临沂某地区磷石膏的资源化利用性研究
2019-04-18宋炎峰崔玉理周中冠尹春栋
宋炎峰 崔玉理 周中冠 尹春栋
临沂大学土木工程与建筑学院,山东 临沂 276005
磷石膏是湿法制磷酸过程中所产生的固体废弃物,是以CaSO4·2H2O 为主要成分的一种工业固体副产物。磷石膏是呈灰白色或灰黑色的固体粉末,其密度为2.0~2.5 g/cm3的粉尘,是一种由多种成分组成的复杂晶体。
磷石膏通常以二水石膏(CaSO4·2H2O)或半水石膏(CaSO3·1/2H2O)形态存在,其成分是硫酸钙,此外还含有多种其他杂质[1-2]。反应式为:Ca(PO4)3F(磷矿)+H2PO4=CaSO4(磷石膏)+HF。
磷石膏长期以来没有得到很好的利用,造成了土地污染、水源污染等重要问题,是当今进行生态文明建设所面临的重要问题。而目前对于磷石膏的综合利用率也仅在10%左右。
1 磷石膏的特点
1.1 磷石膏在水泥中的应用
①天然石膏相比,磷石膏的凝结时间比天然石膏要长,强度比较低[3]。
②磷石膏可做水泥缓凝剂,磷石膏的使用量为水泥的5%时,可以使水泥凝结时间延长[4-5]。
1.2 磷石膏的危害
磷石膏的堆放对环境的危害可以从直接和间接两方面考虑。磷石膏的直接污染是指堆放起来的磷石膏直接流入土地、河流等;间接污染是指磷石膏经风吹日晒,造成其粉末飘于空气中,对空气状况造成污染,以及经过雨水冲刷,使得磷石膏内的有害物质溶解在雨水中,同雨水流入地面或者河流之中[6]。
2 三磷石膏的性能测试及实验
2.1 磷石膏对水泥的物理性能影响
为了进一步研究磷石膏性能对水泥性能的影响,现将石膏、磷石膏与改性磷石膏进行对比[3]。结果发现,在相同的养护条件下,以磷石膏和水泥同时按一定量做双掺骨料,水泥的凝结时间有所增长,这是因为磷石膏的水化、硬化速度主要取决于磷石膏中存在着磷、氟和有机酸等大量有害杂质造成的,使水泥的水化速度降低,从而降低了水泥的早期强度,达到了缓凝的效果。
2.2 水泥-磷石膏双掺对胶砂强度的影响
实验设计思想:通过对不同磷石膏(本次研究采用两种磷石膏)掺加量水泥基材料进行物理性能检测,每种不同石膏分别制作4 组,按照标准制备胶砂试件成型并养护至测试所需龄期,测试其强度。将养护完成后的水泥进行性能检测(抗压强度、抗折强度、含水率、吸水率等),确定制备出的水泥是否合格,最终确定磷石膏作为掺水泥基材料的最佳掺量,实验所需每组材料配比如下。
磷石膏:磷石膏等量取代水泥,本实验取某化工厂产出未处理的磷石膏A 与处理过的磷石膏B。水:225 g,标准砂:1350 g,水泥:450 g,作为对照组。之后依次以450 g 灰的总量不变分别以总量的10%、20%、40%A、B 磷石膏替代水泥,共7 组不同配比实验。
3 实验结果分析
3.1 磷石膏掺量对标准稠度用水量及凝结时间的影响
测得当采用141 g 水时,试杆沉入净浆,距离底板5 mm(符合规定),此时的水泥净浆为标准稠度净浆,此时的拌合水量为该水泥的标准稠度用水量(水灰比为0.282)。
通过对标准稠度用水量的凝结时间和不同掺量下磷石膏A、B 凝结时间的测定数据的观察发现, 在同样的条件下,加入不管是磷石膏A 还是磷石膏B 后,水泥的初凝和终凝凝结时间都增长了,且随掺量的增加,凝结时间也在上升,可推测磷石膏具有缓凝的作用。外加磷石膏B 后,与磷石膏A 相比,凝结时间降低,说明处理过的磷石膏B 缓凝效果没有磷石膏A 好。未处理的磷石膏A 试块和处理的磷石膏B 试块强度也略有不同,掺了处理后的磷石膏B 后,与磷石膏A 相比,水泥试块的强度没有降低,反而有所提高,说明处理后磷石膏B 和磷石膏A 相比,对强度的影响小一些,效果更好[1]。
3.2 磷石膏掺量对其强度影响及扫描电镜分析
为了研究磷石膏掺量对抗折、抗压强度的影响,对强度进行分析,结果如下。
(1)7d 抗折、抗压强度分析(图1、图2)
图1 7 d 抗压强度
图2 7 d 抗折强度
(2)28 d 抗折、抗压强度分析
图3 28 d 抗压强度
图4 28 d 抗折强度
由图1 可得,7 d 时所测的抗压强度随磷石膏掺量的增加而降低;由图1、图2 可得,磷水泥-磷石膏双掺胶砂试块适宜在空气中养护。
由图3 可得,28 天时所测的抗压强度随磷石膏掺量的增加而降低,在20%时略微提升。从图4 得,除掺量0%的强度外,抗折强度最大值出现在空气中养护的掺量20%的磷石膏B,抗折强度最小值出现在水中养护的掺量40%的磷石膏A 试块中。
3 d 磷石膏掺水泥基料强度扫描放大4000 倍,0%磷石膏扫描电镜下水泥水化早期骨料呈现向外辐射的细长物质,呈棒状或针柱状晶体,水泥颗粒呈不规则排列,水泥颗粒水泥骨料间呈均匀分布并散布在试块上,并形成多点面状与骨料结合,骨料大多裸露在试块面。与前者相比20%A 表面呈现许多针孔状的颗粒物,它是由许多小的粒子互相接触而形成的互相联结的网状结构,呈现为小而不规则的扁平粒子,水泥水化物颗粒子尺寸很小。20%B 材料骨料间相互接触联接,并随磷石膏加入量所占质量比的增加,骨料与水泥间的结合点及结合面增多,骨粒裸露面积逐渐增大,骨粒间相互接触及存在的自然孔隙逐渐减少。
7 d磷石膏掺水泥基料强度扫描放大4000倍SEM图,与3 d 时0%扫描电镜图下相比,骨料少量程细长状分布,水泥骨料间呈均匀分布并散布在试块上,并形成多点面状与骨料结合,骨料大多裸露在试块面。7 天时20%B 扫描电镜下水泥颗粒呈絮状排列,且形状不规则,水泥颗粒水泥骨料间不均匀分布并散布在试块上,并形成多点面状与骨料结合,骨料大多裸露在试块面。从电镜分析图片可以看出,水泥石各个时期的水化产物的形貌是各有不同的,换句话说,水化物在不同的水化阶段、水化环境,都会产生不同的材料形态。
4 小结
①由所测的抗折、抗压强度结果可知,当加入20%的磷石膏代替水泥时,试块的抗折抗压强度下降影响最小。因此,可以将掺量20%作为磷石膏的最佳掺量。
②由国家标准分析知,在空气中养护时,磷石膏B掺量小于20%时,磷石膏B 和水泥双掺可以代替矿渣硅酸盐水泥使用。
③在同样的条件下,加入不管是磷石膏A 还是磷石膏B 后,水泥的初凝和终凝凝结时间都增长了,且随掺量的增加,凝结时间也在上升,可推测磷石膏具有缓凝的作用。
④影响材料最终形态的因素有许多,但是最主要的因素还是与水泥各个水化阶段有关,换句话说,水化物在不同的水化阶段和水化环境中,都会产生不同的材料形态。