磷石膏基建筑石膏粉的制備工藝及其緩凝性能研究

張振環(huán)，馬 航，萬邦隆，楊曉龍

（云南云天化股份有限公司 研發(fā)中心，云南 昆明 650228）

2019年我國磷石膏排放量7 500萬t，同比下降4%，總利用量達到3 000萬t，同比下降3.22%，當年綜合利用率（含地下充填）為40.0%，同比提高了0.26個百分點［1］。我國磷石膏堆積總量超過5億t。

我國磷石膏產生具有典型區(qū)域性特點，80%以上集中在云南、貴州、四川和湖北4省，主要以堆存為主。磷石膏堆存不僅占用大量土地，而且存在環(huán)境污染風險。每年產生和歷年堆積的大量磷石膏已制約磷化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須加強和推進磷石膏綜合利用，實現磷化工企業(yè)綠色、環(huán)保可持續(xù)發(fā)展。針對磷石膏綜合利用問題，本研究以磷石膏為基材，通過在不同溫度下煅燒制備出符合國家標準的建筑石膏粉，優(yōu)化其工藝，并進行緩凝性能研究。

1 實驗

1.1 實驗原料

磷石膏，云南天安化工有限公司，化學成分分析結果見表1。

表1 二水石膏化學成分分析結果 %

緩凝劑：一水合檸檬酸、六偏磷酸鈉，標準試劑，西隴科學股份有限公司；Sg-1 級蛋白類緩凝劑、Sg-01 與Sg-03 蛋白類緩凝劑，河北申輝石膏緩凝劑有限公司。

1.2 實驗儀器

所用主要儀器設備有水泥膠砂振動臺（ ISO型）、TYE-10C 數顯式抗折抗壓實驗機（Max 10 kN）、鐵制模具（型號40 mm × 40 mm × 160 mm），凝結時間測定儀（ISO 新標準維卡儀），JXL-620 馬弗爐（0～1 000 ℃）和孔徑0.2 mm的方孔篩。

1.3 磷石膏基建筑石膏粉制備

取一定量的磷石膏分別放在恒定溫度為60、80、100、150、200、250 ℃的馬弗爐中煅燒，觀察其水分蒸發(fā)率變化；按GB/T 9776—2008《建筑石膏》檢測其物理力學性能［2］；利用XRD 對制得的磷石膏基建筑石膏粉進行定性、定量分析。

1.4 磷石膏基建筑石膏粉的緩凝性能研究

由于石膏的凝結時間特別短，影響該材料的施工性能，故對其緩凝性能進行研究；其中石膏凝結時間、標稠檢測方法按照GB/T 1346—2011 中要求進行［3］，抗壓檢測方法按照GB/T 17669.3—1999 中要求進行［4］。

2 結果與討論

2.1 建筑石膏粉制備工藝

稱取磷石膏約500 g，放入煅燒器皿中，料層厚度為50 mm，置于恒定溫度為60、80、100 ℃的馬弗爐中煅燒，由于煅燒溫度稍低，石膏相轉化較快，每隔10 min 測量剩余質量至2 h，監(jiān)測煅燒后質量的變化，實驗數據見表2。

表2 60～100 ℃下煅燒后磷石膏總質量

由表2 可知，磷石膏于60、80、100 ℃下煅燒2 h 后，其水分蒸發(fā)率分別為1.81%、3.04%和5.18%；隨著煅燒溫度的升高，物料的水分蒸發(fā)率提高。煅燒后所得物料的物理力學性能，均不符合GB/T 9776—2008 要求。

稱取磷石膏約500 g，放入煅燒器皿中，料層厚度為50 mm，置于馬弗爐中分別在恒定溫度為150、200、250 ℃下煅燒，每隔5 min 測量剩余質量至1 h，監(jiān)測煅燒后質量的變化，實驗數據見表3。

表3 150～250 ℃下煅燒后磷石膏總質量

由表3 可看出，磷石膏于150、200、250 ℃下煅燒1 h后，其水分蒸發(fā)率分別為4.54%、6.05%和10.88%。隨后檢測煅燒后物料的物理力學性能，在250 ℃下煅燒1 h 所得的物料符合建筑石膏標準要求。

將磷石膏在最佳煅燒工藝（即煅燒溫度為250 ℃、煅燒時間為1 h）下制備大量石膏粉，按照GB/T 9776—2008檢測其物理力學性能，結果見表4。

表4 建筑石膏粉物理力學性能

由表4可以看出，制備出來的磷石膏基建筑石膏粉物理力學性能符合GB/T 9776—2008 中建筑石膏2.0等級。

將最佳工藝下制備的建筑石膏粉，進行XRD檢測，實驗數據見圖1。

圖1 磷石膏基建筑石膏粉XRD檢測數據

由圖1可知，磷石膏基建筑石膏粉中半水石膏的質量分數為77.79%，滿足GB/T 9776—2008《建筑石膏》6.1中要求建筑石膏中β-半水硫酸鈣（β-CaSO4·1/2H2O）質量分數應不小于60.0%的規(guī)定。故按照最佳工藝制備出來的物料符合國家建筑石膏標準。

2.2 磷石膏基建筑石膏粉的性能

由于石膏凝結速度快，會影響該材料的使用性能，因此對石膏的緩凝性能研究具有很重要的意義。根據GB/T 9776—2008 中規(guī)定，將按照最佳工藝制備的磷石膏基建筑石膏粉粉碎至0.2 mm 方孔篩篩余量≤10%，選取一水合檸檬酸、六偏磷酸鈉、Sg-1級（蛋白類緩凝劑）、Sg-01與Sg-03（蛋白類緩凝劑）進行緩凝實驗，實驗數據見表5。

表5 不同緩凝劑對磷石膏基建筑石膏緩凝性能的影響

在添加量相同的條件下，添加復合蛋白石膏緩凝劑的石膏緩凝效果比添加一水合檸檬酸和六偏磷酸鈉緩凝劑更佳，強度損失率低。半水石膏遇水后的凝結時間一般在5 ～ 20 min，加入蛋白類石膏緩凝劑的目的是延緩石膏的水化，主要機制是放慢半水石膏相的溶解速度；或者把表面活性物質吸附于正在成長的二水石膏晶體表面上，生成難溶的膜，降低生成結晶胚芽的速度。蛋白類緩凝劑中表面活性物質吸附于水石膏顆粒表面，形成了保護性膠體阻礙半水石膏的水化，因而對石膏強度的損傷較小。而一水合檸檬酸、六偏磷酸鈉等緩凝劑使二水石膏晶體粗化、晶體搭接削弱、硬化體空隙變大、孔徑分布惡化，是強度降低的主要原因。

3 結論

利用磷石膏在溫度250 ℃下煅燒1 h，制備的磷石膏基建筑石膏粉各項指標達到GB/T 9776—2008規(guī)定的2.0等級。

利用Sg-01蛋白類緩凝劑對磷石膏基建筑石膏的緩凝效果最佳，可滿足施工要求，且對石膏強度損失率最低。