磷石膏-秸秆轻质墙体材料的制备与性能表征

发布时间：2020-04-15 01:25

【摘要】：磷石膏是生产磷酸过程中产生的一种工业废渣(主要成分为CaSO_4?2H_2O),且排放量巨大。目前仅有15%的磷石膏得到了循环利用(用于水泥缓凝剂、建筑材料、土壤改良剂、填充矿坑等方面),剩余的85%被作为固废堆放处置,不仅造成资源的浪费,还引起环境污染问题,已成为环保行业的重大难题,而加速其资源化利用是解决这一问题的主要途径。为推动磷石膏的资源化利用,尤其是加快磷石膏在墙材方面利用,本文以50%的磷石膏和50%的矿渣、水泥、粉煤灰为主要原料,制备出性能良好的磷石膏基绿色胶凝材料。以此胶凝材料为基础,加入农作物秸秆粉制备磷石膏-秸秆轻质砂浆,再加入膨胀珍珠岩和聚苯颗粒以减轻砂浆试样的体积密度,制备磷石膏-秸秆轻质墙体材料。采用电子万能试验机、X射线荧光光谱仪(XRF)、扫描电子显微镜(SEM)、导热系数测定仪等测试手段,系统研究了磷石膏胶凝材料、磷石膏-秸秆砂浆和磷石膏轻质墙材的力学性能、微观结构和保温性能。在以原状磷石膏、矿渣和水泥为原料制备水硬性胶凝材料的研究中发现:磷石膏-矿渣-水泥复合(PBC)胶凝材料试样的抗压强度和软化系数随水泥掺量的增加呈先上升后下降的趋势,当水泥掺量为20%时,试样28 d抗压强度最高可达到26.39 MPa;当水泥掺量达到40%时,试样28 d抗压强度仅为11.70 MPa,因此,加入适量的水泥可显著提升试样的28 d抗压强度。在PBC胶凝材料的优化组成基础上,加入粉煤灰所制备的磷石膏-矿渣-水泥-粉煤灰复合(PBCF)胶凝材料试样,其早期(3 d)抗压强度随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小,其中加入15%粉煤灰试样的各龄期抗折、抗压强度最高,其28 d抗折强度为5.50 MPa,28 d抗压强度为28.68 MPa;试样的软化系数随着粉煤灰掺量增加呈先上升后下降的趋势,在粉煤灰掺量为15%时,试样软化系数最大(0.91)。对PBCF胶凝材料试样断面微观形貌进行分析后发现,硬化试样含有大量的针状AFt、C-S-H凝胶和反应剩余的CaSO_4?2H_2O,且相互胶结形成一个整体,构成了试样强度的骨架。在以50%磷石膏、35%矿渣与水泥(矿渣:水泥=3:2)和15%粉煤灰为优化配比的PBCF胶凝材料中加入秸秆作细集料,制备磷石膏-秸秆轻质砂浆试样,结果表明:试样的体积密度随着秸秆掺量的增加而减小。试样的7 d和28 d抗折、抗压强度均随着秸秆掺量的增加而减小,其中秸秆掺量为30%时,3 d抗压强度较低,7 d抗压强度为10.67 MPa,28 d抗压强度为18.03 MPa,相比于未掺入秸秆的PBCF胶凝材料,抗压强度降低了37.13%;另外,此时试样的干缩率和导热系数也随着秸秆掺量的增大而降低,且软化系数≥0.86,吸水率为11.61%,耐水性较好。在30%秸秆掺量的磷石膏-秸秆轻质砂浆中加入膨胀珍珠岩制备磷石膏-珍珠岩轻质墙材试样,研究发现:珍珠岩掺量的增加可以有效减小试样的体积密度、抗压强度与导热系数。当珍珠岩掺量为24%时,试样的体积密度为1.520 g/cm~3,28 d抗压强度为16.14 MPa,试样的导热系数为0.186 W?m~(-1)?K~(-1)。在此试样组成的基础上,加入聚苯颗粒,制备磷石膏-珍珠岩-聚苯复合轻质墙材试样,研究发现:聚苯颗粒的加入可以显著减小墙材试样的体积密度,但试样的7 d和28 d抗压强度随着聚苯颗粒掺量的增加而降低,在聚苯颗粒掺量为50%,试样的体积密度为0.848 g/cm~3时,7 d抗压强度为4.78 MPa,28 d抗压强度为6.78 MPa。此外,试样的吸水率与导热系数也随聚苯颗粒掺量的增加而降低,聚苯颗粒掺量为50%试样的导热系数为0.155W?m~(-1)?K~(-1),可用于制备轻质保温墙体材料。
【图文】：

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图 2.1 磷石膏渣的 SEM 照片Fig. 2.1 SEM photo of phosphogypsum slag10 20 30 40 50 aaaa2 / aa CaSO4 2H2O图 2.2 磷石膏渣的 XRD 图谱Fig. 2.2 XRD pattern of phosphogypsum slag

照片,净浆,粉煤灰,微观形貌

（a） PBC-7 d （b） PBC-28 d （c） PBCF-7 d （d） PBCF-28 d图 3.17 PBC 和 PBCF（15%粉煤灰）净浆硬化试样截面微观形貌的 SEM 照片Fig. 3.17 SEM photos of cross-section microstructure of PBC and PBCF (with 15% fly ash) hardenedspecimens3.3.5 磷石膏胶凝材料的硬化机理以磷石膏、矿渣、水泥和粉煤灰为主要原料所制备的胶凝材料，，遇水后主要发生如下反应：（3-1）水泥中硅酸三钙（C3S）的水化反应；（3-2）生成水化硅酸钙（C-S-H）的反应；（3-3）生成水化铝酸钙（C-A-H）的反应；（3-4）生成钙矾石（AFt）的反应：3CaO SiO2+nH2O→xCaO SiO2 yH2O+(3-x)Ca(OH)2（3-1）Ca2++Si(OH)4→C-S-H gel （3-2）Ca2++Al(OH)3→C-A-H gel （3-3）Al(OH)3+Ca2++CaSO4 2H2O→3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O (AFt) （3-4）从以上反应可知，本文实验中所获得的水化产物主要由 C-S-H、C-A-H、AFt 及未参加反应的 CaSO4 2H2O 所组成。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU52;TQ177

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