磷石膏生产墙体砖的工艺研究进展

王 芬 ,王佩怡,刘长路,向文军

(四川文理学院化学与化学工程系,四川达州635000)

1 引言

磷石膏是在磷酸生产中用硫酸处理磷矿时产生的固体废渣,其主要成分为二水硫酸钙。随着磷肥工业的高速发展,目前全国每年产生磷石膏约3万t,而且每年还在以15%的速度增长。磷石膏是一种粉状材料,几乎没有可塑造性,因此大部分采用堆放的处理方式,磷石膏的大量堆存,不仅侵占了土地资源,同时由于风蚀、雨蚀造成了大气、水系及土壤的污染。如何有效的处理已经成了我国乃至世界范围内的一个迫在眉睫的问题。磷石膏与天然二水石膏化学成分相同,结晶形态相似,CaO的含量大于30%,并含有少量游离磷酸、氟及有机物,因此,磷石膏可以用作建筑墙体砖的原材料。

磷石膏制作建材可以采用传统建筑石膏的生产工艺,即将石膏原料(二水石膏)先高温炒制成半水石膏,再经加水搅拌,成型,干燥等工艺,得到制品。但采用此种工艺生产的煅烧石膏都存在共同的特点,即强度低,一般抗压强度仅 4.5MPa,不耐水,只能用于隔墙,而不能用作承重材料,生产中耗能高,所以应用范围较为有限。本文介绍了近几年国内磷石膏生产墙体砖的工艺研究进展,旨在为中国磷石膏生产墙体砖的合理利用提供理论论据和实践参考。

2 我国磷石膏生产墙体砖的技术进展

2000年,张天保,池济亨[1]以砂子为辅料、聚丁类粘接剂为添加剂,经配料、粉粹、混合、高压成型,短期养护工序制得免烧磷石膏砖。当以磷石膏75%(质量份数,下同)、砂子 25%、聚丁类粘接剂0.2%配比,调整原料总量含水10%,成型压力为2000kN,制得的磷石膏砖抗压强度达到20MPa。

2002年,胡成军,潘建等人[2]将磷石膏、成型粘结剂料、内燃料和催化增强剂,按一定重量比充分混匀后,成型,晾干,在 700～900℃条件下烧制 30～55h,催化增强剂为含铁化合物,制备出的砖抗压强度均在10MPa以上,催化增强剂的催化效果显著。通过比较不同催化增强剂的效果发现催化增强剂为Fe2(SO4)3时制备的烧结砖的抗压强度最大。

2004年,董风芝,刘心中等人[3]将用磷石膏、粉煤灰和石灰按一定比例配料,经混合、粉碎、成型等工艺,制成建筑内墙用空心砌块,其基本配比为：m(磷石膏)∶m(粉煤灰)=(65～ 75)：(25～ 35),外加6%的生石灰及1%左右的激发剂,料浆的成型水料比约70%。m(磷石膏)：m(粉煤灰)=70%时按其工艺制备的空心砌块抗压强度达到8MPa,导热系数0.24W/(m◦K),耐火极限2h。该砌块具有防火、隔热、质轻、造价低、可加工性好等特点,且安装方便,符合建筑物结构大开间、灵活隔断发展趋势对内墙材料的要求。

2005年,李忠金,谌天等人[4]使用特殊的粘接剂,采用高压压制法制备出一种环保高压免烧磷石膏砖。所用的原料为(重量比)：砂100份、磷石膏40～60份、固相粘接剂 10～20份、液相粘接剂0.1～0.5份、胡敏酸钠0.5～2份。固相粘接剂是氧化钙、碳酸钠、碳酸钙,氧化铝中的1种或2种,液相粘接剂由石英、长石、粘土,一缩原磷酸配合而成。制砖压力大于40MPa,制备出的砖抗压强度平均值在10MPa以上,抗折强度平均值在2.0以上,吸水率小于20%,另外在抗冻、抗酸碱、耐水性、放射性上都符合国家标准。

2006年,杨金平[5]采用干燥煅烧法弃掉磷石膏了附着水分,使其结晶含水量小于15%,同时,除弃磷石膏中的磷、酸等有害物质。再将半水石膏(80%)与定量无水石膏、粉煤灰、凝结剂配合混合搅拌,凝结剂是12～20%的硅溶胶水溶液,将凝结剂用喷淋方式使之成雾状,经机械装模高压成型,机械脱模,自然水化后制得磷石膏高强度墙体砖。此法使磷石膏综合选用达80%,可替代实心粘土红砖,耐水性好,强度高。

2008年,杨月红,张慧娜等人[6]将磷石膏、粉煤灰、煤矸石、黄磷渣磨细到100～160目后加水混合,通过均匀搅拌、成型、脱模、静养、码垛、常压自然养护制备出了一种磷石膏免蒸免烧空心砖。其中当磷石膏55%、粉煤灰30%、煤矸石8%、黄磷渣3%加水4%混合均匀制备的空心砖抗压强度达9.1MPa。过程中粉煤灰、煤矸石本身具有胶凝性,物质中含有的Fe2O3相当于助溶剂,它能提高物质的化学活性,活化后的粉煤灰与磷石膏、煤矸石作用大大提高了产品的强度。生产过程中采用常压自然养护,成本大大降低。谭克峰,陈德玉[7]将磷石膏(50～70%)与生石灰(5～10%)预混后再与铁矿渣(10～20%)和粉煤灰(15～25%)混合均匀,按水胶比0.2～0.35比例加水混匀,压砖机中压制成型,放入蒸压釜中120～140℃压蒸4～7h,制得的砖强度高,实心砖抗压强度高于15MPa,空心砌块抗压强度高于10 MPa。

2009年,杨家宽,谢永中[8]以经低压(0.12 MPa,120℃)蒸汽预处理后的磷石膏为原料制备了墙砖。研究表明,以磷石膏掺量为40%,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,其抗折强度达到4 MPa以上,抗压强度达到23MPa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。同年,朱钒,付景源等人[9]采用坯体配方为 ：磷石膏 ：60%～85%,建筑垃圾：10%～ 37%,添加剂：1%～8%。其中建筑垃圾为破红砖、废弃混凝土、废瓷砖、废玻璃的一种或其混合物,添加剂为柠檬酸钠、甲基纤维素、FDN、生石灰等几组原料的混合料,通过破碎、球磨、配料、搅拌、陈化、轮碾、压制、蒸压等工序制备了一种磷石膏复合蒸压砖。砖体的抗压强度达到12～19MPa,抗折强度达到2.7～3.2MPa,砖体耐水性好,磷石膏与建筑垃圾等固体废弃物含量高达95%。

蒲中云,陈维贵等人[10]以电石渣为中和改性剂,中和磷石膏中的水溶性物质,建筑砂为胶结骨,粒径小于2mm,添加沸腾炉燃煤渣、锌冶炼水渣为活性掺合材,通过蒸养激发,使废渣中的 Fe2O3、A l2O3、CaO、MgO与磷石膏发生水化反应,并以芒硝或元明粉为激发剂,压制成砖坯再蒸汽养护制得蒸压磷石膏砖,其抗压强度可达15～30M Pa。夏举佩,张召述等人[11]采用主体原料为磷石膏,辅助原料包括黄磷炉渣、高炉渣、粉煤灰、煅烧尾矿、煅烧煤矸石、煅烧赤泥生石灰、电石渣中的一种或几种,制备磷石膏胶凝材料,再配合增强材料黄磷渣,以水玻璃、碳酸钠、烧碱为活化剂,加助剂木质素磺酸钙、腐植酸钠、氟硅酸钙、氟硅酸钠、水,按配方计量的原料加入搅拌机成型养护,制得的成品平均抗压强度达12.45MPa,平均抗折强度达3.2MPa,吸水率为12.33%。生产过程中不添加任何有机物,完全避免了有机材料降解、添加剂释放、残留物挥发造成的有毒物污染问题

(8)2010年,杨步雷[12]介绍了一种生产新型磷石膏砖的工艺方法,生产过程中,原料不经炒制,一步法工艺直接利用二水石膏制得成品;生产周期短,只需12～16h;强度高达10～25MP。该砖在水中强度继续增加,完全改变了石膏制品本身固有的性质,完全改变了石膏的传统观念,该产品可以取代建筑工程中所使用的其它类型砖,如粘土砖,页岩砖,粉煤灰砖,加气混凝土砌块等。

3 结语

用磷石膏生产墙体砖是磷石膏得到综合选用的有效途径,磷石膏可变废为宝,具有良好的经济效益和广阔的开发前景。生产墙体砖要综合考虑建筑墙体对砖的实际要求：质量好,具有高抗压性,耐水性,低吸水率等,性能稳定;工艺简单,流程短,易成型,生产成本低,成品率高,适合大规模实际生产应用;避免二次污染等等。随着国家不断强化环保力度,加上墙体砖生产技术的不断开发,相信磷石膏墙体砖一定会有更加广阔的市场前景。

[1]张天保,池济亨.磷石膏免烧砖及其生产工艺：中国,1277168[P].2000-12-20.

[2]胡成军,潘 建,等.磷石膏烧结砖的制备方法：中国,1465540[P].2004-01-07.

[3]董风芝,刘心中.磷石膏空心砌块的研制[J].建筑石膏与胶凝材料,2004(9)：58～ 59.

[4]李忠金,谌 天.环保高压免烧磷石膏砖及其制造方法：中国,1673154[P].2005-09-28.

[5]杨金平.磷石膏高强度墙体砖及其生产方法：中国,1935736[P].2007-03-28.

[6]杨月红,张慧娜.一种磷石膏免蒸免烧空心砖及其制备方法：中国,101397205[P].2009-04-01.

[7]谭克峰,陈德玉.高强磷石膏墙体材料及采用该材料制砖的方法：中国,101497516[P].2009-08-05.

[8]杨家宽,谢永中.磷石膏蒸压砖制备工艺及强度机理研究[J].建筑材料学报,2009,12(3)：352～355.

[9]朱 钒,付景源.一种磷石膏复合蒸压砖及其制备方法：中国,101608483[P].2009-12-23.

[10]蒲中云,陈维贵.一种蒸压磷石膏砖及其制造方法：中国,101684675[P].2010-03-31.

[11]夏举佩,张召述.一种用磷石膏基胶凝材料固化黄磷炉渣生产免烧砖的方法：中国,101637936[P].2010-02-03.

[12]杨步雷.磷石膏综合利用途径探讨[J].贵州化工,2010,35(1)：28～30.