非煅烧磷石膏制备墙体材料的研究

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摘要磷石膏是磷酸生产过程中用硫酸处理磷矿时产生的固体废渣,其主要成分是二水硫酸钙。用非煅烧的磷石膏作为主要原料,添加砂石、水泥和复合激发剂可制备墙体材料。本文通过正交实验,确定了最佳配比,并对磷石膏制墙体材料进行了相关的机理探讨。

关键词磷石膏,墙体材料,抗压强度,钙矾石

1前言

磷石膏是指磷酸生产过程中用硫酸处理磷矿时产生的固体废渣,其主要成分是二水硫酸钙,还含有五氧化二磷、氟离子及游离酸等有害物质,如果任意排放会造成环境污染。目前,世界磷石膏年排放量达10亿吨,我国每年由磷肥化工企业排出的磷石膏超过3000万吨,累计排量近亿吨[1]。全世界大部分磷石膏采用露天堆放和倾入大海两种处理方式,而我国磷石膏利用率不足总量的10%[2]。从环保和技术安全角度来看,磷石膏废渣的综合利用已迫在眉睫。

近几年,人们对磷石膏的利用倍加关注,在建材方面,磷石膏作为建筑材料的原料可用于生产建筑用胶凝材料。磷石膏经适当净化预处理后,可脱水成半水硫酸钙,可制墙板、石膏粉、石膏板、加压石膏纤维板、建筑标准砖、陶瓷装饰材料、石膏灰泥和水泥添加剂等。但是由于预先要对磷石膏进行处理,所排放的废水、废气必然会对环境造成二次污染,所以,今后利用磷石膏生产建筑材料的研究工作将会以减少二次污染为首要任务[3]。本文将用非煅烧磷石膏,即未预处理的磷石膏作为主要原料,添加水泥、砂石、复合激发剂来制备墙体材料,并对其进行机理探讨。

2实验

2.1 原 料

实验用磷石膏取自云南磷肥厂堆放场,水泥为市场购买的32.5R硅酸盐水泥,砂石由市场购得,复合激发剂为自配原料,主要成分为工业废弃物矿粉和市场购买的萘系减水剂。

2.2 制备工艺

先将磷石膏进行破碎,用球磨机把物料细化。按配比计算所需物料,称好物料,放入容器并将干物料搅拌均匀,然后加入适量的水,湿搅拌约1min。将湿拌均匀的物料移入三联砂浆模具(7.07cm×7.07cm×7.07cm)中捣实,并将模具放到振动台上振动均匀。每组配方成形3个试块,约6h后取出,自然养护,测其抗压强度。

2.3 性能测试

采用WYA-300型液压式压力试验机并参照GB177-85的方法对试块进行破型,测出试块的抗压强度。

3实验结果及机理探讨

3.1 实验结果

本实验采用正交实验方法,选择其最佳方案,再对最佳方案样品进行分析,并对磷石膏制墙体材料进行机理探讨。配料中磷石膏、砂石的质量之和按100份计算,其余为二者质量之和的百分比。选用 L9(33)正交表进行实验,见表1和表2。

从表2可以看出,影响磷石膏基胶凝材料性能因素的次序为:B-A-C;最优的试验方案为A2B3C2,即选用m(磷石膏):m(砂石)为55:45、水泥掺量为15%、复合激发剂为15%所制得的试块抗压性能最好。

3.2 机理探讨

依据正交试验得出的最优方案,制备出试块,并对试块进行电镜扫描,其扫描图片见图1。

由图1(a)可以看出,试块各组分组织紧密,空隙较小,而由图(b)显示,大量的絮状物包裹着未参与水化的砂石,初步探讨得出这些包裹砂石的絮状物为C-S-H凝胶,是提高试块强度的重要物质之一。

磷石膏砌块主要是以二水石膏晶体的形式存在,二水石膏晶体属于单斜晶系,呈板块状。采用磷石膏作原料时,随着砌块在自然条件下养护,少量二水石膏晶体溶解后达到饱和,便重新结晶,使得部分磷石膏颗粒相互铰链连生,能对强度作出一定的贡献[4]。磷石膏除了自身的水化反应外,还参与了水泥和复合激发剂的水化过程。一方面磷石膏中大量的硫酸钙(CaSO4)分子与水泥中的铝酸三钙(C3A)反应生成大量的钙矾石(AFt),能够稳定地存在于体系中,不会转化为无定形相或板状低硫型的水化硫铝酸钙等产物。另一方面,磷石膏作为硫酸盐激发剂,可促进水泥中硅酸钙的溶解扩散作用。

水泥是很好的水硬性凝胶材料,水泥矿物中硅酸三钙的含量最高。它的水化反应是一个十分复杂的过程,其水化反应主要如下:

反应(1)中硅酸三钙是硅酸盐水泥的主要矿物,它对水泥的性质有重要的影响,反应(2)中硅酸二钙也是硅酸盐水泥熟料的重要组成物质,它们的水化产物是水化硅酸钙(简写为C-S-H)和氢氧化钙(Ca(OH)2),而C-S-H是一种成分多变的无定性物质。反应(3)中的铝酸三钙是水泥熟料的重要组成之一,它对水泥的早期水化和浆体的流变性起着重要的作用,特别是在有Ca(OH)2和石膏存在的环境中会生成钙矾石(3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O,简写为AFt)其反应如下:

因此,水泥中的铝酸三钙与水反应迅速,并且可与磷石膏水化生成的二水硫酸钙反应生成三硫型水化铝酸钙,简称钙矾石[5]。钙矾石晶体长在板状颗粒面的法线方向,起填充孔隙和支撑作用,对硬化强度的增长是有利的。

另外,复合激发剂中含有矿粉,矿粉是一种潜在的水硬性凝胶材料,一般条件下,矿渣单独与水发生反应,其凝胶能力不能自动发挥出来。但是矿粉中含有大量活性氧化硅和活性氧化铝等,在矿渣处于碱性环境中(Ca(OH)2)发生水化反应,生成类似于水泥水化产物的水硬性胶凝物质:水化硅酸钙、水化铝酸钙等,从而不断提高砌块的强度[6]。其反应如下:

在有磷石膏存在的环境下,还能发生如下反应:

4CaO・Al2O3・13H2O+3(CaSO4・2H2O)+14H2O

3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O+Ca(OH)2(10)

所形成的三硫型铝酸钙,能提高砌块的强度。

4结 论

(1) 在实验室条件下,以磷石膏为原料制墙体材料的最佳工艺条件为:m(磷石膏):m(砂石)=55:45、水泥掺量为15%、复合激发剂为15%。

(2) 利用磷石膏制墙体材料是可行的。以未经处理的磷石膏、砂石、水泥复合激发剂为基本组分,按最佳配比制备的砌块自然养护28天后,其抗压强度可以达到6MPa以上,完全达到了非承重墙的技术指标。

(3) 磷石膏可能与活性Al、活性Si反应,形成钙矾石凝胶,对强度的提高有一定的作用。

参考文献

[1] 杨沛浩.磷石膏的综合利用[J].中国资源综合利用,

2009(1):13-15.

[2] 李滢.磷石膏的综合利用[J].云南化工,2007,34(6):74-80.

[3] 马林转,宁平等.磷石膏的综合利用与应重视的问题[J].

磷肥与复肥,2007,22(1):54-55.

[4] 彭家惠,张建新等.磷石膏颗粒级配、结构与性能研究[J].

武汉理工大学学报,2001,23(1):6-11.

[5] 申爱琴.水泥与水泥混凝土[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.