過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的制備和應用

過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的制備和應用

唐有運1，高曄1，黃赟2，林宗壽2

(1.湖北黃麥嶺磷化工有限責任公司，大悟 432800；

2.武漢理工大學建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

摘要：在過硫磷石膏礦渣水泥和混凝土開發和研究的基礎上，設計了年產10萬噸過硫磷石膏水泥混凝土生產示范線，通過生產線的建設和試生產，掌握了生產線主要的工藝控制參數，成功生產出C30等級的路緣石、植草磚、步道磚等多種過硫磷石膏礦渣水泥混凝土制品。示范線的運行結果表明，該生產線設備簡單可靠，可大量利用磷石膏，產品具有較強的市場競爭力。

關鍵詞：磷石膏；過硫磷石膏礦渣水泥；混凝土制品

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.003

Abstract:Based on the researches and developments of excessive-sulfate phosphogypsum-slag-cement and concrete, a demonstrated production line with annual output of 100,000 tons had been designed and built. Through the plant building and trial producing process, manufacturing control parameter of the production line had been studied and determined, three products, namely curbside stone, grass planting brick and pedestrian pave brick, had been manufactured successfully in the production line. The trial producing process shows that the equipment of the production line is efficient and reliable, and a large amount of phophogypsum can be utilized, its productions are highly competitive in the local market.

收稿日期：2015-04-20.

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863)項目(2012AA06A112).

作者簡介：唐有運(1963-).高級工程師.E-mail:hwltangyy@163.com

Development and Application of Excessive-sulfate Phosphogypsum-

slag-cement Concrete

TANGYou-yun1,GAOYe1,HUANGYun2,LINZONG-SHOU2

(1.Hubei Provincial Huangiling Phosphate Chemical Co,Ltd,Dawoo 432800,China;2.The State Key

Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Key words:phosphogypsum;excessive-sulfate phosphogypsum-slag cement;concrete product

磷石膏是磷化工企業濕法生產磷酸的工業副產品，主要成分是CaSO4·2H2O，是化學工業中排放量最大的固體廢棄物之一，目前我國的磷石膏資源化利用率約20%[1]，大量堆積的磷石膏造成了嚴重的生態環境問題[2]，加快磷石膏的資源綜合利用已迫在眉睫。林宗壽等將磷石膏與礦渣復合，添加少量硅酸鹽水泥熟料作為堿性激發劑，開發出一種28 d強度可達42.5強度等級的新型水硬性膠凝材料——“過硫磷石膏礦渣水泥”[3,4]。陳飛翔等以“過硫磷石膏礦渣水泥”為膠凝材料配置成了相當于C40等級的過硫磷石膏礦渣水泥混凝土(EPSCC)[5,6]，為磷石膏的資源化利用開拓出一個新途徑。

利用磷石膏制備水泥和混凝土的研究得到了國家有關部門的重視，2012年在國家高技術發展計劃(863計劃)立項并獲得資助，課題名稱為“多元固廢復合制備高性能水泥及混凝土技術與示范”，課題編號為2012AA06A112。課題的主要任務是開展以磷石膏、冶金渣等難以處理的大宗工業固廢為主要原料，研究制備高性能建筑材料的研究和生產示范。湖北省黃麥嶺磷化工有限責任公司作為課題的示范依托單位，承擔了年產10萬t過硫磷石膏礦渣水泥混凝土生產示范線的建設工作。該文以該生產示范線為例，探討了過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的制備和應用技術。

1生產工藝流程設計

過硫磷石膏礦渣水泥混凝土及制品的生產工藝分為：磷石膏預處理、原料粉磨、混凝土攪拌、成型和養護等幾個工序。完整的過硫磷石膏礦渣水泥混凝土制品生產線包括了礦渣烘干和粉磨系統、熟料和鋼渣粉磨系統、改性磷石膏的制備系統、混凝土配料與拌合系統、成型與養護系統。其中礦渣的烘干與粉磨系統投資大、能耗高，近年來，隨著我國資源綜合利用水平的不斷提高，礦渣粉磨已經實現了設備大型化、生產專業化和產品標準化，礦渣粉可由市場上直接購買。對于以綜合利用磷石膏為主要目的的小型水泥制品企業，可采用外購礦粉和少量普通硅酸鹽水泥的方式，生產過硫磷石膏礦渣水泥混凝土制品。其生產工藝流程見圖1。生產線的工藝流程主要有四個部分，分別是：原材料進廠及儲存；改性磷石膏漿體制備；過硫磷石膏礦渣水泥混凝土配制拌合和制品生產。

1)原材料進廠及儲存磷石膏、鋼渣泥經汽車運輸進廠后，分別堆入原材料聯合堆場的堆存區。礦粉經水泥散裝車運輸進廠后，通過氣泵輸送入Φ 3.5×10 m(直段部分)鋼倉。PO 42.5普通硅酸鹽水泥經水泥散裝車運輸進廠后，通過氣泵輸送入Φ 2.6×10 m(直段部分)鋼倉。

2)改性磷石膏漿體制備改性磷石膏漿的生產工藝流程，如圖2所示。

來自原料聯合堆場的磷石膏，用鏟車裝入料斗，同時鋼渣粉(或普通硅酸鹽水泥)和礦渣粉經計量后經螺旋輸送機，再經皮帶機送入Φ 1.2×2.4 m濕式球磨機，加水一起粉磨。經濕磨粉磨后的物料進入陳化攪拌池攪拌，經泥漿泵抽送入改性磷石膏漿計量倉。

3)過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的攪拌來自原料聯合堆場的砂子、石子經鏟車分別送至帶計量裝置的砂子、石子料斗，砂子、石子、外加劑、水分別計量后送入攪拌機中；來自礦渣粉鋼倉和P.O 42.5普通硅酸鹽水泥鋼倉的物料經管式螺旋輸送機送入攪拌機中；改性磷石膏漿體計量倉通過氣動閥卸入攪拌機中。經攪拌機充分拌合后，制成過硫磷石膏礦渣水泥混凝土，工藝流程如圖3所示。

4)制品生產拌合好的過硫磷石膏礦渣水泥混凝土經磚機自帶的提升機送入磚機混凝土倉中；經計量后在專用模具中震動壓制成所需要的制品；壓制成型好的成品經過養護成為合格的產品，工藝流程如圖4所示。

2生產工藝參數

1)磷石膏的預處理及制漿磷石膏的預處理通過加入堿性材料，以中和磷石膏中少量的殘留可溶性酸，減少磷石膏中有害雜質對水泥凝結時間和早期強度的影響。堿性材料可以是石灰、電石渣、鋼渣泥等含CaO或者Ca(OH)2的材料。生產上為了簡化原材料，可采用普通硅酸鹽水泥。

表1　改性磷石膏漿的配料

*上述實物質量中考慮磷石膏含15%的自由水分。

磷石膏、普通硅酸鹽水泥、礦粉，按表1所示的配比配料預拌。預拌好的磷石膏放置時間不宜超過7 d，以免預拌的磷石膏板結成大塊，造成喂料和粉磨困難。

2)改性磷石膏漿的陳化和濃度調節粉磨后的改性磷石膏漿進入儲漿池后需要陳化8 h以上，使磷石膏中的有害雜質能夠充分中和。磷石膏在儲漿池中陳化時，不能夠停止攪拌機攪拌，以免磷石膏漿沉積板結。

為了保證磷石膏漿足夠的流動度和配置混凝土的計量，磷石膏漿在儲漿池中需要加適當水調整至60%的含固量濃度。調整方法為：用事先標定好的濃度壺裝滿料漿后稱重，并按照表2對照后調整。

如果出現改性磷石膏漿含固量過低的情況，可以停攪拌機，待磷石膏略沉降之后，將表層的水抽出部分再進行調整。

3) C30高流動性混凝土配合比C30高流動性混凝土，主要用于生產強度要求較高、需要通過澆筑振動成型的混凝土制品，如路沿石、高強度蓋板等，其混凝土的設計配合比如表3所示。

表2　料漿含固量和濃度壺質量對照表

表3　C30混凝土的配合比　/(kg·m -3)

由于改性磷石膏漿含磷石膏為60%，含水40%，并考慮現場砂石的含水率(假設現場砂的含水率為3%，碎石含水率為1%)，混凝土中現場配合比如表4所示。

表4　C30混凝土的現場配合比　/(kg·m -3)

實際拌合時，砂石中的水是變化的，因此需要根據混凝土拌合物的流動度調整外加水的用量，當流動度符合要求時，不需要再添加外加水。減水劑采用固含量為40%的聚羧酸減水劑，摻量是按照干基過硫磷石膏礦渣水泥的0.3%摻入，實際生產時可以根據混凝土工作性情況調整。

4)制備建筑標磚的C30干硬性混凝土配合比

C30干硬性混凝土主要用于生產需要通過機械壓制振動成型的水泥制品，如植草磚、步道磚等，其混凝土設計配合比如表5所示。

由于改性磷石膏漿中含磷石膏60%，含水為40%，考慮實際生產時砂石的含水率(假設現場砂的含水率為3%，碎石含水率為1%)，每方混凝土中所需要的混凝土的現場配合比，如表6所示。

表5　C30混凝土的配合比　/(kg·m -3)

表6　C30混凝土的現場配合比　/(kg·m -3)

實際拌合時，砂石中的水是變化的，因此需要根據混凝土拌合物的工作性能調整外加水的用量，當工作性能滿足壓制要求時，不需要再添加外加水。

3產品的經濟效益分析

以制備C30混凝土制品為例，按照湖北省大悟縣原材料價格進行原料成本核算，常規的普通硅酸鹽水泥制備C30混凝土的原材料成本，如表7所示，過硫磷石膏礦渣水泥制備C30混凝土的原料價格，如表8所示。

表7　普通硅酸鹽水泥制備C30混凝土原料成本

*外加劑為20%固含量。

表8　過硫磷石膏礦渣水泥制備C30混凝土原料成本

**改性磷石膏漿中水分含量為40%。*外加劑為40%固含量，配比為外摻。

由表7和表8的原料成本對比可以看出，過硫磷石膏礦渣水泥制備的混凝土，每1 m3原料成本相比普通硅酸鹽水泥混凝土降低了56.02元。

4結論

a.設計并建成了包括磷石膏預處理系統、混凝土配料和攪拌系統、制品成型和養護系統的年產10萬t過硫磷石膏礦渣混凝土生產線。

b.通過試生產，掌握了生產線的主要工藝控制參數，在生產線上成功生產出路沿石、植草磚、步道磚等建筑制品。

c.經濟效益分析表明，與普通硅酸鹽水泥生產的制品比較，過硫磷石膏礦渣水泥生產的C30制品每方混凝土的原料成本降低50元以上，具有很強的市場競爭能力。

參考文獻

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[2]林勝楠,梅毅,戴元華.磷石膏中硫資源利用的研究與應用現狀[J].無機鹽工業,2011，43(2)：10-13..

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[6]陸建鑫.過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的制備與耐久性研究[D].武漢：武漢理工大學,2013.