磷石膏蒸压砖制备工艺及强度机理研究.pdf

1、第 12 卷 第 3 期2009 年 6 月建 筑 材 料 学 报JOU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL S Vol. 12 , No. 3J un. ,2009收 稿 日 期 :2008207201 ; 修 订 日 期 :2008210220第 一 作 者 :杨 家 宽 (1973 ) ,男 ,湖 北 鄂 州 人 ,华 中 科 技 大 学 教 授 ,博 士 生 导 师 ,博 士 . E2mail :yjiakuan hot mail. com1) 文 中 涉 及 的 含 量 、 含 水 率 等 均 为 质 量 分 数 .文 章 编 号 :100729629 (200

2、9) 0320352204磷 石 膏 蒸 压 砖 制 备 工 艺 及 强 度 机 理 研 究杨 家 宽 , 谢 永 中 , 刘 万 超 , 任 婷 艳 , 林 显 龙(华 中 科 技 大 学 环 境 科 学 与 工 程 学 院 ,湖 北 武 汉 430074)摘 要 : 以 经 低 压 (0. 12 MPa ,120 )蒸 汽 预 处 理 后 的 磷 石 膏 为 原 料 制 备 墙 砖 . 研 究 表 明 ,以 磷 石 膏掺 量 (质 量 分 数 ,余 同 )为 40 % ,消 石 灰 掺 量 为 15 % ,复 合 外 加 剂 掺 量 为 1 % ,石 硝 和 粉 煤 灰 质 量 比为 2

3、1 制 备 的 墙 砖 ,其 抗 折 强 度 达 到 4 MPa 以 上 ,抗 压 强 度 达 到 23 MPa 以 上 ,抗 冻 性 优 良 ,可 用作 承 重 墙 材 . 对 该 墙 砖 进 行 了 XRD ,SEM 分 析 ,结 果 表 明 ,墙 砖 强 度 主 要 来 源 于 高 强 托 勃 莫 来 石 结晶 相 ,其 包 裹 着 磷 石 膏 和 骨 料 ,形 成 了 致 密 的 结 构 .关 键 词 : 磷 石 膏 ; 预 处 理 ; 墙 砖 ; 强 度 机 理中 图 分 类 号 : TQ170. 9 文 献 标 识 码 :AStudy on the Preparation Tech

4、nology of Brick with PhosphogypsumPretreated by Steam and Its Strength MechanismYA N G J i a2k uan , X I E Yon g2z hong , L I U W an2chao , R EN Ti n g2y an , L I N X i an2long(School of Environmental Science and Engineering , Huazhong University of Science pre2treatment process ; brick ; strength m

5、echanism磷 石 膏 是 磷 肥 厂 排 放 出 来 的 工 业 废 渣 . 大 量 磷石 膏 排 放 不 但 占 用 土 地 而 且 污 染 环 境 . 目 前 主 要 研究 用 磷 石 膏 来 制 备 水 泥 缓 凝 剂 、 建 材 等 . 由 于 磷 石 膏中 含 有 的 少 量 杂 质 会 对 其 应 用 造 成 严 重 影 响 124 ,因此 在 应 用 之 前 需 要 进 行 经 济 、 有 效 的 预 处 理 . 磷 石 膏的 预 处 理 方 式 有 很 多 ,主 要 包 括 水 洗 、 球 磨 、 浮 选 、 石灰 中 和 、 煅 烧 和 湿 筛 旋 流 5 等 .目 前

6、 ,国 内 外 均 有 用 磷 石 膏 制 备 墙 体 材 料 的 研究 627 ,但 利 用 磷 石 膏 制 备 承 重 墙 体 材 料 还 没 有 成 熟的 技 术 出 现 . 本 文 首 先 以 不 同 蒸 汽 条 件 对 磷 石 膏 原料 进 行 预 处 理 ,再 利 用 预 处 理 后 的 磷 石 膏 制 备 用 于承 重 的 墙 砖 ,取 得 了 满 意 的 效 果 .1 试 验1. 1 原 料磷 石 膏 来 自 湖 北 襄 樊 某 化 工 厂 ,其 主 要 组 分 为CaSO4 2 H2 O (含 量 1) 在 90 %以 上 ) , 含 有 少 量P2 O5 ,F - 和 有

7、机 物 等 杂 质 . 本 试 验 对 磷 石 膏 均 进 行了 蒸 汽 预 处 理 ,方 法 是 将 磷 石 膏 置 于 密 闭 的 容 器 中 ,然 后 通 入 蒸 汽 . 蒸 汽 预 处 理 方 式 有 2 种 :第 一 种 为 低压 蒸 汽 (蒸 汽 压 力 为 0. 12 MPa ,蒸 汽 温 度 为 120 )预 处 理 ;第 二 种 为 高 压 蒸 汽 (蒸 汽 压 力 为 0. 80 MPa ,蒸 汽 温 度 为 180 )预 处 理 .石 硝 为 湖 北 某 采 石 场 的 碎 石 渣 ,其 石 英 含 量 在93 %以 上 ,粒 径 10 mm. 粉 煤 灰 为 湖 北 襄

8、 樊 某 电 厂湿 排 灰 ,其 主 要 成 分 为 SiO2 和 Al2 O3 . 消 石 灰 为 湖北 地 区 的 生 石 灰 加 适 量 水 消 化 并 过 0. 5 mm 筛 所得 . 消 化 用 生 石 灰 性 能 符 合 J C/ T 621 1996 硅 酸盐 建 筑 制 品 用 生 石 灰 的 技 术 要 求 .为 了 改 善 磷 石 膏 墙 材 的 性 能 ,采 用 了 自 制 的 复合 外 加 剂 .1. 2 试 件 制 备将 预 处 理 后 的 磷 石 膏 、 石 硝 、 粉 煤 灰 、 消 石 灰 和复 合 外 加 剂 按 比 例 称 量 ,然 后 在 强 制 式 轮

9、碾 机 中 混合 均 匀 (混 合 料 含 水 率 为 15 %) ,再 装 入 尺 寸 为 240mm 115 mm 53 mm 的 自 制 模 具 ,随 后 放 入 压 力试 验 机 中 以 20 MPa 的 压 力 成 型 ,即 制 得 砖 坯 .砖 坯 均 在 砖 厂 的 蒸 压 釜 中 进 行 蒸 汽 养 护 ,相 应工 艺 参 数 为 :蒸 汽 压 力 0. 80 MPa ,保 压 时 间 4 h ,釜中 总 停 留 时 间 为 8 h. 砖 坯 养 护 后 ,即 制 得 标 准 墙砖 .1. 3 性 能 检 测 与 物 相 分 析墙 砖 的 抗 折 强 度 、 抗 压 强 度 和

10、 抗 冻 性 能 检 测 均按 照 GB/ T 2542 2003 砌 墙 砖 试 验 方 法 的 试 验规 程 进 行 .在 测 完 抗 压 强 度 破 碎 后 的 砖 块 中 取 样 ,然 后 将其 置 于 无 水 乙 醇 中 浸 泡 24 h 以 终 止 水 化 ,再 在 40 下 烘 干 ,随 后 进 行 XRD 分 析 和 SEM 检 测 . X 射线 衍 射 分 析 采 用 D/ Max23B 粉 晶 衍 射 仪 ,扫 描 电 镜分 析 采 用 J SM25610L V 扫 描 电 镜 .2 结 果 分 析 及 讨 论2. 1 预 处 理 方 式在 磷 石 膏 掺 量 为 35 %

11、 ,消 石 灰 掺 量 为 10 % ,石硝 和 粉 煤 灰 质 量 比 为 2 1 ,复 合 外 加 剂 掺 量 为 1 %的 条 件 下 ,以 未 经 预 处 理 、 经 低 压 蒸 汽 预 处 理 和 高 压蒸 汽 预 处 理 的 磷 石 膏 制 得 墙 砖 ,然 后 对 墙 砖 的 强 度进 行 测 试 ,结 果 见 图 1. 从 图 1 可 见 ,以 低 压 蒸 汽 预处 理 过 的 磷 石 膏 制 备 的 墙 砖 的 强 度 最 佳 ,其 抗 折 强度 为 2. 89 MPa ,抗 压 强 度 为 13 MPa.后 续 试 验 中 全 部 采 用 经 低 压 蒸 汽 预 处 理 的

12、 磷 石膏 .2. 2 磷 石 膏 掺 量在 消 石 灰 掺 量 为 10 % ,石 硝 和 粉 煤 灰 质 量 比 为2 1 , 复 合 外 加 剂 掺 量 为 1 %的 条 件 下 ,磷 石 膏 掺 量对 墙 砖 强 度 的 影 响 见 图 2.图 1 不 同 预 处 理 方 式 对 墙 砖 强 度 的 影 响Fig. 1 Effect of different pre2treatment process on strengthof brick图 2 磷 石 膏 掺 量 对 墙 砖 强 度 的 影 响Fig. 2 Effect of dosage of phosphogypsum on s

13、trength ofbrick图 2 表 明 :当 磷 石 膏 掺 量 为 30 %时 ,墙 砖 抗 压强 度 达 到 24. 6 MPa ,抗 折 强 度 达 到 3. 9 MPa ;当 磷石 膏 掺 量 为 40 %时 ,墙 砖 抗 压 强 度 为 15. 9 MPa ,抗折 强 度 为 3. 0 MPa ;当 磷 石 膏 掺 量 为 50 %时 ,墙 砖抗 压 强 度 为 10. 5 MPa ,抗 折 强 度 为 2. 3 MPa ,已 经不 符 合 承 重 墙 材 的 要 求 . 综 合 考 虑 经 济 性 和 强 度 性能 ,磷 石 膏 掺 量 以 40 %为 宜 .2. 3 粉 煤

14、 灰 掺 量在 磷 石 膏 掺 量 为 40 % ,消 石 灰 掺 量 为 10 % ,复合 外 加 剂 掺 量 为 1 %的 条 件 下 ,粉 煤 灰 掺 量 对 墙 砖强 度 的 影 响 见 图 3. 从 图 3 可 以 看 出 ,10 %和 20 %的粉 煤 灰 掺 量 对 墙 砖 强 度 的 影 响 不 是 很 大 , 但 粉 煤 灰掺 量 为 30 %时 ,墙 砖 的 强 度 较 差 ,因 此 粉 煤 灰 适 宜掺 量 为 10 % 20 %.2. 4 消 石 灰 掺 量在 磷 石 膏 掺 量 为 40 % ,石 硝 和 粉 煤 灰 质 量 比 为2 1 ,复 合 外 加 剂 掺 量

15、 为 1 %的 条 件 下 ,消 石 灰 掺 量对 墙 砖 强 度 的 影 响 见 图 4. 图 4 表 明 ,随 着 消 石 灰 掺量 的 增 加 ,墙 砖 强 度 随 之 升 高 . 这 是 因 为 消 石 灰 的 加入 既 可 以 中 和 磷 石 膏 中 的 磷 酸 和 氢 氟 酸 等 余 酸 ,又能 提 供 充 足 的 活 性 氢 氧 化 钙 . 活 性 氢 氧 化 钙 与 原 料中 的 活 性 氧 化 硅 、 氧 化 铝 在 蒸 汽 压 作 用 下 发 生 反 应 ,353 第 3 期 杨 家 宽 ,等 :磷 石 膏 蒸 压 砖 制 备 工 艺 及 强 度 机 理 研 究 从 而 改

16、 善 了 磷 石 膏 墙 砖 的 强 度 . 消 石 灰 掺 量 的 最 优水 平 为 15 %.图 3 粉 煤 灰 掺 量 对 墙 砖 强 度 的 影 响Fig. 3 Effect of dosage of fly ash on strength of brick图 4 消 石 灰 掺 量 对 墙 砖 强 度 的 影 响Fig. 4 Effect of dosage of slaked lime on strength of brick2. 5 复 合 外 加 剂 掺 量在 消 石 灰 掺 量 为 10 % ,磷 石 膏 掺 量 为 40 % ,石硝 和 粉 煤 灰 质 量 比 为 2 1

17、的 条 件 下 ,复 合 外 加 剂 掺量 对 墙 砖 强 度 的 影 响 见 图 5. 图 5 显 示 :不 掺 和 掺 加1 %复 合 外 加 剂 的 墙 砖 强 度 相 差 不 大 ;当 复 合 外 加 剂掺 量 达 到 3 %时 ,墙 砖 的 抗 折 强 度 和 抗 压 强 度 分 别为 2. 9 MPa 和 17. 0 MPa ;当 复 合 外 加 剂 掺 量 达 到5 %时 ,墙 砖 的 抗 折 强 度 有 所 增 加 ,但 抗 压 强 度 则 明显 下 降 . 上 述 表 明 ,复 合 外 加 剂 的 适 宜 掺 量 在 3 %左右 .图 5 复 合 外 加 剂 掺 量 对 墙

18、砖 强 度 的 影 响Fig. 5 Effect of dosage of multi2additive on strength ofbrick2. 6 抗 冻 性 能以 磷 石 膏 掺 量 为 40 % ,石 硝 和 粉 煤 灰 质 量 比 为2 1 ,复 合 外 加 剂 掺 量 为 1 % ,消 石 灰 掺 量 为 15 %制备 墙 砖 ,然 后 对 其 进 行 冻 融 试 验 ,结 果 见 表 1. 由 表 1可 见 ,墙 砖 经 冻 融 后 ,质 量 损 失 微 小 ,抗 压 强 度 为18. 6 MPa ,这 表 明 以 本 条 件 制 备 的 墙 砖 的 抗 冻 性 优良 ,能 够

19、 在 恶 劣 气 候 地 区 使 用 .表 1 墙 砖 的 冻 融 试 验 结 果Table 1 Results of frost2melting experiment of brickFlexural strengt hbefore experiment/ MPaCompressive strengt h/ MPaBefore experiment AfterexperimentMass lossafter experi2ment/ %4. 2 23. 6 18. 6 0. 0292. 7 强 度 形 成 机 理 分 析磷 石 膏 墙 砖 的 强 度 很 高 . 为 了 研 究 其 强 度

20、形 成机 制 ,对 以 磷 石 膏 掺 量 为 40 % ,石 硝 和 粉 煤 灰 质 量比 为 2 1 ,复 合 外 加 剂 掺 量 为 1 % ,消 石 灰 掺 量 为15 %制 备 的 墙 砖 进 行 了 XRD 分 析 和 SEM 分 析 ,结果 分 别 见 图 6 ,7.图 6 墙 砖 的 X射 线 衍 射 图Fig. 6 X2ray diffraction pattern of brick图 7 墙 砖 的 SEM 图 片Fig. 7 SEM image of brick由 图 6 可 见 :石 英 的 衍 射 峰 最 强 ,这 主 要 是 由 于石 硝 中 石 英 含 量 太 高

21、 所 致 ;硬 石 膏 衍 射 峰 很 高 ,这 说明 了 在 0. 80 MPa 蒸 汽 养 护 条 件 下 墙 砖 中 大 部 分CaSO4 2 H2 O完 全 脱 水 生 成 CaSO4 ;在 d = 11. 3 !处 有 5CaO 6SiO2 nH2 O (托 勃 莫 来 石 ) 的 衍 射峰 ,说 明 在 0. 80 MPa 蒸 汽 养 护 条 件 下 磷 石 膏 墙 砖453 建 筑 材 料 学 报 第 12 卷 中 形 成 了 高 强 托 勃 莫 来 石 结 晶 相 .由 图 7 可 以 看 到 ,团 状 的 物 质 被 一 层 一 层 的 板状 物 质 所 包 围 ,这 些 板

22、 状 物 质 是 托 勃 莫 来 石 ,它 属 于一 种 结 晶 良 好 的 C2S2H 凝 胶 ,具 有 良 好 的 物 理 力 学性 能 ,是 形 成 磷 石 膏 墙 砖 强 度 的 主 要 物 质 .磷 石 膏 墙 砖 中 的 托 勃 莫 来 石 主 要 是 由 消 石 灰 中的 氢 氧 化 钙 与 粉 煤 灰 、 石 硝 表 层 的 活 性 SiO2 反 应 生成 ,该 反 应 在 高 压 蒸 汽 养 护 中 得 到 促 进 5 ,生 成 的 结晶 相 包 围 着 石 膏 晶 体 和 石 硝 ,形 成 了 非 常 致 密 的 结构 ,使 水 分 难 以 进 入 ,从 而 使 磷 石 膏

23、 墙 砖 的 强 度 很高 、 抗 冻 性 非 常 优 良 . 另 外 ,磷 石 膏 中 大 量 的 石 膏 相 ,在 石 灰 、 粉 煤 灰 中 活 性 Al2 O3 的 共 同 作 用 下 ,很 可能 生 成 钙 矾 石 的 结 晶 相 8 .3 结 论1. 以 石 硝 作 为 骨 料 ,低 压 蒸 汽 预 处 理 的 磷 石 膏掺 量 为 40 % ,消 石 灰 掺 量 为 15 % ,复 合 外 加 剂 掺 量为 1 % ,石 硝 和 粉 煤 灰 质 量 比 为 2 1 制 备 的 墙 砖 ,其 强 度 高 ,抗 冻 性 好 ,可 用 作 承 重 墙 材 .2. 磷 石 膏 墙 砖 强

24、 度 主 要 来 源 于 水 化 反 应 生 成 的高 强 托 勃 莫 来 石 ,其 包 裹 着 磷 石 膏 和 石 硝 ,形 成 了 致密 的 结 构 .3. 本 研 究 结 果 有 望 解 决 磷 石 膏 堆 存 的 环 境 难题 ,具 有 较 好 的 产 业 化 前 景 .参 考 文 献 : 1 SIN GH M. Role of phosphogypsum impurities on strengt h andmicrostructure of selenite plasterJ . Const ruction and Build2ing Materials ,2005 ,19 (6)

25、 :4802486. 2 彭 家 惠 ,彭 志 辉 ,张 建 新 ,等 . 磷 石 膏 中 可 溶 磷 形 态 、 分 布 及 其 对性 能 影 响 机 制 的 研 究 J . 硅 酸 盐 学 报 ,2000 ,28 (4) :3092313.PEN G Jia2hui , PEN G Zhi2hui , ZHAN G Jian2xin , et al. Studyon t he form and distribution of water2soluble P2O5 in phospho2gypsum and effective mechanism of propertiesJ . Journ

26、al oft he Chinese Ceramic Society , 2000 , 28 ( 4) : 3092313. (in Chi2nese) 3 曹 建 新 ,陈 前 林 ,刘 毅 ,等 . 磷 石 膏 中 杂 质 的 形 态 及 水 溶 性 磷对 水 泥 物 理 性 能 的 影 响 J . 环 境 工 程 ,2001 ,19 (5) :40243.CAO Jian2xin ,CHEN Qian2lin ,L IU Yi ,et al. Impurity configu2ration in phosphogypsum and influence of water2soluble ph

27、os2phorous pentoxide on cement physical propertyJ . Environ2mental Engineering ,2001 ,19 (5) :40243. (in Chinese) 4 杨 敏 ,钱 觉 时 ,王 智 ,等 . 杂 质 对 磷 石 膏 应 用 性 能 的 影 响J . 材 料 导 报 ,2007 ,21 (6) :1042106.YAN G Min ,QIAN J ue2shi ,WAN G Zhi ,et al. Effect of impuri2ties on t he working performance of phosph

28、ogysumJ . Mate2rials Review ,2007 ,21 (6) :1042106. (in Chinese) 5 SIN GH M , GAR G M , V ERMA C L , et al. An improvedprocess for t he purification of phosphogypsumJ . Construc2tion and Building Materials ,1996 ,10 (8) :5972600. 6 刘 代 俊 ,刘 玉 琨 ,钟 本 和 ,等 . 高 强 度 磷 石 膏 砌 块 的 研 制 J . 磷肥 与 复 肥 ,2004 ,1

29、9 (1) :64265.L IU Dai2jun ,L IU Yu2kun , ZHON G Ben2he ,et al. Preparationof high strengt h building block wit h phosphogypsumJ . Phos2phate & Compound Fertilizer ,2004 ,19 (1) :64265. (in Chinese) 7 KUMAR S. Fly ash2lime2phosphogypsum hollow blocks forwalls and partitionsJ . Building and Environment , 2003 , 38(2) :2912295. 8 SHEN Wei2guo , ZHOU Ming2kai , ZHAO Qing2lin. Study onlime2fly ash2phosphogypsum binderJ . Construction andBuilding Materials ,2007 ,21 (7) :148021485.553 第 3 期 杨 家 宽 ,等 :磷 石 膏 蒸 压 砖 制 备 工 艺 及 强 度 机 理 研 究