摘 要

磷石膏是湿法磷酸的工业副产品，我国的磷石膏资源化利用率低，大量堆存的磷石膏造成了严重的环境和社会问题，加快磷石膏的资源化利用已经刻不容缓。本文以磷石膏、矿渣和硅酸盐水泥为原料，制备出一种强度较高的磷石膏超硫水泥，以加快磷石膏在建筑材料中的资源化利用。通过研究该水泥中不同掺量的磷石膏、普通硅酸盐水泥以及矿粉对磷石膏水泥性能的影响，外加剂、水灰比对试样早期强度以及凝结时间的影响，探讨了磷石膏超硫水泥最优的组分配比，并按照该配比制备磷石膏水泥混凝土制品，通过XRD、SEM对磷石膏超硫水泥的水化硬化过程已经水化产物进行了分析。

研究结果表明:磷石膏水泥的最优配比为磷石膏25%、矿渣50%、普通硅酸盐水泥25%，试样的28d抗压强度达到较为理想的效果，可以有40MPa以上。当掺加1%的Na₂SiO₄·9H₂O时能够显著的提高水泥试样的早期强度以及缩短凝结时间。制备的磷石膏水泥混凝土抗压强度达到C30标准。XRD和SEM的研究表明，磷石膏超硫水泥的水化时，水化产物主要是钙矾石和C-S-H凝胶。

本文的特色在于:在制备胶凝材料之前，对磷石膏进行改性处理，制备磷石膏水泥，然后用磷石膏水泥混凝土，加速了磷石膏资源化利用的步伐。

关键词：磷石膏；磷石膏水泥；水泥混凝土；资源化利用

Abstract

Phosphogypsum is an industrial by-product of wet-process phosphoric acid. China's phosphogypsum resource utilization is low, and a large amount of phosphogypsum has caused serious environmental and social problems. It is urgent to speed up the utilization of phosphogypsum. In this paper, a kind of phosphogypsum super-sulfur cement with high strength was prepared by using phosphogypsum, slag and portland cement as raw materials to accelerate the resource utilization of phosphogypsum in building materials. The effects of different kinds of phosphogypsum, common portland cement and slag on the performance of phosphogypsum cement, the effect of admixture and water-cement ratio on the early strength and the setting time of the sample were studied. The effects of phosphogypsum The hydration process and hydration product of phosphogypsum super - sulfur cement were analyzed by XRD and SEM. The hydration process and hydration product of phosphogypsum super - sulfur cement were analyzed by XRD and SEM.

The results show that the optimum ratio of phosphogypsum cement is 25% of phosphogypsum, 50% of slag, 25% of ordinary portland cement, and 28 days of compressive strength of sample. It can be more than 40MPa. When the addition of 1% Na2SiO4 · 9H2O can significantly improve the early strength of cement samples and shorten the condensation time. The compressive strength of the prepared phosphogypsum cement concrete reached C30 standard. The results of XRD and SEM show that the hydration products are mainly ettringite and C-S-H gel when hydrated gypsum super-sulfur cement is hydrated.

The characteristics of this paper are: before the preparation of cementitious materials, the phosphogypsum modified, the preparation of phosphogypsum cement, and then with phosphogypsum cement concrete, to accelerate the pace of exploitation of phosphogypsum.

Key words: phosphogypsum; phosphate gypsum cement; cement concrete; resource utilization

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.3 研究目的和内容及技术方案 3

1.3.1 研究的目的和内容 3

1.3.2 技术方案 4

第2章 实验原材料与实验方法 5

2.1 原材料及其性质 5

2.1.1磷石膏 5

2.1.2矿粉 6

2.1.3 普通硅酸盐水泥 7

2.1.5 外加剂 7

2.1.6 骨料 7

2.2 实验方法和仪器 7

2.2.1 标准稠度和凝结时间 7

2.2.2 力学性能 8

2.2.3 X射线衍射(XRD) 8

2.2.4 扫描电镜(SEM) 8

第3章 磷石膏水泥的制备 9

3.1 磷石膏水泥的组分设计及原料的预处理 9

3.2养护方式对磷石膏水泥性能的影响 9

3.3磷石膏掺量对磷石膏水泥性能的影响 11

3.3.1 磷石膏掺量对磷石膏水泥物理性能的影响 11

3.3.2 磷石膏掺量对磷石膏水泥力学性能的影响 11

3.4水泥掺量对磷石膏水泥性能的影响 13

3.4.1水泥掺量对磷石膏水泥物理性能的影响 13

3.4.2水泥掺量对磷石膏水泥力学性能的影响 13

3.5激发剂对磷石膏水泥性能的影响 15

3.6水灰比对磷石膏水泥性能的影响 17

3.7 本章小结 19

第4章 磷石膏水泥混凝土的制备及水化硬化机理研究 20

4.1 C30流动性混凝土配合比设计参数的确定 20

4.1.1 混凝土配制强度和水灰比 20

4.1.2 胶凝材料用量 20

4.1.3砂率及集料用量 21

4.2 磷石膏水泥混凝土的力学性能 21

4.3 XRD微观测试与SEM微观测试 22

4.4 磷石膏水泥水化硬化机理的分析 24

4.5 本章小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

二十一世纪，在社会文明以及科学产物大量产生的时候，不断的消耗着地球的自然资源，而且与此同时，产生大量的废弃物给自然环境带来严重的破坏以及给人类的生产生活带来了严重的负面影响。资源的不合理利用以及工业等废弃物的产生是当代社会面临的严峻问题。所以，废弃物的合理利用会给社会的发展以及资源的优化利用起到良好的作用。而我国现在对废弃物的再利用率仍然比较低仅有45%，大部分还是采用填埋或者堆积的处理方法，对空气、水源以及土地等都带来了及其严峻的污染。

磷化工行业在现在有着飞速的进展，这得益于我们国家农林行业的快速向前以及其对磷肥的大量需求。因此，在生产磷肥时便会产生大量的副产品磷石膏，每生成1t的磷酸会产生4-5t的磷石膏，因此我国每年会排放数千万多吨磷石膏。据分析，磷石膏的堆积量的数字更为吓人，达到2.5亿吨。在废弃物磷石膏的处理上面，我国主要采用的方法是土地堆积以及填埋，磷石膏的再利用率达不到20%^[1]。大量堆存的磷石膏，在给环境带来一系列污染问题的同时，又由于其含有许多有害杂质，给人们的生产及生活方式带来了严重的危害。我国环保总局早在十几年前就把磷石膏列为具有危险性的废弃物，这个问题已经阻碍了国家发展的步伐。因此，对磷石膏的可持续利用已经成为值得大家共同关注的问题。

目前，磷石膏的主要资源化利用主要途径有：用作缓凝剂，磷石膏中含有二水石膏，同时也含有很多有害杂质导致水泥凝结慢和早强降低，因此，想要做为缓凝剂来代替一部分石膏，必须对其进行前期的预处理工作；制硫酸联产水泥，在获得性能优异的建筑材料的同时解决了磷石膏大量堆放问题，使得环境污染问题在一定程度上有所减少，但是存在能耗高，联产的水泥性能不稳定等多方面问题；制备建筑石膏，磷石膏煅烧后得到半水石膏，可作为建筑石膏用在建筑行业^[2]。尽管磷石膏在很多方面上可以实现其资源化利用，但由于技术上和经济上的问题，难以大量推广，磷石膏的资源化利用仍然需要进一步拓宽途径。近些年来，国内外的一些水泥行业更加重视绿色环保、资源化利用的研究。水泥行业的发展趋势会向绿色、低碳的方向发展，利用大量的废弃物或者副产品，使部分普通硅酸盐水泥可以由性能优异的磷石膏水泥来替代^[3]。