其制备方法。
背景技术：
矿渣是高炉炼铁过程中的副产品，其主要成分为硅酸盐和硅铝酸盐的熔融物。钢渣是炼钢过程中产生的固体废弃物，其主要组分为cao、fe2o3、al2o3、sio2、mgo、p2o5、mno、so3和少量游离氧化钙。红土镍矿渣是红土镍矿经过酸浸回收金属矿物后，产生的以非金属矿物为主的非金属矿物，其主要组分为sio2、cao、al2o3、mgo、mno、cr2o3、feo等。铬铁渣是火法冶炼含铬铁合金时所产生的含铬废渣，主要是矿热炉法冶炼高碳铬铁时产生，其主要组分为sio2、mgo、al2o3、cr2o3、fe2o3、cao、so3、p2o5等。目前大量矿渣、钢渣、红土镍矿渣和铬铁渣的堆存，不仅占用宝贵土地，而且还会对周围环境和地下水造成污染。因此，如何大规模、高附加值的利用矿渣、钢渣、红土镍矿渣和铬铁渣，实现环境减负，企业增效，是一个迫切需要解决的问题。
粘贴碳纤维布加固混凝土结构主要使用碳纤维布和粘贴用胶。碳纤维布在绝氧条件下，低于1500℃时其物理力学性能不衰减，具有极好的耐高温性能。但当前使用的配套粘贴用胶均为低软化点的环氧类有机胶，其热稳定性、长期化学稳定性较差，特别是其耐温上限尚不到80℃。建筑火灾温度可达上千摄氏度，若不对粘贴碳纤维布加固结构的抗火性能予以足够重视，一旦发生火灾则极易引起碳纤维布与混凝土剥离，难以发挥补强加固的作用。面对上述问题，矿渣含有硅酸盐和硅铝酸盐，钢渣与红土镍矿渣含有大量sio2与cao可以形成无机胶凝材料；红土镍矿渣与铬铁渣含有大量al2o3与mgo具有阻燃性能。因此，将矿渣、钢渣、红土镍矿渣和铬铁渣行混合，再与复合碱激发剂、氧化石墨烯、水进行复合，形成复合碱激发固废型高性能无机胶，利用复合碱激发技术与氧化石墨烯进一步提高无机胶的力学性能，尤其是剪切力，实现固废资源的循环利用，促进企业增效。
技术实现要素：
为了解决现有技术不能大规模、高附加值的利用矿渣、钢渣、红土镍矿渣和铬铁渣，环氧类有机胶热稳定性较差、长期化学稳定性较差、耐温上限尚不到80℃，以及现有无机胶剪切力不足的问题。本发明利用矿渣微粉、钢渣微粉、红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉、复合碱激发剂、氧化石墨烯、水制备复合碱激发固废型高性能无机胶，同时对搅拌速度、搅拌时间、真空度等进行控制，以期实现矿渣、钢渣、红土镍矿渣和铬铁渣的大规模、高附加值循环利用。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种复合碱激发固废型高性能无机胶，该无机胶按重量百分比原料如下：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为热闷渣微粉、风淬渣微粉、铁水脱硫渣微粉、铸余渣微粉、转炉热泼渣微粉、转炉滚筒渣微粉、电炉热泼渣微粉、电炉滚筒渣微粉中的一种或多种，其粒径为25μm～45μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为3:1～1:3，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为0.8～1.6；所述氧化石墨烯为brodie法氧化石墨烯、staudemaier法氧化石墨烯、hummers法氧化石墨烯中的一种或多种；水为去离子水。
进一步的，所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm。
进一步的，所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm。
本发明同时提供了上述复合碱激发固废型高性能无机胶的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为200r/min～500r/min、搅拌时间为2h～5h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.02mpa～0.08mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为200r/min～500r/min、搅拌时间为3h～6h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂、氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为300r/min～600r/min、搅拌时间为2h～5h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为800r/min～1600r/min、搅拌时间为10min～30min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
本发明的科学原理：
(1)矿渣含有硅酸盐和硅铝酸盐，钢渣与红土镍矿渣含有大量sio2与cao，矿渣、钢渣、红土镍矿渣与水进行化学反应形成硅酸三钙、硅酸二钙等具有胶凝性能的无机材料；红土镍矿渣与铬铁渣含有大量al2o3(熔点为2054℃)与mgo(熔点为2852℃)具有阻燃性能，可以提高无机胶凝材料的耐高温性能。
(2)复合碱激发剂由水玻璃与氢氧化钠组成，一方面水玻璃可以形成骨架网络，充填或镶嵌于无机胶凝材料中，从而提高无机胶的力学性能；另一方面水玻璃与氢氧化钠可以提供碱环境，有利于促进硅酸三钙、硅酸二钙等具有胶凝性能的无机材料水化，从而提高无机胶的早期强度。
(3)氧化石墨烯具有二维层状结构，表面承载了多种活性含氧基团，一方面氧化石墨烯可以形成卷曲片状结构，提高无机胶的耐冲击性；另一方面氧化石墨烯片层的共轭结构能够产生范德华作用力，提高无机胶的剪切力。
(4)利用真空负压技术，实现红土镍矿渣细粉、铬铁渣超细粉在矿渣-钢渣混合微粉的表面孔结构中牢固吸附，形成分散性均匀、结构稳定的混合粉料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明解决了现有技术不能大规模、高附加值的利用矿渣、钢渣、红土镍矿渣和铬铁渣，环氧类有机胶热稳定性较差、长期化学稳定性较差、耐温上限尚不到80℃，以及现有无机胶剪切力不足的问题。上述问题的解决不仅降低了现有无机胶的生产成本，而且提高了无机胶的耐高温性能与剪切力，实现耐高温与高剪切力在无机胶的一体化，大幅增强了无机胶的市场竞争力与应用范围。
2、本发明利用矿渣微粉、钢渣微粉、红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉、复合碱激发剂、氧化石墨烯、水制备复合碱激发固废型高性能无机胶，拓展了矿渣、钢渣、红土镍矿渣和铬铁渣的大规模、高附加值应用新思路。
3、本发明一种复合碱激发固废型高性能无机胶及其制备方法符合相关节能环保、循环经济的政策要求。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为转炉热泼渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为3:1，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为1.6；氧化石墨烯为staudemaier法氧化石墨烯与brodie法氧化石墨烯的混合物；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为300r/min、搅拌时间为4h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.08mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为400r/min、搅拌时间为3h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂、氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为300r/min、搅拌时间为3h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为1000r/min、搅拌时间为30min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
实施例2
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为电炉滚筒渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为1:1，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为1.0；氧化石墨烯为hummers法氧化石墨烯；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为400r/min、搅拌时间为2h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.02mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为4h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂、氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为600r/min、搅拌时间为5h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为1200r/min、搅拌时间为10min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
实施例3
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为热闷渣微粉与风淬渣微粉的混合物，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为1:3，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为0.8；氧化石墨烯为brodie法氧化石墨烯与hummers法氧化石墨烯的混合物；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为200r/min、搅拌时间为5h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.06mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为300r/min、搅拌时间为5h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂、氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为4h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为1600r/min、搅拌时间为20min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
实施例4
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为铁水脱硫渣微粉与铸余渣微粉的混合物，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为2:1，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为1.4；氧化石墨烯为hummers法氧化石墨烯与staudemaier法氧化石墨烯的混合物；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为3h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.04mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为200r/min、搅拌时间为6h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂、氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为400r/min、搅拌时间为2h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为800r/min、搅拌时间为15min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
实施例5
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为转炉滚筒渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为1:2，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为1.2；氧化石墨烯为brodie法氧化石墨烯；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为300r/min、搅拌时间为5h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.02mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为4h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂、氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为400r/min、搅拌时间为4h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为1400r/min、搅拌时间为25min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
实施例6
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为电炉热泼渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为1:1，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为1.0；氧化石墨烯为staudemaier法氧化石墨烯；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为400r/min、搅拌时间为4h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.06mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为300r/min、搅拌时间为4h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂、氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为3h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为1200r/min、搅拌时间为20min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
对比例1
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为电炉热泼渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为1:1，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为1.0；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为400r/min、搅拌时间为4h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.06mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为300r/min、搅拌时间为4h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂与水进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为3h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为1200r/min、搅拌时间为20min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
对比例2
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为电炉热泼渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述复合碱激发剂为氢氧化钠与水玻璃的混合物，氢氧化钠与水玻璃的质量比为1:1，氢氧化钠为工业纯，水玻璃为工业纯、其模数为1.0；氧化石墨烯为staudemaier法氧化石墨烯；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为400r/min、搅拌时间为4h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.06mpa条件下将红土镍矿渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为300r/min、搅拌时间为4h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将复合碱激发剂、氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为3h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为1200r/min、搅拌时间为20min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
对比例3
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述矿渣微粉为粒化高炉矿渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述钢渣微粉为电炉热泼渣微粉，其粒径为25μm～45μm；所述红土镍矿渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；所述铬铁渣超细粉粒径为0.5μm～2.5μm；氧化石墨烯为staudemaier法氧化石墨烯；水为去离子水。
(1)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将矿渣微粉与钢渣微粉进行混合，其搅拌速度为400r/min、搅拌时间为4h，获得矿渣-钢渣混合微粉。
(2)利用恒温磁力搅拌器在常温与真空度为0.06mpa条件下将红土镍矿渣超细粉、铬铁渣超细粉与矿渣-钢渣混合微粉进行混合，其搅拌速度为300r/min、搅拌时间为4h，获得混合粉料。
(3)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将氧化石墨烯与水进行混合，其搅拌速度为500r/min、搅拌时间为3h，获得混合溶液。
(4)利用恒温磁力搅拌器在常温条件下将步骤(2)制备的混合粉料与步骤(3)制备的混合溶液进行混合，其搅拌速度为1200r/min、搅拌时间为20min，获得复合碱激发固废型高性能无机胶。
制备实施例1～6及对比例1～3，其性能检测过程如下：
首先制备混凝土试块尺寸为100mm×100mm×100mm，设计强度等级c40，实测3个试件28d抗压强度的均值为48.7mpa。其次利用复合碱激发固废型高性能无机胶将1层碳纤维布粘贴在混凝土试块表面，其粘贴面积为70mm×100mm。最后粘贴碳纤维布的混凝土试块在标准养护室中分别养护3d与7d后取出，测试其粘贴面剪切强度。
首先制备复合碱激发固废型高性能无机胶试块尺寸为20mm×20mm×20mm，在标准养护室中养护28d后经电热恒温干燥箱烘干。其次复合碱激发固废型高性能无机胶试块在不同煅烧温度，即900℃、1200℃和1500℃下恒温煅烧2h后自然降温至室温，测试其高温冷却后抗压强度。
表1复合碱激发固废型高性能无机胶的性能