高掺量磷石膏免烧砖制备新工艺及机理研究

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磷石膏是磷化工企业利用湿法磷酸生产工艺生产磷酸时排放的工业固体废弃物,主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O),同时含有多种杂质成分。在湿法磷酸生产过程中,通常每生产1.0t磷酸(以100%的P2O5计算)约产生5.0t的磷石膏副产品。目前,磷石膏的处理仍以露天堆放贮存的方式为主,存在着污染环境、侵占土地等问题。磷石膏资源化利用途径主要有四个方而:建材行业陟、水泥行业、化工行业和农业生产。然而,现有磷石膏资源化综合利用技术,在实际应用过程中,还存在着一些不足或缺陷,主要表现在:(1)磷石膏预处理成本和能耗较高;(2)磷石膏利用率低,消纳量小;(3)工程投资大,工业化推广困难。免烧砖是相对于普通粘土烧结砖而言的,是不经过高温煅烧处理而制备的种新型墙体材料。磷石膏本身是一种具有胶凝属性的物质,可用于生产制备免烧砖产品。目前,磷石膏生产免烧砖工艺技术可归结为两类:一类为高压压制成型免蒸砖生产工艺;另一类为压制成型蒸养砖生产工艺。然而,现有磷石膏生产免烧砖工艺还存在着一些小足,主要表现在:(1)磷石膏掺量小,资源化利用率低;(2)磷石膏免烧砖产品强度低;(3)能耗高,动力消耗大;(4)生产成本较高。本文在充分调研现役磷石膏制砖技术的基础上,提出一项新的磷石膏制备免烧砖工艺,即“水化重结晶工艺”。该工艺的基本流程为:原料→物料配制→混合搅拌→压制成型→湿式养护→十燥脱水→浸水水化重结晶→自然养护→磷石膏免烧砖产品。具体为:磷石膏、黄沙、水泥和石灰等原料经配制和混合均匀,压制成型为免烧砖坯体;然后,将砖坯于常压和120~180℃的温度下十燥脱水,使砖坯中的二水石膏(CaSO4·2H2O)以气态形式脱水转变成β-半水石膏(β-CaSO4·0.5H2O),制得免烧砖干坯;接着将干坯浸没于室温水中,制得水化重结晶磷石膏免烧砖坯体。论文对新工艺进行了系统的实验研究工作,结果表明:(1)新工艺较佳工艺参数条件为:磷石膏、石灰、黄沙和水泥的掺量分别为70.0%、1.4%、20.6%和8.0%;成型压力为30MPa;湿式养护:喷水养护1天和自然干燥3天;干燥脱水温度和时间分别为170℃和3.0h;浸水时间为60min;自然养护时间28天;(2)在结论(1)较佳工艺参数条件下,制备的磷石膏免烧砖样品,其抗压强度、抗折强度、吸水率、耐水性和冻融性测试结果分别为24.1MPa、6.1MPa、10.6%、15.6MPa和18.4MPa与0.9%,完全能够满足JC/T422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》MU20级产品性能的质量标准要求;(3)“水化重结晶工艺”制备磷石膏免烧砖强度形成机理在于:由水泥胶凝作用贼予的、具有一定初始强度的磷石膏砖坯,在常压和120~80℃温度下干燥脱水,使砖坯中的二水石膏(CaSO4·2H2O)以气态形式脱水1.5H20转变成β-半水石膏(β-CaSO4·0.5H2O),获得干坯;王坯再浸没于水中,使砖坯中β-型半水石膏晶体原位与水发生水化反应,重新转化为二水石膏晶体,即重结晶二水石膏。重结晶二水石膏具有晶体颗粒形貌完整、相互咬合、交错排列、结构致密的微观结构,从而赋予磷石膏免烧砖较高的机械强度。本文提出的“水化重结晶工艺”制备磷石膏免烧砖新工艺,充分利用了磷石膏自身的胶凝属性,以及二水石膏的干燥脱水和半水石膏的水化重结晶作用,制备出内部微观结构相互咬合的磷石膏免烧砖,为磷石膏资源化技术的工艺设计和应用研究提供了一种新的研究思路和方向。论文研究开发磷石膏制备免烧砖新工艺,不仅能够大量消纳工业固体废物磷石膏,解决磷石膏造成的环境污染,同时变废为宝,实现资源的循环利用,制备出新型建筑墙体材料——免烧砖,为解决磷石膏造成的环境污染问题提供了一条有效的资源化途径。因此,磷石膏兔烧砖新技术的研究和开发,具有较高的经济、社会和环境效益。
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