李岳生
广东丰业电力器材有限公司
摘要：随着经济的发展和社会的进步，石膏在硅酸盐水泥中主要起缓凝剂的作用,用天然石膏与磷石膏采用不同比例单掺、双掺作水泥缓凝剂。通过对凝结时间、安定性、强度等常规物理性能测试,研究磷石膏对水泥缓凝方面的影响。研究表明,磷石膏与天然石膏单掺、双掺作水泥缓凝剂均具有良好的缓凝、并提高强度作用。
关键词：磷石膏；水泥制品；应用
引言
磷石膏是工业湿法生产磷酸排放的固体废弃物，每生产一吨磷酸大约产生4～5吨磷石膏。根据中国磷复合肥工业协会的统计数据，截止目前，我国磷石膏堆存量超过2．5亿吨，近几年每年排放量都在7000万吨以上。由于磷石膏中杂质的存在，磷石膏与天然石膏在物化性能方面存在差异，目前只有很小比例的磷石膏得到利用，大部分未被利用的磷石膏均采取堆放的形式处置。大量堆放的磷石膏不仅占用大量土地，对生态环境造成严重污染，磷石膏排放企业也不得不为此负担高昂的处置费用。从消纳总量以及对环境影响角度综合考虑，磷石膏制备建筑材料是最适宜的利用方式之一。水泥是目前用量最大且最广泛的大宗建筑材料，磷石膏在水泥生产中大规模利用是首先要考虑的，也将是磷石膏利用的重要途径。本文对磷石膏在水泥生产中的应用前景和面临挑战进行分析讨论，以期促进磷石膏在水泥中应用。
1磷石膏水泥的制备原理
磷石膏主要成分为二水硫酸钙，pH值2.6～3.5，未进行脱水处理的磷石膏不具备胶凝性，矿渣粉是具有潜在水硬活性的胶凝材料，硅酸盐水泥或熟料、钢渣等均是活性强碱性物质。磷石膏可与硅酸盐熟料、矿渣粉及钢渣中大量的铝相、铝铁相反应，形成稳定的水化产物单硫型水化硫铝酸钙晶体，该晶体不溶于水，以胶体微粒析出，并逐渐凝聚成凝胶体即C-S-H凝胶。将磷石膏通过研磨，与粒化高炉矿渣粉及少量硅酸盐水泥熟料按一定比例复合，可制备具有较高强度的磷石膏复合水泥。
2磷石膏在水泥制品中的应用
2.1磷石膏烧制硫铝酸盐水泥熟料
传统硫铝酸盐水泥的生产以适当成分的石灰石、铝矾土以及石膏为原料，经1300～1350℃煅烧而成，具有高早强、微膨胀、耐侵蚀和抗冻性好的特点。石膏作为硫铝酸盐水泥生产中用量较大的原材料之一，在熟料烧成过程中起导向化合及稳定矿物组成两方面的作用。磷石膏代替天然石膏与钙质原材料、铝质原材料混合烧制硫铝酸盐水泥熟料时，所含的可溶性杂质会与石灰石分解产生的CaO反应形成稳定化合物，杂质得以转化并以惰性形式固溶在水泥熟料矿物中，不仅极大地降低了磷石膏杂质的不利影响，还可以促进水泥熟料矿物的烧成，改善其易烧性。杨林利用磷石膏、硫铁矿渣制得了铁相含量较高的贝利特硫铝酸盐水泥熟料，以磷石膏为原料在1250℃煅烧水泥的抗压强度与以天然石膏为原料在1300℃煅烧水泥的抗压强度相当，说明磷石膏中含有的磷酸盐、氟化物、有机物等杂质，在水泥熟料煅烧过程中降低了熟料的烧成温度而起到矿化剂的作用。如果合理控制硫铝酸盐水泥熟料煅烧气氛或者使磷石膏过量的情况下，磷石膏将会发生分解，只要能促使磷石膏在熟料形成阶段尽可能多地分解，但又不完全分解，则磷石膏分解产生的CaO可代替部分石灰石所提供的钙质组分，未分解的磷石膏提供生产硫铝酸盐水泥必需的硫酸钙组分，产生的SO2气体收集后还可以用于生产硫酸。这样就可以避免磷石膏制酸联产硅酸盐水泥时需要极高分解率的要求，可使硫铝酸盐水泥生料中磷石膏掺量大幅度增加。磷石膏部分分解制备硫铝酸盐水泥的关键在于提高磷石膏的分解率。很显然，如果磷石膏分解率不够高，则难以达到资源化利用的初衷。如图4、图5所示，柴俊青等研究了磷石膏高温分解对烧制硫铝酸盐水泥性能的影响，磷石膏掺量为27．12%、煅烧温度为1300℃时分解率达到了36．2%，水泥在28d抗压强度达到了58．5MPa。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆尽管如此，磷石膏分解产生的CaO仍不足以达到有效代替生料配料中所需CaO的要求，分解产生的SO2也难以收集用于联产硫酸。因此，需要综合考虑磷石膏的分解与硫铝酸盐水泥烧成过程，如果控制磷石膏在某一温度段集中分解，而其他温度段无分解，则有利于实现SO2的收集和制酸。
2.2以磷石膏为原料生产低碱型硫铝酸盐水泥
磷石膏低碱度水泥是以石灰石、矾土和磷石膏为原料在立窑中烧制的硫铝酸盐水泥熟料,熟料的主要矿物为无水硫铝酸钙(约为65%左右)和硅酸三钙(约为25%左右),外掺磷石膏和石灰石磨制而成。根据实验室和工厂生产试验表明,该水泥具有早期强度高、硬化快、碱度低、微膨胀等特性,成本低于硅酸盐水泥,用该水泥制造的玻璃纤维增强水泥制品具有重量轻、强度高、韧性好、耐入、耐火、耐水、可锯、可钉、不翅曲、不变形等优点,现已经广泛用于制造"GRC"轻质多孔板。
2.3后掺磷石膏生产硫铝酸盐水泥
在生产硫铝酸盐水泥时，根据水泥品种不同，后掺石膏有的需要二水石膏，有的则需要硬石膏。刁江京等人探索了用磷石膏作为后掺石膏生产硫铝酸盐水泥熟料的研究，结果表明采用磷石膏是可以生产出合格的硫铝酸盐水泥熟料的。然而，磷石膏中所含杂质是影响其作为后掺石膏直接代替天然石膏利用的首要因素。由于磷石膏中杂质的存在，直接作为后掺石膏用于硫铝酸盐水泥时可能会对水泥的水化过程产生不利影响，这与磷石膏作为普通硅酸盐水泥缓凝组分的问题类似，除此之外磷石膏中CaSO4·2H2O含量也会影响磷石膏硫铝酸盐水泥的性能。通常的做法是对磷石膏进行预处理以便获得性能稳定且杂质含量符合要求的二水石膏，然后再作为后掺石膏用于生产硫铝酸盐水泥。当然不同来源的磷石膏中杂质的影响会有所不同，Kuryatnyk等采用两种磷石膏分别与硫铝酸盐水泥熟料按3∶7的比例混合来制得硫铝酸盐水泥，结果表明采用Gabes磷石膏制备的水泥具有水硬性，而以Skhira磷石膏制备的水泥由于在初始的基体中形成大量钙矾石导致了过大的膨胀，因此没有强度。显然，要将磷石膏作为后掺石膏使用还需要对其性能进行充分的分析测试。
结语
磷石膏作为一种排放量较大的工业废渣，在建材工业特别是在水泥生产中的应用是其资源化利用的主要方向。磷石膏用作硅酸盐水泥缓凝剂，目前技术较为成熟，但可溶磷杂质的不利作用是影响其应用的主要障碍，且消纳的磷石膏量有限。高温分解制硫酸联产硅酸盐水泥使磷石膏的消纳量明显提高，但其生产工艺复杂且对磷石膏品质有一定要求，因此目前未能大规模推广使用。相比之下，磷石膏用于生产硫铝酸盐水泥将是非常有前景的应用方向，磷石膏在硫铝酸盐水泥中的应用包括作为生料配料和作为后掺石膏使用，甚至可以使磷石膏部分分解提供烧制硫铝酸盐水泥需要的部分或者全部钙质原材料，磷石膏在硫铝酸盐水泥生产中的使用比例将大幅度提高。当然，磷石膏在硫铝酸盐水泥生产中应用还有很多问题有待深入研究，包括如何有效控制或者利用磷石膏中的杂质，如何控制磷石膏的分段分解和提高其分解率，以完全代替石灰石和有效收集SO2制酸等。磷石膏作为后掺石膏使用时，考虑将其中的杂质作为功能组分使用，适当延缓硫铝酸盐水泥的凝结时间以用于某些特殊工程中，不仅可以省去磷石膏的预处理过程，而且可以避免杂质带来的不利影响。
参考文献
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［3］方俊文．我国磷肥行业产业布局分析［EB/OL］．http://www．china-npk．org/c/cn/news/2015-05/26/news_7483．html．2015-05-26．
论文作者:李岳生
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：石膏论文; 盐水论文; 熟料论文; 分解论文; 水泥论文; 杂质论文; 石灰石论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;