發(fā)布時間：2020-10-29 13:08

　　 磷石膏是濕法生產(chǎn)磷酸排放的工業(yè)廢渣,目前我國的磷石膏年排放量已超過5000萬噸。磷石膏的資源化利用主要是生產(chǎn)石膏膠凝材料和作為水泥緩凝劑,然而,磷石膏含有的磷、氟等有害雜質對應用性能有一定不利影響,因此需要對磷石膏進行預處理。預處理不僅增加了應用成本和利用難度,而且處理后性能仍不及天然石膏,最終導致磷石膏的利用率非常低。貝利特硫鋁酸鹽水泥是一種低碳、節(jié)能的綠色水泥,磷石膏作為一種工業(yè)副產(chǎn)石膏,可代替天然石膏用于貝利特硫鋁酸鹽水泥的生產(chǎn)。磷石膏中雜質可以作為礦化劑促進熟料礦物的形成,而且在高溫煅燒過程中可溶性雜質能夠得到轉化和穩(wěn)定,因此磷石膏用于生產(chǎn)貝利特硫鋁酸鹽水泥有一定優(yōu)勢。但是,磷石膏在貝利特硫鋁酸鹽水泥生料中用量很低,為了提高磷石膏的利用率,同時消除雜質的不利影響,生料中配入過量磷石膏制備高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥,過量的磷石膏除了轉化為高溫硬石膏,還可能以硫硅酸鈣的形式存在水泥中。與傳統(tǒng)硫鋁酸鹽水泥相比,高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥中高溫硬石膏和硫硅酸鈣礦物的引入,導致水泥的礦物組成發(fā)生顯著變化。研究水泥中高溫硬石膏和硫硅酸鈣的作用,對磷石膏在高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥中的利用具有重要意義。本文首先研究了磷石膏制備高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥的最佳煅燒條件以及磷石膏與天然石膏對高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥燒成和性能的影響,并對水泥煅燒過程中磷石膏的高溫分解進行了研究。結果表明,水泥制備的最佳煅燒溫度為1270℃、保溫時間為30min、冷卻方式采用風吹快冷;磷石膏的高溫分解主要與煅燒溫度和配料組成有關,磷石膏與天然石膏相比并沒有表現(xiàn)出較高的分解率;從石膏分解率、礦物形成和水泥性能方面綜合來看,采用磷石膏制備高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥是可行的,而且與天然石膏比較,磷石膏中雜質并沒有對水泥的制備過程產(chǎn)生不利影響。采用煅燒磷石膏的方式模擬制備高溫硬石膏,研究了模擬高溫硬石膏對硫鋁酸鈣單礦物水化的影響,結果顯示模擬高溫硬石膏相比天然石膏溶解較慢,導致鈣礬石更易發(fā)生轉化。在此基礎上,通過熟料體系C2S-34SAC-C4AF-SC的礦物組成設計,制備出硬石膏含量不同的高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥,研究了高溫硬石膏對水泥物理力學性能的影響。結果顯示,當水泥中高溫硬石膏含量高于10%時,水泥的凝結時間顯著延長,與天然石膏相比,水泥中高溫硬石膏顯著縮短了凝結時間;水泥中高溫硬石膏能夠顯著提高水泥的強度,其適宜含量為10%~20%,高溫硬石膏對水泥強度的提高作用高于天然石膏;高溫硬石膏對水泥的膨脹性能影響不大。通過對水泥水化速率、水化程度和水化產(chǎn)物的分析,發(fā)現(xiàn)在適宜的含量范圍內,高溫硬石膏能夠促進硫鋁酸鈣的水化和鈣礬石的形成,隨著水化的進行,高溫硬石膏對水泥水化的促進作用逐漸增強,可以達到與天然石膏相似的作用效果。通過對比發(fā)現(xiàn),模擬高溫硬石膏對硫鋁酸鈣單礦物水化的影響規(guī)律與水泥中高溫硬石膏的作用不同,二者在溶解性質和水化活性方面有所差異。采用硅灰等材料在1200℃下保溫8h制備硫硅酸鈣單礦物,通過分析硫硅酸鈣單礦物的水化過程,發(fā)現(xiàn)硫硅酸鈣后期發(fā)生緩慢水化,硫鋁酸鈣的加入能夠促進硫硅酸鈣的水化,而硫硅酸鈣水化釋放的石膏又會進一步促進硫鋁酸鈣水化形成鈣礬石。通過在高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥中摻入硫硅酸鈣單礦物,研究硫硅酸鈣單礦物對水泥水化硬化的影響,結果顯示硫硅酸鈣的摻入降低了水泥的早期強度,適宜的硫硅酸鈣摻量能夠促進水泥后期強度的增長;硫硅酸鈣后期水化釋放的石膏能夠促進鈣礬石的形成和穩(wěn)定。采用二次煅燒的方式制備含有硫硅酸鈣的水泥,并對硫硅酸鈣在水泥中的作用展開進一步研究,結果顯示水泥中硫硅酸鈣的形成與二次煅燒溫度和保溫時間密切相關,水泥中硫硅酸鈣的作用與硫硅酸鈣單礦物對水泥的影響規(guī)律一致;水泥中硫硅酸鈣的形成降低了水泥早期的水化速率,但是能夠促進水泥的后期水化。系統(tǒng)研究了高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥中礦物組成的優(yōu)化和改性,發(fā)現(xiàn)水泥中硫鋁酸鈣有利于早期強度的發(fā)展,其適宜含量為30%~40%;水泥中鐵相對早期強度不利,其適宜含量為10%~20%;水泥中高溫硬石膏可以取代天然石膏,當其含量為10%~20%時,基本不需要后摻天然石膏即可滿足水泥的使用性能;生料中適量硼砂的摻入能使貝利特的晶型由β-C2S向α’-C2S轉化,B2O3摻雜對水泥強度起促進作用的最佳摻量為2%;水泥中硫硅酸鈣作用的發(fā)揮與硬石膏和硫鋁酸鈣的匹配緊密相關,該礦物的優(yōu)化需要綜合多種因素進行分析。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TQ172.7
【文章目錄】：
中文摘要
英文摘要
1 緒論
    1.1 磷石膏的產(chǎn)生與危害
    1.2 磷石膏在建材中利用現(xiàn)狀及存在問題
        1.2.1 水泥緩凝劑
        1.2.2 石膏膠凝材料
        1.2.3 制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥
        1.2.4 硫鋁酸鹽水泥
        1.2.5 磷石膏利用存在的問題
    1.3 貝利特硫鋁酸鹽水泥的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 工業(yè)廢渣的應用研究
        1.3.2 貝利特礦物的活化
    1.4 磷石膏在貝利特硫鋁酸鹽水泥中利用方式
        1.4.1 磷石膏部分分解制備貝利特硫鋁酸鹽水泥
        1.4.2 磷石膏制備高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥
        1.4.3 磷石膏作為后摻石膏
    1.5 高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥的礦物組成
    1.6 本課題的提出及研究意義
2 原材料及試驗方法
    2.1 試驗原材料
    2.2 試驗方法
        2.2.1 水泥制備
        2.2.2 宏觀性能
        2.2.3 化學分析
        2.2.4 微觀分析
3 利用磷石膏的高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥配料與燒制
    3.1 配料計算
        3.1.1 基本原則
        3.1.2 配料參數(shù)
        3.1.3 配料計算方法
    3.2 熟料煅燒條件的確定
        3.2.1 煅燒溫度
        3.2.2 保溫時間
        3.2.3 冷卻方式
        3.2.4 熟料的微觀形貌
    3.3 熟料煅燒過程中磷石膏的高溫分解
        3.3.1 生料熱分析
        3.3.2 磷石膏分解的影響因素
        3.3.3 磷石膏與天然石膏的比較
        3.3.4 磷石膏分解的控制分析
    3.4 小結
4 高溫硬石膏在高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥中作用
    4.1 模擬高溫硬石膏對硫鋁酸鈣單礦物水化的影響
        4.1.1 硫鋁酸鈣單礦物的制備
        4.1.2 模擬高溫硬石膏對硫鋁酸鈣單礦物水化放熱的影響
        4.1.3 模擬高溫硬石膏對硫鋁酸鈣單礦物化學結合水的影響
        4.1.4 模擬高溫硬石膏對硫鋁酸鈣單礦物水化產(chǎn)物的影響
    4.2 高溫硬石膏對水泥物理力學性能的影響
        4.2.1 礦物形成
        4.2.2 凝結時間
        4.2.3 強度
        4.2.4 膨脹率
    4.3 高溫硬石膏對水泥水化過程的影響
        4.3.1 水化液相的SO42-濃度
        4.3.2 水化放熱
        4.3.3 化學結合水
        4.3.4 水化液相的p H值
        4.3.5 水化產(chǎn)物
    4.4 小結
5 硫硅酸鈣礦物在高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥中作用
    5.1 硫硅酸鈣單礦物的制備和水化
        5.1.1 硫硅酸鈣生料的熱分析
        5.1.2 硫硅酸鈣單礦物的制備
        5.1.3 硫硅酸鈣的水化
    5.2 硫硅酸鈣單礦物對水泥水化硬化的影響
        5.2.1 硫硅酸鈣對水泥物理力學性能的影響
        5.2.2 硫硅酸鈣單礦物對水泥水化過程的影響
    5.3 水泥熟料中硫硅酸鈣的形成和作用
        5.3.1 二次煅燒對水泥中硫硅酸鈣形成的影響
        5.3.2 水泥中硫硅酸鈣對性能的影響
        5.3.3 水泥中硫硅酸鈣對水化過程的影響
    5.4 小結
6 高硫型貝利特硫鋁酸鹽水泥礦物組成的優(yōu)化
    6.1 硫鋁酸鈣礦物的優(yōu)化
        6.1.1 礦物形成
        6.1.2 水泥凈漿強度
        6.1.3 水化過程
    6.2 鐵相礦物的優(yōu)化
        6.2.1 礦物形成
        6.2.2 水泥凈漿強度
        6.2.3 水化過程
    6.3 高溫硬石膏和后摻石膏的優(yōu)化匹配
        6.3.1 水泥凈漿強度
        6.3.2 水化放熱
        6.3.3 水化程度
        6.3.4 水化產(chǎn)物
    6.4 貝利特礦物的活化
        6.4.1 熟料礦物形成
        6.4.2 強度
        6.4.3 膨脹率
        6.4.4 水化過程
    6.5 硫硅酸鈣礦物的優(yōu)化
    6.6 小結
7 結論及展望
    7.1 主要結論
    7.2 展望
致謝
參考文獻
附錄
    A. 作者在攻讀博士學位期間發(fā)表的論文目錄
    B. 作者在攻讀博士學位期間取得的科研成果目錄
    C. 作者在攻讀博士學位期間參與的科研項目

【參考文獻】

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本文編號：2860945