论文总字数：22362字

摘 要

磷石膏是化工企业湿法生产磷酸的副产品，每生产1吨磷酸将产生大约5吨磷石膏，其主要化学成分是二水石膏，同时还含有少量磷酸、磷酸钙、残余酸、氟化物、重金属离子等杂质。目前全球已经堆存了大量的磷石膏，而且每年依然有大量磷石膏增加，但目前对磷石膏的利用并不充分，这些堆存的磷石膏不仅会占用大量土地，而且还会对环境造成污染。

本文通过研究磷石膏人造集料的材料组成和制备方法，得到适用于公路工程的磷石膏人造集料，这对提升磷石膏的利用率具有十分重大的意义。

论文主要研究了各原料掺量对磷石膏基水泥强度和耐水性的影响以及人造集料的生产方式，总结了磷石膏、矿渣、粉煤灰、钢渣、水泥、生石灰的掺量对磷石膏基水泥强度和耐水性的影响以及适用于磷石膏人造集料的生产方式，对磷石膏人造集料的研究进行方案设计，为制备道路基层用人造集料做准备。

关键词：磷石膏基水泥；人造集料；造粒工艺；硬化工艺

Abstract

Phosphogypsum is a by-product of wet production of phosphoric acid in chemical enterprises. Each ton of phosphoric acid produced will produce about 5 tons of phosphogypsum. Its main chemical composition is gypsum dihydrate, and it also contains a small amount of phosphoric acid, calcium phosphate, residual acid, fluoride, heavy metal ions and other impurities. At present, lots of phosphogypsum have been stockpiled in the world, and there are still lots of phosphogypsum increase every year, but at present, the utilization of phosphogypsum is not sufficient. These stockpiled phosphogypsum will not only occupy a lot of land, but also cause pollution to the environment.

In this paper, through the study of the material composition and preparation method of phosphogypsum artificial aggregate, the phosphogypsum artificial aggregate suitable for highway engineering is obtained, which is of great significance to improve the utilization rate of phosphogypsum.

Thesis mainly studied the dosage of each raw material of phosphorus gypsum cement strength and water resistance and the influence of the artificial aggregate production mode, summarizes the phosphorus gypsum, slag, fly ash, steel slag, cement, lime content of phosphorus gypsum cement strength and the effect of water resistance and is suitable for the phosphogypsum artificial aggregate production mode, the study of phosphogypsum artificial aggregate of scheme design, preparation for the preparation of roadbase with artificial aggregate.

Key Words：Phosphogypsum based cement；Artificial aggregate；Granulation process；Hardening process

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究目的和内容 3

第2章磷石膏基水泥 4

2.1磷石膏基水泥的水化机理 4

2.2各原料掺量对磷石膏基水泥强度的影响 5

2.2.1磷石膏掺量对磷石膏基水泥强度的影响 5

2.2.2矿渣掺量对磷石膏基水泥强度的影响 6

2.2.3粉煤灰掺量对磷石膏基水泥强度的影响 6

2.2.4钢渣掺量对磷石膏基水泥强度的影响 7

2.2.5硅酸盐水泥掺量对磷石膏基水泥强度的影响 8

2.2.6生石灰掺量对磷石膏基水泥强度的影响 9

2.3各原料掺量对磷石膏基水泥耐水性的影响 9

2.3.1磷石膏掺量对磷石膏基水泥耐水性的影响 10

2.3.2矿渣掺量对磷石膏基水泥耐水性的影响 10

2.3.3粉煤灰掺量对磷石膏基水泥耐水性的影响 12

2.3.4钢渣掺量对磷石膏基水泥耐水性的影响 12

2.3.5硅酸盐水泥掺量对磷石膏基水泥耐水性的影响 13

2.3.6生石灰掺量对磷石膏基水泥耐水性的影响 14

第3章人造骨料的生产方式 15

3.1人造骨料的造粒工艺 15

3.2人造骨料的硬化工艺 15

第4章方案设计 16

4.1原料配比 16

4.2试样制备 16

4.3性能表征 16

第5章结论 17

参考文献 18

致谢 22

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

目前，全国磷石膏堆存量已达4亿吨，并且仍以每年5000万吨的速度递增，而在全球范围内磷石膏堆存量已经达到了60亿吨，而且还以每年1.5亿吨的速度增加^[1]，这些巨量磷石膏的堆存，一方面占用了大量土地，另一方面还会对地下水、土壤、植被和大气环境等造成污染，甚至构成安全隐患^[2]，因此如何低成本、高值化的利用这些巨量的磷石膏是目前急需解决的问题。

全球磷石膏的堆存量以及年产量巨大，但在全球范围内仅仅只有约15%的磷石膏可以得到利用^[3]，其利用领域主要包括以下几个方面：①磷石膏中可用作水泥缓凝剂，因其CaSO₄2H₂O的含量超过95%，故在生产水泥时可以替代天然石膏作为缓凝剂，但由于磷石膏中的可溶性磷等杂质会延长水泥的凝结时间以及降低强度^[4]，因此还需进行大量研究来完善此工艺；②磷石膏制硫酸联产水泥，但磷石膏制硫酸联产水泥的生产过程存在磷石膏分解率低、能耗高、水泥早期强度较低等问题^[5]，使得其推广应用的难度较大；③磷石膏在建材方面可用于生产石膏板^[6]、石膏砌块等石膏制品，其中纸面石膏板具有生产能耗低、轻质、防火、隔音等性能特点，而石膏砌块是国际公认的的可持续发展绿色建材产品，低碳环保^[7]；④磷石膏可用于建设工程基础材料方面，一方面磷石膏可用作道路基层材料^[8]，不仅可以减少磷石膏的堆存，从而缓解巨量磷石膏堆存给环境带来的压力，而且还能够降低工程建设成本^[9]；另一方面磷石膏能够用作充填骨料，重新填回磷矿山采空区，不仅可以避免采空区引起的山体崩落等问题，改善矿山的安全条件^[10]，还能够实现磷石膏的规模化再利用；⑤磷石膏还可用于农业方面，一方面磷石膏可用作盐碱地改良剂^[11]，土壤中的碳酸根离子、碳酸氢根离子会与磷石膏中的钙离子发生反应生成碳酸钙和碳酸氢钙沉淀，并且置换出土壤中吸附的钠离子，从而降低土壤碱性^[12]；另一方面磷石膏可用作硫、钙肥，改善作物品质，促进作物生长，提高作物产量^[13]；⑥磷石膏在化肥工业上的利用，主要是可以提取其中的伴生稀土元素和制备硫酸铵、硫酸钾，其中从磷石膏中提取稀土元素流程复杂，同时成本高，经济效益差^[1]。

虽然磷石膏的利用途径多，但受多方面因素的影响，以上的利用途径并未得到大幅度的推广及应用，在全球范围内磷石膏的利用率较低，只有15%左右，其主要原因包括：①目前，磷石膏的改性处理成本较高；②石膏基气硬性材料强度偏低，而且耐水性差，限制了其应用^[3]；③磷石膏含有的次要成分影响了磷石膏的颜色和外观，限制了磷石膏运用于对白度要求较高的石膏制品上。

除上述利用途径外，现如今还能以磷石膏为主要原料制备磷石膏人造集料，用于公路工程，但是其应用程度并不高，原因之一是其制备工艺不够成熟。磷石膏人造集料制备过程中原料配比、生产方式等，都会对人造集料的性能造成影响。若要得到适用于公路工程的磷石膏人造集料，人造集料的性能必须满足公路工程的使用标准，因此研究磷石膏人造集料的材料组成和制备方法，有助于得到适用于公路工程的磷石膏人造集料，对提升磷石膏的利用率具有非常重大的意义。

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