磷渣粉改性磷石膏實驗研究

鄭紹聰 ，汪 帆，朱麗蘋，徐成坤

（1.曲靖師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南曲靖655011；2.曲靖卷煙廠）

近年來，隨著國家環(huán)保局對磷化工排放副產(chǎn)品磷石膏要求的提高，對磷石膏的綜合利用成為磷化工行業(yè)的研究熱點之一［1-2］。磷石膏基制品具有質(zhì)輕、保溫隔熱、易于加工和調(diào)節(jié)濕度等功能，在建材領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用［3］。但是，作為氣硬性膠凝材料，磷石膏基制品存在力學(xué)強度較低，耐水性較差等問題［4］，又大大地限制了它的應(yīng)用范圍。為了提高石膏制品的強度和耐水性，科研人員曾做了大量的研究工作，摻雜改性就是一個重要的研究方向［5］。本項目是以云南省磷化工副產(chǎn)品磷石膏為主要原料，通過焙燒制備建筑石膏，再添加其他原料復(fù)配得到石膏基產(chǎn)品。經(jīng)過大量研究，本課題組找到了能改變磷石膏晶體形貌的科研關(guān)鍵技術(shù)，改善了磷石膏基產(chǎn)品的物理性能，提高了工業(yè)副產(chǎn)品磷石膏的附加價值，促進(jìn)了建材行業(yè)的環(huán)保發(fā)展，完全符合國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能利廢的國策。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器設(shè)備

β型半水磷石膏（簡稱磷建筑石膏），主要物相為CaSO4·1/2H2O，含有約10%的SiO2和其他雜質(zhì)，化學(xué)成分見表1；改性磷渣粉，以磷渣粉（化學(xué)成分見表1）為主要原料，通過添加一定量化學(xué)試劑粉磨改性而成；FDN萘系減水劑。

NJ-160A型水泥凈漿攪拌機；DKZ-5000型電動抗折試驗機；DYE-300型電液式壓力試驗機；Phenom ProX型臺式掃描電子顯微鏡；電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱；YP12001型電子天平。

表1 磷建筑石膏和磷渣粉的化學(xué)成分 %

1.2 實驗方法

根據(jù)實驗設(shè)計配比分別稱量磷建筑石膏、改性磷渣粉、FDN減水劑及水，將稱量好的磷建筑石膏、改性磷渣粉和減水劑倒入水泥凈漿攪拌機攪拌均勻，然后加入水?dāng)嚢?，隨后迅速注入三聯(lián)模具中成型，2 h脫模后置于烘箱中烘干測試。石膏砂漿的稠度、凝結(jié)時間、抗折抗壓試驗均按GB/T 9776—2008《建筑石膏》分析方法進(jìn)行，實驗環(huán)境溫度為（20±5）℃，實驗樣品干燥后用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀結(jié)構(gòu)并進(jìn)行機理分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 FDN減水劑對磷建筑石膏力學(xué)性能的影響

添加減水劑可以在保持流動性不變的情況下減少需水量，提高石膏基材料的強度。按設(shè)計稱取1 200 g磷建筑石膏粉，通過添加不同量的FDN減水劑調(diào)整石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度（密實度），考察減水劑對石膏抗折抗壓性能的影響，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，F(xiàn)DN減水劑摻量從0增加至1.5‰過程中，磷建筑石膏粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度從75%減小至54%，減水率達(dá)21%；石膏砂漿2 h抗折強度從2.4 MPa增加至3.0 MPa，增加約25%；24 h抗折強度從3.2 MPa增加至3.8MPa，增加約18%。說明添加減水劑后，磷建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度降低，抗折抗壓物理性能均有一定程度提高。

表2 FDN減水劑對石膏力學(xué)性能的影響

2.2 改性磷渣材料對磷建筑石膏力學(xué)性能的影響

磷渣粉中含有大量的氧化鈣和二氧化硅等活性物質(zhì)，添加少量活性激發(fā)劑，通過粉磨制備出改性磷渣粉，用于改性磷石膏基砂漿，選擇減水劑摻量為1.5‰，研究改性磷渣粉對磷建筑石膏的影響，結(jié)果見表3和圖1。

表3 改性磷渣粉對石膏基力學(xué)性能的影響

由表3可見，在相同的減水劑和標(biāo)準(zhǔn)稠度條件下，隨著改性磷渣粉摻量從0%增加到20%過程中，磷建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度有明顯降低，磷石膏基制品強度增加非常明顯。當(dāng)改性磷渣粉摻量在10%～15%范圍內(nèi)時，磷石膏基制品抗折強度均達(dá)到7.0 MPa以上，抗壓強度達(dá)到15.0 MPa以上，約為磷石膏空白樣的2倍，效果顯著。

圖1b為磷渣粉改性石膏砂漿SEM圖。通過對比未添加改性磷渣粉的晶體形貌，結(jié)果表明，摻入改性磷渣粉后，石膏砂漿晶體形貌從長條狀、片狀改變成短柱狀、中空管狀等結(jié)構(gòu)，石膏晶體縫隙間還伴有鈣釩石膠凝材料，顯著增加了石膏砂漿強度?？赡艿脑蚴牵砑痈男粤自?，在磷建筑石膏中引入CaO、SiO2、Al2O3和 Fe2O3等活性成分。所添加的活性物質(zhì)在一定條件下生成硅酸鈣（C3S）和鈣釩石等增強材料；改性磷渣粉改變了磷石膏晶體形貌，生成短柱狀、中空狀等能有利于提高石膏砂漿性能的晶體；所形成增強材料與高強石膏晶體相互交結(jié)，大幅度提高了磷石膏基材料的物理性能。

圖1 磷渣粉改性石膏砂漿SEM圖

2.3 標(biāo)準(zhǔn)稠度對石膏力學(xué)性能的影響

在不同稠度條件下，石膏漿體流動性變化大，石膏基材料的密實度也不一樣?？疾觳煌矶葪l件對石膏基材料力學(xué)性能的影響。選擇磷建筑石膏1 056 g，磷渣粉 144 g，F(xiàn)DN 減水劑 1.2 g，考察添加不同水量對磷石膏基制品性能的影響，結(jié)果見表4和圖2。

表4 標(biāo)準(zhǔn)稠度對石膏力學(xué)性能的影響

表4結(jié)果表明，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)稠度從70%降低到42%過程中，石膏制品密度從1 050 kg/m3增加到1 453 kg/m3，增加約38.4%；石膏抗折強度從2.6 MPa增加至8.5MPa，增加約5.9 MPa；抗壓強度從8.6 MPa增加至17.5 MPa，增加約8.9 MPa。實驗結(jié)果表明，在相同的磷渣粉摻量、相同的減水劑條件下，石膏需水量對磷建筑石膏材料力學(xué)性能有顯著的影響。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)稠度大幅度降低時，石膏基制品密度相應(yīng)增加，而抗折抗壓性能也相應(yīng)增加。

圖2 不同標(biāo)準(zhǔn)稠度下石膏SEM圖

通過對比圖2的SEM圖可知，磷建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度從70%降低至42%條件下，石膏制品空隙減少很多，密實度增加非常多，這與表4中密度變化相一致。標(biāo)準(zhǔn)稠度降低，石膏晶體搭接增多，空隙減少，有利于增加石膏制品強度，導(dǎo)致石膏制品強度大幅度增加。

3 結(jié)論

本文以云南省磷肥工業(yè)副產(chǎn)磷石膏為主要原料，通過焙燒制備磷建筑石膏。通過添加改性磷渣粉和減水劑，顯著改善石膏粉力學(xué)性能。通過研究得出如下結(jié)論：1）減水劑減少石膏需水量，磷建筑石膏粉標(biāo)準(zhǔn)稠度降低，抗折抗壓物理性能均有一定程度提高；2）改性磷渣粉添加到磷建筑石膏中，相互協(xié)同作用下被激發(fā)，顯著提高石膏制品強度；3）磷建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度對磷石膏基材料性能也有影響?？赡茉蚴菢?biāo)準(zhǔn)稠度降低，石膏晶體搭接增多，空隙減少，大幅度增加石膏制品強度。在提高石膏基制品強度過程中，可以從添加增強材料、減少需水量和增加密度方面開展研究工作。

筆者課題組進(jìn)行了大量實驗研究，通過添加改性磷渣粉、減水劑等化工試劑，大幅度提高了磷建筑石膏強度，為磷石膏資源化利用提供技術(shù)支持。

致謝：實驗過程中特別感謝云南云天任高有限公司提供的幫助。