吳敬龍
(福建正霸新材料股份有限公司)
磷石膏是指在磷酸生產(chǎn)中用硫酸處理磷礦時(shí)產(chǎn)生的固體副產(chǎn)物,每生產(chǎn)1 噸磷酸約產(chǎn)生4.0~5.0 噸磷石膏,磷石膏主要成分為二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O),還含有不溶性雜質(zhì)(如石英、未分解的磷灰石、不溶性P2O5、共晶P2O5及鋁、鎂的磷酸鹽和硫酸鹽)、可溶性雜質(zhì)(如水溶性P2O5,溶解度較低的氟化物和硫酸鹽),此外,磷石膏中還含砷、銅、鋅、鐵、錳、鉛、鎘、汞及放射性元素,均極其微量,且大多數(shù)為不溶性固體,其危害性可忽略不計(jì)。
我國(guó)磷石膏年產(chǎn)量約7500 萬(wàn)噸左右,累計(jì)堆存量6 億噸,綜合利用率40%左右。磷石膏產(chǎn)生量大,綜合利用成本較高,大量磷石膏長(zhǎng)期堆存,不僅占用土地,而且存在較大環(huán)境安全隱患。2018 年,貴州省對(duì)磷石膏提出“以渣定產(chǎn)”,磷石膏重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)四川、湖北、云南、安徽等省份也陸續(xù)提出削減磷石膏庫(kù)存,提高磷石膏綜合利用水平的具體指標(biāo)和獎(jiǎng)懲措施。當(dāng)前全國(guó)基本形成了建材領(lǐng)域、化工領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、井下充填四種利用途徑。從產(chǎn)業(yè)化利用來(lái)看,當(dāng)前磷石膏綜合利用產(chǎn)品仍以石膏建材為主。石膏建材具有輕質(zhì)、防火、保溫、隔熱、隔聲、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
磷石膏在石膏建材上利用,是將磷石膏在107~170℃的干燥條件下煅燒成建筑石膏(CaSO4·1/2H2O),建筑石膏遇水硬化后具有一定強(qiáng)度,從而制成不同種類(lèi)的建筑材料。為了解建筑石膏與石膏建材制品的性能關(guān)系,本文研究了不同水膏比條件下建筑石膏的性能,初步研究不同水膏比對(duì)建筑石膏性能的影響規(guī)律,為磷石膏制品在濕度條件下的應(yīng)用及拓展磷石膏制品的應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。
GB/T 17671-1999 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)。
GB/T 9776-2008 建筑石膏。
GB/T 17669.1-1999 建筑石膏 一般試驗(yàn)條件。
GB/T 17669.3-1999 建筑石膏 力學(xué)性能的測(cè)定。
GB/T 17669.4-1999 建筑石膏 凈漿物理性能的測(cè)定。
GB/T 17669.5-1999 建筑石膏粉料物理 性能的測(cè)定。
建筑石膏系由甕福集團(tuán)排放的磷石膏經(jīng)貴州正霸新材料科技有限公司煅燒而成,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 建筑石膏試驗(yàn)結(jié)果
攪拌器具、凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀、電子秤(精度為1g)、三聯(lián)試模(符合JC/T 726 的要求)、攪拌容器(符合GB/T 17669. 1 的要求)、電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)(符合JC/T 724 的要求)、抗壓夾具(符合JC/T 725 的要求)、壓力試驗(yàn)機(jī)、恒溫箱、燒杯和量筒等。
分別按不同的水膏比(即水和建筑石膏粉質(zhì)量比)(0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90)制備料漿。按GB/T 17669.4-1999《建筑石膏 凈漿物理性能的測(cè)定》中的測(cè)試方法測(cè)試凝結(jié)時(shí)間。按GB/T 17669.3-1999《建筑石膏 力學(xué)性能的測(cè)定》中的測(cè)試方法測(cè)試絕干抗折強(qiáng)度和絕干抗壓強(qiáng)度。利用測(cè)試強(qiáng)度試件稱取脫模質(zhì)量和絕干質(zhì)量,計(jì)算相關(guān)密度。
表2 是不同水膏比情況下建筑石膏料漿的性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)表2 繪出相關(guān)關(guān)系曲線,見(jiàn)圖1~圖7。
由圖1~圖7,我們可以初步得出以下規(guī)律:
⑴圖1 變化曲線得知,隨水膏比的增加,石膏的初凝時(shí)間延長(zhǎng),其最短時(shí)間為3.5min,最長(zhǎng)時(shí)間為8.5min,主要因?yàn)橛盟康脑黾?,漿體中的自由水分增多,延遲了漿體變稠失去塑性的過(guò)程。
⑵圖2 變化曲線得知,隨水膏比的增加,石膏的終凝時(shí)間延長(zhǎng),其最短時(shí)間為6.0min,最長(zhǎng)時(shí)間為14.0min,原因同1。
⑶圖3 變化曲線得知,隨水膏比的增加,石膏材料出模時(shí)的濕密度下降,其最大值為1637kg/m3,最小值為1488kg/m3,原因在于水膏比的增加,漿體內(nèi)部的空隙率增加,導(dǎo)致出模時(shí)的濕密度下降。
⑷圖4 變化曲線得知,隨水膏比的增加,石膏材料的絕干密度下降,其最大值為1192kg/m3,最小值為911kg/m3,原因在于水膏比的增加,導(dǎo)致石膏材料在凝固后氣孔增多,絕干密度下降。
表2 不同水膏比下的石膏料漿性能
圖1 不同水膏比下的初凝時(shí)間變化規(guī)律
圖2 不同水膏比下的終凝時(shí)間變化規(guī)律
圖3 不同水膏比下的出模密度變化規(guī)律
圖4 不同水膏比下的絕干密度變化規(guī)律
圖5 不同水膏比下的2h 濕抗折強(qiáng)度變化規(guī)律
圖6 不同水膏比下的2h 濕抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律
圖7 不同水膏比下的絕干抗折強(qiáng)度變化規(guī)律
圖8 不同水膏比下的絕干抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律
⑸圖5 變化曲線得知,隨水膏比的增加,石膏材料的2h 抗折強(qiáng)度下降。其最大值為3.2MPa,最小值為1.8MPa,原因在于水膏比的增加,漿體中的自由水分增多,引起的2h 抗折強(qiáng)度下降。
⑹圖5 變化曲線得知,隨水膏比的增加,石膏材料的2h 抗壓強(qiáng)度下降。其最大值為9.1MPa,最小值為5.2MPa,原因同5。
⑺圖7 變化曲線得知,隨水膏比的增加,石膏材料的絕干抗折強(qiáng)度有大幅度下降,其最大值為5.42MPa,最小值為3.5MPa,原因在于水膏比的增加,石膏材料在凝固后形成的氣孔增加,使得材料內(nèi)部的凝聚力降低,引起的絕干抗折強(qiáng)度下降。
⑻圖8 變化曲線得知,隨水膏比的增加,石膏材料的絕干抗壓強(qiáng)度有大幅度下降,其最大值為14.8MPa,最小值為10.6MPa,原因同7。
本研究選擇的水膏比范圍從0.60~0.90,實(shí)驗(yàn)中選取的水膏比包括了絕大部分實(shí)際使用中出現(xiàn)的水膏比例。研究發(fā)現(xiàn),水膏比是影響石膏材料性能的重要因素,隨著水膏比的增加,石膏凝結(jié)有著明顯的延長(zhǎng),石膏材料的孔隙率增加,密度降低,抗折和抗壓強(qiáng)度降低。故水膏比的選擇,對(duì)石膏建材制品的生產(chǎn)和產(chǎn)品性能有著至關(guān)重要的作用,加上不同來(lái)源石膏粉的差異化較大,企業(yè)應(yīng)通過(guò)大量試驗(yàn)選擇合適的水膏比并不斷優(yōu)化,以確保石膏建材產(chǎn)品的最終質(zhì)量。