非煅燒磷石膏制備墻體材料的研究

摘要磷石膏是磷酸生產(chǎn)過程中用硫酸處理磷礦時產(chǎn)生的固體廢渣，其主要成分是二水硫酸鈣。用非煅燒的磷石膏作為主要原料，添加砂石、水泥和復合激發(fā)劑可制備墻體材料。本文通過正交實驗，確定了最佳配比，并對磷石膏制墻體材料進行了相關(guān)的機理探討。

關(guān)鍵詞磷石膏，墻體材料，抗壓強度，鈣礬石

1前言

磷石膏是指磷酸生產(chǎn)過程中用硫酸處理磷礦時產(chǎn)生的固體廢渣，其主要成分是二水硫酸鈣，還含有五氧化二磷、氟離子及游離酸等有害物質(zhì)，如果任意排放會造成環(huán)境污染。目前，世界磷石膏年排放量達10億噸，我國每年由磷肥化工企業(yè)排出的磷石膏超過3000萬噸，累計排量近億噸[1]。全世界大部分磷石膏采用露天堆放和傾入大海兩種處理方式，而我國磷石膏利用率不足總量的10%[2]。從環(huán)保和技術(shù)安全角度來看，磷石膏廢渣的綜合利用已迫在眉睫。

近幾年，人們對磷石膏的利用倍加關(guān)注，在建材方面，磷石膏作為建筑材料的原料可用于生產(chǎn)建筑用膠凝材料。磷石膏經(jīng)適當凈化預處理后，可脫水成半水硫酸鈣，可制墻板、石膏粉、石膏板、加壓石膏纖維板、建筑標準磚、陶瓷裝飾材料、石膏灰泥和水泥添加劑等。但是由于預先要對磷石膏進行處理，所排放的廢水、廢氣必然會對環(huán)境造成二次污染，所以，今后利用磷石膏生產(chǎn)建筑材料的研究工作將會以減少二次污染為首要任務(wù)[3]。本文將用非煅燒磷石膏，即未預處理的磷石膏作為主要原料，添加水泥、砂石、復合激發(fā)劑來制備墻體材料，并對其進行機理探討。

2實驗

2.1 原 料

實驗用磷石膏取自云南磷肥廠堆放場，水泥為市場購買的32.5R硅酸鹽水泥，砂石由市場購得，復合激發(fā)劑為自配原料，主要成分為工業(yè)廢棄物礦粉和市場購買的萘系減水劑。

2.2 制備工藝

先將磷石膏進行破碎，用球磨機把物料細化。按配比計算所需物料，稱好物料，放入容器并將干物料攪拌均勻，然后加入適量的水，濕攪拌約1min。將濕拌均勻的物料移入三聯(lián)砂漿模具(7.07cm×7.07cm×7.07cm)中搗實，并將模具放到振動臺上振動均勻。每組配方成形3個試塊，約6h后取出，自然養(yǎng)護，測其抗壓強度。

2.3 性能測試

采用WYA-300型液壓式壓力試驗機并參照GB177-85的方法對試塊進行破型，測出試塊的抗壓強度。

3實驗結(jié)果及機理探討

3.1 實驗結(jié)果

本實驗采用正交實驗方法，選擇其最佳方案，再對最佳方案樣品進行分析，并對磷石膏制墻體材料進行機理探討。配料中磷石膏、砂石的質(zhì)量之和按100份計算，其余為二者質(zhì)量之和的百分比。選用 L9(33)正交表進行實驗，見表1和表2。

從表2可以看出，影響磷石膏基膠凝材料性能因素的次序為:B-A-C;最優(yōu)的試驗方案為A2B3C2，即選用m(磷石膏):m(砂石)為55:45、水泥摻量為15%、復合激發(fā)劑為15%所制得的試塊抗壓性能最好。

3.2 機理探討

依據(jù)正交試驗得出的最優(yōu)方案，制備出試塊，并對試塊進行電鏡掃描，其掃描圖片見圖1。

由圖1(a)可以看出，試塊各組分組織緊密，空隙較小，而由圖(b)顯示，大量的絮狀物包裹著未參與水化的砂石，初步探討得出這些包裹砂石的絮狀物為C-S-H凝膠，是提高試塊強度的重要物質(zhì)之一。

磷石膏砌塊主要是以二水石膏晶體的形式存在，二水石膏晶體屬于單斜晶系，呈板塊狀。采用磷石膏作原料時，隨著砌塊在自然條件下養(yǎng)護，少量二水石膏晶體溶解后達到飽和，便重新結(jié)晶，使得部分磷石膏顆粒相互鉸鏈連生，能對強度作出一定的貢獻[4]。磷石膏除了自身的水化反應(yīng)外，還參與了水泥和復合激發(fā)劑的水化過程。一方面磷石膏中大量的硫酸鈣(CaSO4)分子與水泥中的鋁酸三鈣(C3A)反應(yīng)生成大量的鈣礬石(AFt)，能夠穩(wěn)定地存在于體系中，不會轉(zhuǎn)化為無定形相或板狀低硫型的水化硫鋁酸鈣等產(chǎn)物。另一方面，磷石膏作為硫酸鹽激發(fā)劑，可促進水泥中硅酸鈣的溶解擴散作用。

水泥是很好的水硬性凝膠材料，水泥礦物中硅酸三鈣的含量最高。它的水化反應(yīng)是一個十分復雜的過程，其水化反應(yīng)主要如下:

反應(yīng)(1)中硅酸三鈣是硅酸鹽水泥的主要礦物，它對水泥的性質(zhì)有重要的影響，反應(yīng)(2)中硅酸二鈣也是硅酸鹽水泥熟料的重要組成物質(zhì)，它們的水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣(簡寫為C-S-H)和氫氧化鈣(Ca(OH)2)，而C-S-H是一種成分多變的無定性物質(zhì)。反應(yīng)(3)中的鋁酸三鈣是水泥熟料的重要組成之一，它對水泥的早期水化和漿體的流變性起著重要的作用，特別是在有Ca(OH)2和石膏存在的環(huán)境中會生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，簡寫為AFt)其反應(yīng)如下:

因此，水泥中的鋁酸三鈣與水反應(yīng)迅速，并且可與磷石膏水化生成的二水硫酸鈣反應(yīng)生成三硫型水化鋁酸鈣，簡稱鈣礬石[5]。鈣礬石晶體長在板狀顆粒面的法線方向，起填充孔隙和支撐作用，對硬化強度的增長是有利的。

另外，復合激發(fā)劑中含有礦粉，礦粉是一種潛在的水硬性凝膠材料，一般條件下，礦渣單獨與水發(fā)生反應(yīng)，其凝膠能力不能自動發(fā)揮出來。但是礦粉中含有大量活性氧化硅和活性氧化鋁等，在礦渣處于堿性環(huán)境中(Ca(OH)2)發(fā)生水化反應(yīng)，生成類似于水泥水化產(chǎn)物的水硬性膠凝物質(zhì):水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等，從而不斷提高砌塊的強度[6]。其反應(yīng)如下:

在有磷石膏存在的環(huán)境下，還能發(fā)生如下反應(yīng):

4CaO·Al2O3·13H2O+3(CaSO4·2H2O)+14H2O

→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2(10)

所形成的三硫型鋁酸鈣，能提高砌塊的強度。

4結(jié) 論

(1) 在實驗室條件下，以磷石膏為原料制墻體材料的最佳工藝條件為:m(磷石膏):m(砂石)=55:45、水泥摻量為15%、復合激發(fā)劑為15%。

(2) 利用磷石膏制墻體材料是可行的。以未經(jīng)處理的磷石膏、砂石、水泥復合激發(fā)劑為基本組分，按最佳配比制備的砌塊自然養(yǎng)護28天后，其抗壓強度可以達到6MPa以上，完全達到了非承重墻的技術(shù)指標。

(3) 磷石膏可能與活性Al、活性Si反應(yīng)，形成鈣礬石凝膠，對強度的提高有一定的作用。

參考文獻

[1] 楊沛浩.磷石膏的綜合利用[J].中國資源綜合利用，

2009(1):13-15.

[2] 李瀅.磷石膏的綜合利用[J].云南化工，2007，34(6):74-80.

[3] 馬林轉(zhuǎn)，寧平等.磷石膏的綜合利用與應(yīng)重視的問題[J].

磷肥與復肥，2007，22(1):54-55.

[4] 彭家惠，張建新等.磷石膏顆粒級配、結(jié)構(gòu)與性能研究[J].

武漢理工大學學報，2001，23(1):6-11.

[5] 申愛琴.水泥與水泥混凝土[M].北京:人民交通出版

社，2000:48-87.

[6] Berqstorm，S.G.New approaches to building materials

[J].Natl Swedish Inst for Building Research，

1983:231-239.