過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的制備和應(yīng)用

過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的制備和應(yīng)用

唐有運(yùn)1，高曄1，黃赟2，林宗壽2

(1.湖北黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司，大悟 432800；

2.武漢理工大學(xué)建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

摘要：在過(guò)硫磷石膏礦渣水泥和混凝土開發(fā)和研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了年產(chǎn)10萬(wàn)噸過(guò)硫磷石膏水泥混凝土生產(chǎn)示范線，通過(guò)生產(chǎn)線的建設(shè)和試生產(chǎn)，掌握了生產(chǎn)線主要的工藝控制參數(shù)，成功生產(chǎn)出C30等級(jí)的路緣石、植草磚、步道磚等多種過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土制品。示范線的運(yùn)行結(jié)果表明，該生產(chǎn)線設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，可大量利用磷石膏，產(chǎn)品具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：磷石膏；過(guò)硫磷石膏礦渣水泥；混凝土制品

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.003

Abstract:Based on the researches and developments of excessive-sulfate phosphogypsum-slag-cement and concrete, a demonstrated production line with annual output of 100,000 tons had been designed and built. Through the plant building and trial producing process, manufacturing control parameter of the production line had been studied and determined, three products, namely curbside stone, grass planting brick and pedestrian pave brick, had been manufactured successfully in the production line. The trial producing process shows that the equipment of the production line is efficient and reliable, and a large amount of phophogypsum can be utilized, its productions are highly competitive in the local market.

收稿日期：2015-04-20.

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2012AA06A112).

作者簡(jiǎn)介：唐有運(yùn)(1963-).高級(jí)工程師.E-mail:hwltangyy@163.com

Development and Application of Excessive-sulfate Phosphogypsum-

slag-cement Concrete

TANGYou-yun1,GAOYe1,HUANGYun2,LINZONG-SHOU2

(1.Hubei Provincial Huangiling Phosphate Chemical Co,Ltd,Dawoo 432800,China;2.The State Key

Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Key words:phosphogypsum;excessive-sulfate phosphogypsum-slag cement;concrete product

磷石膏是磷化工企業(yè)濕法生產(chǎn)磷酸的工業(yè)副產(chǎn)品，主要成分是CaSO4·2H2O，是化學(xué)工業(yè)中排放量最大的固體廢棄物之一，目前我國(guó)的磷石膏資源化利用率約20%[1]，大量堆積的磷石膏造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[2]，加快磷石膏的資源綜合利用已迫在眉睫。林宗壽等將磷石膏與礦渣復(fù)合，添加少量硅酸鹽水泥熟料作為堿性激發(fā)劑，開發(fā)出一種28 d強(qiáng)度可達(dá)42.5強(qiáng)度等級(jí)的新型水硬性膠凝材料——“過(guò)硫磷石膏礦渣水泥”[3,4]。陳飛翔等以“過(guò)硫磷石膏礦渣水泥”為膠凝材料配置成了相當(dāng)于C40等級(jí)的過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土(EPSCC)[5,6]，為磷石膏的資源化利用開拓出一個(gè)新途徑。

利用磷石膏制備水泥和混凝土的研究得到了國(guó)家有關(guān)部門的重視，2012年在國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)立項(xiàng)并獲得資助，課題名稱為“多元固廢復(fù)合制備高性能水泥及混凝土技術(shù)與示范”，課題編號(hào)為2012AA06A112。課題的主要任務(wù)是開展以磷石膏、冶金渣等難以處理的大宗工業(yè)固廢為主要原料，研究制備高性能建筑材料的研究和生產(chǎn)示范。湖北省黃麥嶺磷化工有限責(zé)任公司作為課題的示范依托單位，承擔(dān)了年產(chǎn)10萬(wàn)t過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土生產(chǎn)示范線的建設(shè)工作。該文以該生產(chǎn)示范線為例，探討了過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的制備和應(yīng)用技術(shù)。

1生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土及制品的生產(chǎn)工藝分為：磷石膏預(yù)處理、原料粉磨、混凝土攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)等幾個(gè)工序。完整的過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土制品生產(chǎn)線包括了礦渣烘干和粉磨系統(tǒng)、熟料和鋼渣粉磨系統(tǒng)、改性磷石膏的制備系統(tǒng)、混凝土配料與拌合系統(tǒng)、成型與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。其中礦渣的烘干與粉磨系統(tǒng)投資大、能耗高，近年來(lái)，隨著我國(guó)資源綜合利用水平的不斷提高，礦渣粉磨已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備大型化、生產(chǎn)專業(yè)化和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，礦渣粉可由市場(chǎng)上直接購(gòu)買。對(duì)于以綜合利用磷石膏為主要目的的小型水泥制品企業(yè)，可采用外購(gòu)礦粉和少量普通硅酸鹽水泥的方式，生產(chǎn)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土制品。其生產(chǎn)工藝流程見圖1。生產(chǎn)線的工藝流程主要有四個(gè)部分，分別是：原材料進(jìn)廠及儲(chǔ)存；改性磷石膏漿體制備；過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土配制拌合和制品生產(chǎn)。

1)原材料進(jìn)廠及儲(chǔ)存磷石膏、鋼渣泥經(jīng)汽車運(yùn)輸進(jìn)廠后，分別堆入原材料聯(lián)合堆場(chǎng)的堆存區(qū)。礦粉經(jīng)水泥散裝車運(yùn)輸進(jìn)廠后，通過(guò)氣泵輸送入Φ 3.5×10 m(直段部分)鋼倉(cāng)。PO 42.5普通硅酸鹽水泥經(jīng)水泥散裝車運(yùn)輸進(jìn)廠后，通過(guò)氣泵輸送入Φ 2.6×10 m(直段部分)鋼倉(cāng)。

2)改性磷石膏漿體制備改性磷石膏漿的生產(chǎn)工藝流程，如圖2所示。

來(lái)自原料聯(lián)合堆場(chǎng)的磷石膏，用鏟車裝入料斗，同時(shí)鋼渣粉(或普通硅酸鹽水泥)和礦渣粉經(jīng)計(jì)量后經(jīng)螺旋輸送機(jī)，再經(jīng)皮帶機(jī)送入Φ 1.2×2.4 m濕式球磨機(jī)，加水一起粉磨。經(jīng)濕磨粉磨后的物料進(jìn)入陳化攪拌池?cái)嚢?，?jīng)泥漿泵抽送入改性磷石膏漿計(jì)量倉(cāng)。

3)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的攪拌來(lái)自原料聯(lián)合堆場(chǎng)的砂子、石子經(jīng)鏟車分別送至帶計(jì)量裝置的砂子、石子料斗，砂子、石子、外加劑、水分別計(jì)量后送入攪拌機(jī)中；來(lái)自礦渣粉鋼倉(cāng)和P.O 42.5普通硅酸鹽水泥鋼倉(cāng)的物料經(jīng)管式螺旋輸送機(jī)送入攪拌機(jī)中；改性磷石膏漿體計(jì)量倉(cāng)通過(guò)氣動(dòng)閥卸入攪拌機(jī)中。經(jīng)攪拌機(jī)充分拌合后，制成過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土，工藝流程如圖3所示。

4)制品生產(chǎn)拌合好的過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土經(jīng)磚機(jī)自帶的提升機(jī)送入磚機(jī)混凝土倉(cāng)中；經(jīng)計(jì)量后在專用模具中震動(dòng)壓制成所需要的制品；壓制成型好的成品經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)成為合格的產(chǎn)品，工藝流程如圖4所示。

2生產(chǎn)工藝參數(shù)

1)磷石膏的預(yù)處理及制漿磷石膏的預(yù)處理通過(guò)加入堿性材料，以中和磷石膏中少量的殘留可溶性酸，減少磷石膏中有害雜質(zhì)對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間和早期強(qiáng)度的影響。堿性材料可以是石灰、電石渣、鋼渣泥等含CaO或者Ca(OH)2的材料。生產(chǎn)上為了簡(jiǎn)化原材料，可采用普通硅酸鹽水泥。

表1　改性磷石膏漿的配料

*上述實(shí)物質(zhì)量中考慮磷石膏含15%的自由水分。

磷石膏、普通硅酸鹽水泥、礦粉，按表1所示的配比配料預(yù)拌。預(yù)拌好的磷石膏放置時(shí)間不宜超過(guò)7 d，以免預(yù)拌的磷石膏板結(jié)成大塊，造成喂料和粉磨困難。

2)改性磷石膏漿的陳化和濃度調(diào)節(jié)粉磨后的改性磷石膏漿進(jìn)入儲(chǔ)漿池后需要陳化8 h以上，使磷石膏中的有害雜質(zhì)能夠充分中和。磷石膏在儲(chǔ)漿池中陳化時(shí)，不能夠停止攪拌機(jī)攪拌，以免磷石膏漿沉積板結(jié)。

為了保證磷石膏漿足夠的流動(dòng)度和配置混凝土的計(jì)量，磷石膏漿在儲(chǔ)漿池中需要加適當(dāng)水調(diào)整至60%的含固量濃度。調(diào)整方法為：用事先標(biāo)定好的濃度壺裝滿料漿后稱重，并按照表2對(duì)照后調(diào)整。

如果出現(xiàn)改性磷石膏漿含固量過(guò)低的情況，可以停攪拌機(jī)，待磷石膏略沉降之后，將表層的水抽出部分再進(jìn)行調(diào)整。

3) C30高流動(dòng)性混凝土配合比C30高流動(dòng)性混凝土，主要用于生產(chǎn)強(qiáng)度要求較高、需要通過(guò)澆筑振動(dòng)成型的混凝土制品，如路沿石、高強(qiáng)度蓋板等，其混凝土的設(shè)計(jì)配合比如表3所示。

表2　料漿含固量和濃度壺質(zhì)量對(duì)照表

表3　C30混凝土的配合比　/(kg·m -3)

由于改性磷石膏漿含磷石膏為60%，含水40%，并考慮現(xiàn)場(chǎng)砂石的含水率(假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)砂的含水率為3%，碎石含水率為1%)，混凝土中現(xiàn)場(chǎng)配合比如表4所示。

表4　C30混凝土的現(xiàn)場(chǎng)配合比　/(kg·m -3)

實(shí)際拌合時(shí)，砂石中的水是變化的，因此需要根據(jù)混凝土拌合物的流動(dòng)度調(diào)整外加水的用量，當(dāng)流動(dòng)度符合要求時(shí)，不需要再添加外加水。減水劑采用固含量為40%的聚羧酸減水劑，摻量是按照干基過(guò)硫磷石膏礦渣水泥的0.3%摻入，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以根據(jù)混凝土工作性情況調(diào)整。

4)制備建筑標(biāo)磚的C30干硬性混凝土配合比

C30干硬性混凝土主要用于生產(chǎn)需要通過(guò)機(jī)械壓制振動(dòng)成型的水泥制品，如植草磚、步道磚等，其混凝土設(shè)計(jì)配合比如表5所示。

由于改性磷石膏漿中含磷石膏60%，含水為40%，考慮實(shí)際生產(chǎn)時(shí)砂石的含水率(假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)砂的含水率為3%，碎石含水率為1%)，每方混凝土中所需要的混凝土的現(xiàn)場(chǎng)配合比，如表6所示。

表5　C30混凝土的配合比　/(kg·m -3)

表6　C30混凝土的現(xiàn)場(chǎng)配合比　/(kg·m -3)

實(shí)際拌合時(shí)，砂石中的水是變化的，因此需要根據(jù)混凝土拌合物的工作性能調(diào)整外加水的用量，當(dāng)工作性能滿足壓制要求時(shí)，不需要再添加外加水。

3產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益分析

以制備C30混凝土制品為例，按照湖北省大悟縣原材料價(jià)格進(jìn)行原料成本核算，常規(guī)的普通硅酸鹽水泥制備C30混凝土的原材料成本，如表7所示，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥制備C30混凝土的原料價(jià)格，如表8所示。

表7　普通硅酸鹽水泥制備C30混凝土原料成本

*外加劑為20%固含量。

表8　過(guò)硫磷石膏礦渣水泥制備C30混凝土原料成本

**改性磷石膏漿中水分含量為40%。*外加劑為40%固含量，配比為外摻。

由表7和表8的原料成本對(duì)比可以看出，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥制備的混凝土，每1 m3原料成本相比普通硅酸鹽水泥混凝土降低了56.02元。

4結(jié)論

a.設(shè)計(jì)并建成了包括磷石膏預(yù)處理系統(tǒng)、混凝土配料和攪拌系統(tǒng)、制品成型和養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的年產(chǎn)10萬(wàn)t過(guò)硫磷石膏礦渣混凝土生產(chǎn)線。

b.通過(guò)試生產(chǎn)，掌握了生產(chǎn)線的主要工藝控制參數(shù)，在生產(chǎn)線上成功生產(chǎn)出路沿石、植草磚、步道磚等建筑制品。

c.經(jīng)濟(jì)效益分析表明，與普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)的制品比較，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥生產(chǎn)的C30制品每方混凝土的原料成本降低50元以上，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

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