用赤泥制备混凝土的专利技术分析

陈俊杰，林燕华，孙 倩

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广州 510700）

赤泥是铝土矿生产氧化铝过程中产生的尾渣。按现有工艺和铝土矿组成，每生产1 t氧化铝一般要排放赤泥0.80～1.76 t。据不完全统计，仅贵州一省，每年赤泥排放量在300～500万t。产量巨大的赤泥不仅要占用大量的耕地，而且其长期堆放时会渗滤出碱性溶液，对周边土地和地下水源造成很大的污染。此外，不断堆砌加高的赤泥边坡也是不容忽视的一种地质灾害源。

在目前资源紧缺、环境保护日益重要的当今社会，赤泥的回收利用及其综合治理已经成为焦点问题之一。

拜尔法赤泥的碱性高（pH＞12）、密度小、含水率高，颗粒很细，呈高分散胶体状态，有一定的自胶结性能和潜在活性，具有与混凝土制浆和养护工艺相适应的属性。利用赤泥生产混凝土（包括加气混凝土），符合国家节约能源、循环利用资源的国策，是固体废料建材化、资源化综合利用的有效途径，产品附加值高，具有良好的环保和经济效益。

1 专利申请概况

本文对赤泥在混凝土领域的应用进行专利分析。统计分析基础为2017年11月10日提取的已经公开的中国专利数据和全球专利数据。经检索，全球相关专利申请总共83项专利，在中国布局的专利技术有69项。

1.1 专利申请趋势

经检索，得到赤泥制备混凝土（包括加气混凝土）的相关专利申请共83篇，其中外国专利14项。对于中国专利，专利类型全都是发明，且均没有在国外布局；从专利的法律状态来看，处于公开状态的有28项，专利权有效的有22项，失效的有33项。

如图1所示，赤泥制备混凝土的专利申请数量变化趋势大致可分为两个阶段。第一阶段为2009年以前，在这一时期，年均专利申请数量不足2项，此时采用赤泥制备混凝土的技术才刚出现；2004年以前所有的11项专利申请均为外国专利，可见，外国对赤泥制备混凝土较早地进行了试探性的研究。第二阶段为2009年至今，申请量逐年快速增长，这与国家墙改政策、税收政策和环保政策有较大关系。在该阶段，外国专利申请仅有2项（均为2010年申请），可见，国外并没有对技术进行更深入的研究和产业化。

图1 申请趋势

1.2 专利申请地域分布

从专利申请地域分布情况看，关于赤泥制备混凝土的专利申请量较多的地区是河南、安徽、广西、江苏、北京等。其中，河南的申请人类型包括了3个企业、3个研究机构、3个个人申请人，还有1个企业与个人的合作申请。

1.3 申请人分析

从国内申请量排名情况可以看出，各主要申请人的申请量都不多，其中申请量排名前三的分别为：中国矿业大学（4件）、桂林华越环保科技有限公司（4件）、北京清山怡和新材料技术开发有限公司（3件）。下面对这三个重要申请人的专利申请作简要分析。

中国矿业大学四件专利申请的第一发明人都是建筑工程学院的姬永生教授，其主要研究方向是利用工业废弃物（如赤泥、废渣、粉煤灰等）制备用于混凝土的胶凝材料、早强剂、微细骨料等。

桂林华越环保科技有限公司是一家专业从事混凝土外加剂的高新环保技术企业，第一发明人黄煌是该公司的法定代表人。所涉及专利都是混凝土膨胀剂，其组分较复杂，赤泥含量在15%～20%，赤泥在使用前进行了改性处理，不仅降低赤泥中的碱含量，提高赤泥的内在活性，还提高补偿能力和早期强度、后期强度，进而使混凝土的性能得以改善。

北京清山怡和新材料技术开发有限公司的三件专利申请均为合作申请，其中两件与清华大学建筑设计研究院有限公司合作，而清华大学建筑设计研究院有限公司也是该公司的股东。所涉及专利的技术方案是利用赤泥、硅酸盐水泥熟料和成岩剂按比例制成硅铝基胶凝材料，然后与骨料、外加剂按比例混合搅拌制成硅铝基混凝土。其中，在硅铝基胶凝材料中，赤泥的使用比例为60%～95%。

2 赤泥制备混凝土的重要专利介绍

关于赤泥制备混凝土的外国专利申请，主要涉及几个方面的应用：作为骨料、作为颜料、制备硫磺混凝土、制备铺路混凝土。上述专利申请中赤泥的加入量并不大，一般都是作为骨料，替代部分砂、石等常规的骨料。下面根据赤泥在混凝土中的应用分类，挑选一些重要专利进行简要分析。

2.1 赤泥砼及其生产方法

洛阳路世丰土壤固化剂研究中心提出一种新型结构的赤泥砼及其生产方法（CN201110375610，法律状态：撤回），其重量配比为赤泥80%～85%，粉煤灰15%～20%，石灰或水泥6%～10%，磷酸锰和磷酸铝各万分之三，磷石膏千分之二点四，AFB固化剂每立方米混合料0.5kg[1]。

赤泥砼的生产步骤为：测定混合料的最大干密度和最佳含水率，计算每次搅拌总量所需的各种材料数量和应补的水分；将磷酸铝、磷酸锰、磷石膏按比例混合搅拌后输入原料库；将石灰或水泥入原料库；将应补水抽入水池，倒入应加AFB固化剂量进行正常稀释；将赤泥和粉煤灰分别倒入料仓，用稳定土拌合站设备，按电脑控制将各材料进入搅拌仓进行搅拌，出产品赤泥砼。

赤泥砼可用于公路的基层和底基层。该专利申请是关于赤泥制备混凝土专利中，使用赤泥量最大的，占混凝土总量的80%～85%；若产品对放射性没有要求，其可以用于一般的道路基层。

2.2 一种低排放高强度赤泥混凝土及其工业生产方法和应用

西安科技大学研发出一种低排放高强度赤泥混凝土（CN201410095736，法律状态：有效）[2]。该高强度赤泥混凝土为由改性硫磺、赤泥颗粒和钢渣颗粒均匀拌合而成，并且抗压强度不小于50MPa的赤泥混凝土。该高强度赤泥混凝土的组成按重量计为：改性硫磺21%～40%，赤泥颗粒25%～60%，钢渣0%～54%。

制备方法为：采用搅拌设备且按照设计配比，对赤泥颗粒和钢渣颗粒进行均匀混合搅拌；混合搅拌过程中，采用加热装置在130～145℃温度条件下对赤泥颗粒和钢渣颗粒进行干燥处理，获得骨料（即赤泥作为骨料替代常规的砂、石等）；同时，采用加热设备且在130～140℃温度条件下，对改性硫磺进行熔融；将熔融后且温度为130～140℃的所述改性硫磺，添加至所述骨料中拌合均匀，制得高强度赤泥混凝土。

该高强度赤泥混凝土可广泛地应用于建筑、桥梁、管道等结构件方面。另外，粉碎后的赤泥石碎块形成道砟，作为公路的基层或铁路路基石等。

2.3 一种氧化铝工业废料制备混凝土的方法

辽宁坚峰实业有限公司利用氧化铝工业废料制备出混凝土（CN201710354906，法律状态：有效）[3]。在普通混凝土各基准配合比的基础上，用经活化后的赤泥混合料以质量比等量替换0%～40%水泥（即赤泥作为胶凝材料替代水泥），所述赤泥混合料包括赤泥和菱镁矿粉，其中添加菱镁矿粉比例占赤泥混合料的0%～10%。其中，赤泥混合料需要粉磨、煅烧。本发明专利配制的混凝土环境辐射满足国家标准，对土壤和地下水不会造成污染，抗冻、抗渗、抗腐蚀效果好，耐久性强，对混凝土性能无碱集料反应的不良影响。

2.4 一种用工业废渣制备水泥混凝土早强剂的方法

中国矿业大学提出用工业废渣制备水泥混凝土早强剂（CN201310095590，法律状态：未缴年费终止）[4]。质量百分比组成如下：赤泥75%～85%；电石渣10%～15%；脱硫石膏5%～10%；制备方法包括：烘干工艺、称量配料及粉磨混合和低温煅烧工艺。本发明的早强剂（利用赤泥的胶凝性制备早强剂，另外，制备固化剂、强制剂、速凝剂等都是相似的，只是名称不同）制造简单，原材料成本低廉易得，使用方便易行，其早强效果显著，提高了赤泥、电石渣和脱硫石膏工业废渣的利用率，有效地解决大掺量矿物掺合料水泥和混凝土早期强度低的致命缺陷。

2.5 混凝土膨胀剂

桂林华越环保科技有限公司研发出一种混凝土膨胀剂（CN201610701444，法律状态：公开）[5]。混凝土膨胀剂由以下重量份配比的各组分制成：硅铝酸钙10～15份、硫铝酸钙20～30份、硫酸铁5～9份、固硫废渣20～25份、赤泥15～20份、改性氧化钙6～8份、氧化镁4～6份、甲基硅酸钠4～8份、三乙醇胺3～5份、偶氮二甲酰胺0.1～0.3份、葡萄酸钠0.5～0.7份、月桂醇硫酸钠2～4份、聚乙二醇0.4～0.6份、聚羧酸减水剂1～3份、改性叶腊石粉2～6份、纳米碳酸钙1～3份。赤泥具有胶结的孔架状结构、孔隙多、比表面积大等特征，含有Al2O3、Fe2O3、CaO等成分。改性赤泥，不仅降低赤泥中的碱含量，提高赤泥的内在活性，还提高了补偿能力和早期强度、后期强度，进而使混凝土的性能得以改善，提高市场价值。

2.6 一种利用赤泥制备的加气砌块

广西启利新材料科技股份有限公司利用赤泥来制备加气砌块（CN201310660320，法律状态：有效）[6]。加气砌块主要由浆料和发泡剂按照（73～76）:1的重量比组成，浆料主要由下述原料按照重量份组成：水玻璃5～15份、矿渣20～50份、赤泥30～55份、表面活性剂0.5～1.0份、稳泡剂0.1～0.4份。制备方法包括：浆料搅拌、加入发泡剂、浇注、养护硬化、切割。本发明制备出的加气砌块防火、耐热、轻质，导热系数低，性能稳定。

3 结语

赤泥制备混凝土的专利申请量为83项（截至专利检索日期），早期都是国外进行的试探性研究，并且都已经失效，后期申请几乎都是中国申请人的申请。国内申请量的省市分布中，赤泥制备混凝土的专利申请量较多的地区是河南、安徽、广西、江苏、北京等。需要注意的是，赤泥含碱量高，放射性大，同时赤泥添加量过高会影响产品的力学性能，因此赤泥在产品中的添加量普遍不高。由于产品附加值低，其销售半径在40～50km以内，导致产品竞争力较差，限制了企业进行可持续性产业化。因此，人们需要加大研发力度，攻克瓶颈技术问题。