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過程中用硫酸處理磷礦時產生的固體廢渣，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的機理探討。

關鍵詞磷石膏，墻體材料，抗壓強度，鈣礬石

1前言

磷石膏是指磷酸生產過程中用硫酸處理磷礦時產生的固體廢渣，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，如果任意排放會造成環境污染。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]。從環保和技術安全角度來看，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注，在建材方面，磷石膏作為建筑材料的原料可用于生產建筑用膠凝材料。磷石膏經適當凈化預處理后，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、廢氣必然會對環境造成二次污染，所以，今后利用磷石膏生產建筑材料的研究工作將會以減少二次污染為首要任務[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，復合激發劑為自配原料，主要成分為工業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實驗結果及機理探討

3.1 實驗結果

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、砂石的質量之和按100份計算，其余為二者質量之和的百分比。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%、復合激發劑為15%所制得的試塊抗壓性能最好。

3.2 機理探討

依據正交試驗得出的最優方案，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護，少量二水石膏晶體溶解后達到飽和，便重新結晶，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外，還參與了水泥和復合激發劑的水化過程。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)反應生成大量的鈣礬石(AFt)，能夠穩定地存在于體系中，不會轉化為無定形相或板狀低硫型的水化硫鋁酸鈣等產物。另一方面，磷石膏作為硫酸鹽激發劑，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。它的水化反應是一個十分復雜的過程，其水化反應主要如下:

反應(1)中硅酸三鈣是硅酸鹽水泥的主要礦物，它對水泥的性質有重要的影響，反應(2)中硅酸二鈣也是硅酸鹽水泥熟料的重要組成物質，它們的水化產物是水化硅酸鈣(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。反應(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和石膏存在的環境中會生成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，簡寫為AFt)其反應如下:

因此，水泥中的鋁酸三鈣與水反應迅速，并且可與磷石膏水化生成的二水硫酸鈣反應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，礦渣單獨與水發生反應，其凝膠能力不能自動發揮出來。但是礦粉中含有大量活性氧化硅和活性氧化鋁等，在礦渣處于堿性環境中(Ca(OH)2)發生水化反應，生成類似于水泥水化產物的水硬性膠凝物質:水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等，從而不斷提高砌塊的強度[6]。其反應如下:

在有磷石膏存在的環境下，還能發生如下反應:

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 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%、復合激發劑為15%。

(2) 利用磷石膏制墻體材料是可行的。以未經處理的磷石膏、砂石、水泥復合激發劑為基本組分，按最佳配比制備的砌塊自然養護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指標。

(3) 磷石膏可能與活性Al、活性Si反應，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，寧平等.磷石膏的綜合利用與應重視的問題[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、結構與性能研究[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.