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磷石膏基水泥的开发研究

黄赟  
【摘要】: 磷石膏是磷化工企业湿法生产磷酸的工业副产品,每1吨磷酸将产生5吨磷石膏。随着我国磷化工业的快速发展,每年副产磷石膏已经超过4000万吨,累计堆积磷石膏超过2亿吨。由于种种原因,目前我国磷石膏的资源化利用率不足10%,剩余部分作为固体废弃物采用堆积或者填埋等方式处理,磷石膏堆积不但占用了大量土地,而且对周围环境造成严重污染,加快对磷石膏的资源化利用已经刻不容缓。 本文通过大量试验,以未经煅烧处理的磷石膏为主要原料,通过添加钢铁工业的高炉水淬矿渣和少量碱性激发剂,开发出一种新型低能耗的水硬性胶凝材料——磷石膏基水泥,并通过组分设计和制备工艺优化对提高磷石膏水泥的性能进行了研究。结果表明:使用45%的磷石膏与35%-45%的矿渣复合,添加10%钢渣或者4%的硅酸盐水泥作为碱性激发剂,可以制备出28d抗压强度超过40MPa的水硬性胶凝材料。尽管该水泥凝结慢、早强低,但在水中养护强度能不断增长。在钢渣激发的磷石膏基水泥中添加1%的NaOH,能显著缩短水泥的凝结时间和提高早期强度,用超细粉磨的硅酸盐水泥做碱性激发剂,磷石膏基水泥的3d抗压强度超过12MPa,接近于32.5复合硅酸盐水泥。 通过XRD、SEM等对磷石膏基水泥的水化产物、水化机理、水化过程及微观结构的发展进行了研究。结果表明:磷石膏基水泥的水化产物是C-S-H凝胶和钙矾石,磷石膏在水化过程中一部分参与水化形成水化产物钙矾石,剩余部分被水化产物所包裹起集料填充作用。磷石膏基水泥水化时,矿渣在碱性激发下溶解,并与溶解在液相中的石膏形成水化产物钙矾石和C-S-H凝胶,钙矾石和C-S-H凝胶交织在一起填充空隙,硬化浆体结构逐渐密实,强度不断发展。早期水化形成的钙矾石,起到填充空隙作用,和C-S-H凝胶一起构成硬化浆体的骨架,有利于促进水泥凝结和提高早期强度。当硬化浆体的致密性达到一定程度后,如果还形成大量结晶粗大的钙矾石,水化产物中结晶相过多,并不利于浆体结构致密度的提高,严重时还会因钙矾石的结晶压力使浆体结构产生破坏,造成水泥的后期强度降低甚至膨胀开裂。由于磷石膏基水泥中石膏是过剩的,通过控制磷石膏基水泥中碱性激发剂的适当掺量,可避免膨胀性钙矾石所造成的破坏。 通过试验对磷石膏基水泥的长期强度、体积稳定性、抗碳化性能、耐水性、抗硫酸盐性能等耐久性进行了研究,结果表明: 1、磷石膏基水泥在水中长期养护时,强度能不断发展,增加到一定程度时趋于稳定,其强度发展时间和所能达到的最终强度随着矿渣掺量的增加而增加。 2、钢渣激发磷石膏基水泥在水中养护时,具有微膨胀性,膨胀到一定程度后趋于稳定,膨胀量的大小随着水泥强度的提高而减少,在空气中养护时,与普通硅酸盐水泥一样,体积出现收缩,收缩量约为普通硅酸盐水泥的一半。硅酸盐水泥激发磷石膏基水泥在水中养护时,水泥掺量少的试样出现了收缩,水泥掺量多的试样具微膨胀性,膨胀量低于钢渣激发磷石膏基水泥。 3、磷石膏基水泥的抗碳化性能劣于普通硅酸盐水泥,在碳化箱中人工碳化28d后,磷石膏基水泥的抗压强度为未碳化时的65%-84%,降低幅度与未碳化时的强度有关,强度越高的试样,碳化后降低的比例越少。碳化时碳酸与磷石膏基水泥的水化产物C-S-H凝胶和钙矾石反应,形成了方解石和石膏,使浆体结构疏松化,是磷石膏基水泥碳化后强度降低的主要原因。 4、磷石膏基水泥水化产物中含有大量剩余石膏,早期水化结构还未发展致密时,浸泡在水中有部分石膏溶解,但随着水化进行,石膏被水化产物钙矾石和C-S-H凝胶包裹紧密,溶解越来越慢最终停止,因此具有很好的耐水性。 5、磷石膏基水泥具有很好的抗硫酸盐性能,这是因为其水化过程中一直是在石膏过剩的条件下进行,水化产物的碱度较低,硬化浆体的结构致密,硫酸盐侵蚀介质难以与水泥的水化产物发生化学反应形成石膏或钙矾石。


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