自流平膠粉的制備

在15年的“15”期間，中國(guó)的磷產(chǎn)量增加了11550噸，達(dá)到世界第一次。其中,高濃度磷復(fù)肥產(chǎn)量已增至2005年的6778kt。年均增長(zhǎng)23.6%。與此同時(shí)。副產(chǎn)磷石膏也增至2005年的33000kt。許多重點(diǎn)磷肥企業(yè),每年副產(chǎn)磷石膏均在1000~2000kt。越來(lái)越多的磷石膏排放,不僅堆放占用大量土地,還由于它經(jīng)雨水長(zhǎng)期浸泡,其中的可溶性P2O5和氟化物等有害物質(zhì)通過水體向環(huán)境傳遞,引起土壤、水系、大氣的污染。因此,中國(guó)磷肥工業(yè)協(xié)會(huì)將磷石膏綜合利用,正式列為該行業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃中一項(xiàng)重要工作。自流平材料是一種以無(wú)機(jī)膠凝材料為基料,加入各種外加劑改性的用于自流平的新型地面材料。它可分為石膏基的和水泥基的兩大類。其最大特征是自流平性,能在自重和自膨脹應(yīng)力的作用下自由流動(dòng)形成水平面,在施工上不僅可克服普通水泥砂漿樓地面的平整度難以控制的質(zhì)量通病,而且具有以下優(yōu)點(diǎn):品質(zhì)穩(wěn)定,可將自流平材料預(yù)混袋裝出售,使用時(shí)只需在施工現(xiàn)場(chǎng)按規(guī)定加水拌和即可施工;施工效率高,可采用泵送澆注,而且不需攤鋪、壓光等一系列工序,只需人工稍微推展即可,省工,且降低勞動(dòng)強(qiáng)度;易做到有計(jì)劃的施工;在樓地面的均勻性、密實(shí)性、強(qiáng)度、平整度和抗裂等方面,都能得到充分的保障。此外,石膏基材料還具有良好的保溫隔聲特性,可提高居住的舒適度,具有呼吸功能等優(yōu)點(diǎn)。本研究用磷石膏配制石膏基自流平材料,既可解決其污染問題,又可提高人們的生活質(zhì)量。在試驗(yàn)中,磷石膏的預(yù)處理沒有采用水洗分離雜質(zhì)的辦法,而是直接蒸壓處理。這是因?yàn)榭紤]到實(shí)際生產(chǎn)中,磷石膏在水洗過程中會(huì)造成二次污染。1原材料和試驗(yàn)方法1.1高效減水劑磷石膏,江南-小野田P.Ⅱ52.5水泥,可再分散膠粉(FL51),消泡劑,纖維素醚(H300P2),磺化三聚氫胺高效減水劑,木質(zhì)素磺酸鈣,檸檬酸鈉,醋酸鎂,硫酸鐵,氧化鈣,硫酸鋁,烷基苯磺酸鈉和超細(xì)砂等。1.2半水石膏粉的制備把摻有一定量的晶形轉(zhuǎn)化劑和氧化鈣的磷石膏放置在蒸壓釜內(nèi),在125~130℃、壓力高于一個(gè)大氣壓的情況下,恒溫恒壓6h,再通過干燥和粉磨,即可得到半水石膏粉。1.3流動(dòng)度的測(cè)試方法石膏基自流平材料,以石膏為膠凝材料,按配合比加入石膏、砂和可再分散膠粉等外加劑,混勻后加入一定量的水,在攪拌器內(nèi)攪勻。用攪勻的自流平材料進(jìn)行性能的測(cè)試與試件的成型。流動(dòng)度測(cè)試:試模是內(nèi)徑Φ30mm±0.1mm、高50mm±0.1mm的金屬空心圓柱體;測(cè)試板是面積為500mm×500mm的平板玻璃。測(cè)試時(shí),試模豎直放置在測(cè)試板中央,測(cè)試板表面平整光潔無(wú)水滴,把拌制好的試樣灌滿試模后,在2s左右垂直方向上提升試模5~10cm,保持10~15s使試樣自由流下。4min后,測(cè)兩個(gè)垂直方向的直徑,取它們的平均值,即為試樣的流動(dòng)度值。將同批試樣在攪拌鍋內(nèi)靜置20min,按上法測(cè)試,即為20min流動(dòng)度值。按標(biāo)準(zhǔn)JC/T985-2005,對(duì)石膏基自流平材料的力學(xué)性能與尺寸變化率進(jìn)行成型與測(cè)試。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1溫度對(duì)磷石膏質(zhì)量的影響化學(xué)分析結(jié)果(%):附著水,6.17;結(jié)晶水,17.20;CaO,29.65;MgO,0.31;Fe2O3,0.04;Al2O3,0.67;SiO2,6.72;SO3,42.55。把磷石膏在低溫下處理數(shù)小時(shí),除去附著水,然后再進(jìn)行差熱分析,加熱速度為3℃/min。其質(zhì)量分析結(jié)果,見圖1。圖1所示為:就磷石膏的結(jié)晶水含量而言,差熱分析與化學(xué)分析的結(jié)果基本相同。它失水轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨嗟臏囟赛c(diǎn),與半水石膏失水轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)水石膏的溫度點(diǎn)不能明顯區(qū)分出來(lái),且差熱曲線的熱峰尖而窄。這可能是由于磷石膏顆粒較細(xì),使得熱峰產(chǎn)生的范圍較窄所致。2.2晶形轉(zhuǎn)化劑的影響結(jié)晶學(xué)理論認(rèn)為:晶體的生長(zhǎng)速度實(shí)際上是指晶面在單位時(shí)間內(nèi)向外平行推移的距離。各晶面的相對(duì)生長(zhǎng)速度,決定了晶體的外部形態(tài),而其大小可隨所在環(huán)境的改變而改變。在處理磷石膏的過程中,加入適當(dāng)?shù)耐饧觿?改變半水石膏結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)的環(huán)境,促使產(chǎn)物的晶體形態(tài)向理想形狀轉(zhuǎn)化,這類外加劑被稱之為晶形轉(zhuǎn)化劑。它的作用是在磷石膏脫水時(shí),生成柱狀結(jié)晶形態(tài)的半水石膏。摻入后就吸附在石膏顆粒的表面,阻止晶形向縱向發(fā)展,改變石膏晶形的大小,從而影響用處理磷石膏配制自流平材料的性能。其種類、摻入量的不同,都會(huì)影響半水石膏的結(jié)晶生長(zhǎng)。不同晶形轉(zhuǎn)化劑處理的磷石膏配制石膏基自流平材料時(shí),對(duì)其流動(dòng)度與力學(xué)性能的影響,見表1。由表1可知,當(dāng)在磷石膏中加入硫酸鋁+檸檬酸鈉、醋酸鎂+硫酸鐵+烷基苯磺酸鈉(這種復(fù)合晶形轉(zhuǎn)化劑即為E)處理后,配制的石膏基自流平材料,其流動(dòng)度與強(qiáng)度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)JC/T985-2005的要求。摻入不同晶形轉(zhuǎn)化劑蒸壓處理磷石膏配制的自流平材料,其性能變化很大。當(dāng)摻入的晶形轉(zhuǎn)化劑較為適當(dāng)時(shí),由于石膏的結(jié)晶習(xí)性得到了改變,不僅可提高材料的流動(dòng)度,并且還可提高其強(qiáng)度。但當(dāng)摻入的晶形轉(zhuǎn)化劑不適當(dāng)(如硫酸鋁和木質(zhì)素磺酸鈣)時(shí),不僅不會(huì)提高材料的性能,反而會(huì)降低其性能。這是由于摻入這些物質(zhì)后,過飽和度降低,形成的晶胚數(shù)量減少,二水石膏晶體生長(zhǎng)變緩,有充分的時(shí)間與空間發(fā)育長(zhǎng)大,尺寸粗化,石膏晶體之間的接觸點(diǎn)減少,搭接強(qiáng)度降低,從而使材料的強(qiáng)度變低。表2所列為晶形轉(zhuǎn)化劑(E)摻量對(duì)磷石膏配制自流平材料的性能的影響。E摻量不同,對(duì)材料平性能影響很大。當(dāng)E摻量為0.035%時(shí),材料的各方面性能最好。由表可見,材料的力學(xué)性能隨著E摻量的變化而變化。當(dāng)E摻量增加時(shí),材料的力學(xué)性能隨之提高,但當(dāng)E摻量大于0.035%時(shí),再增加E摻量時(shí),材料的力學(xué)性能變差。這可能是加入過多的E后,半水石膏結(jié)晶格子上出現(xiàn)很多缺陷,晶體結(jié)構(gòu)不完整。同時(shí),在水化反應(yīng)過程中,過多的E造成二水石膏交叉網(wǎng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn),使水化硬化體強(qiáng)度下降。2.3fl51摻量對(duì)材料性能的影響可再分散膠粉(FL51)的摻量、纖維素醚(H300P2)和磺化三聚氫胺高效減水劑,對(duì)材料性能的影響,見表3。所用的石膏粉是:摻入E的磷石膏在蒸壓溫度125~130℃、壓力高于一個(gè)大氣壓的情況下,恒溫恒壓6h,再通過干燥和粉磨制得的半水石膏粉,且其前5組加入2%的氧化鈣,第6組加入4%的氧化鈣。各配比組的力學(xué)性能,見表4、5。表4表明,隨著FL51摻量的減少,材料的流動(dòng)性能變差。當(dāng)FL51的摻量為1%時(shí),材料沒有流動(dòng)性能,說明FL51具有減水的性能,且隨其摻量的增加,減水效果也就越明顯。當(dāng)FL51的摻量太高(如3%)時(shí),材料具有較好的流動(dòng)性,但按這個(gè)配合比配制的試樣由于保水性不好,產(chǎn)生嚴(yán)重的分層,從而導(dǎo)致材料的力學(xué)性能變差。為使配制的材料具有較好的流動(dòng)性能,在其它組分相同的情況下,在4~6組中外摻0.5%的磺化三聚氫胺高效減水劑。從試驗(yàn)結(jié)果可看出:第4組試樣與第3組的相比,流動(dòng)性能有很大的提高,但力學(xué)性能略有下降。為改善材料性能,又在第5~6組中添加具有保水效果的H300P2。試驗(yàn)結(jié)果表明,第5~6組試樣與第4組的相比,材料的各方面的性能都略有提高。從而可得出:在配制材料時(shí),要兼顧其流動(dòng)性能與保水性能,才能保證材料具有較好的力學(xué)性能。第6組試樣所用石膏粉,是在其它晶型轉(zhuǎn)化劑不變的情況下加入4%的氧化鈣蒸壓處理制得的。在蒸壓過程中加入氧化鈣,一方面可中和磷石膏含有的P、F、游離酸等酸性物質(zhì),另一方面可激發(fā)石膏的活性,提高材料的力學(xué)性能。從第6組試樣的性能可看出:增加氧化鈣的摻量,材料的力學(xué)性能又比第5組有較大提高。從表5可看出:第1、2組材料,其收縮變形性能都不能滿足標(biāo)準(zhǔn)JC/T985-2005的要求:材料產(chǎn)生嚴(yán)重的分層,并且兩者間的分層厚度有所區(qū)別,使其收縮頭在不同的分層里,從而表現(xiàn)出第1組材料出現(xiàn)嚴(yán)重的膨脹,第2組材料出現(xiàn)嚴(yán)重的收縮。同時(shí)從表5也可看出:只要配制的材料具有較好的均質(zhì)性,就可保證其具有較小的收縮變形。2.4石膏粉的微觀結(jié)構(gòu)從圖2的A、B中可看出:經(jīng)蒸壓處理的磷石膏制備的半水石膏水化產(chǎn)物,晶形多為柱狀或板狀,自形程度很高,膠凝狀物質(zhì)較少,柱狀或板狀晶體交織在一起,無(wú)定向排列,形成較為致密的水化產(chǎn)物硬化體,對(duì)硬化體的強(qiáng)度發(fā)揮十分有利。據(jù)半水石膏水化產(chǎn)物的晶形可認(rèn)為:經(jīng)蒸壓處理的磷石膏制備的石膏粉,主要是α半水石膏。從圖2C與D可看出水泥水化產(chǎn)物的晶形,和FL51在自流平材料中的微觀結(jié)構(gòu)。圖3a反映的是SEM圖C中對(duì)應(yīng)a處的能譜分析,從中可看出:a處有水泥的水化產(chǎn)物(因?yàn)橛泻軓?qiáng)的鋁元素峰),在放大的SEM下,發(fā)現(xiàn)水泥與部分石膏發(fā)生了水化反應(yīng),水化產(chǎn)物為細(xì)小的針狀,且與石膏相連,可提高材料的強(qiáng)度。所以,在材料中適當(dāng)摻入水泥,對(duì)材料的力學(xué)性能有利。能譜分析圖3a也有很強(qiáng)的碳元素峰,從而可得出:在a處也有可再分散膠粉,呈現(xiàn)出一種絮狀結(jié)構(gòu),與水泥的水化產(chǎn)物與石膏交織在一起。圖3b反映的是SEM圖D中對(duì)應(yīng)b處的能譜分析。b處是沒有完全分散開的絮狀結(jié)構(gòu)的FL51。當(dāng)FL51摻量過高時(shí),材料的保水性能下降,FL51隨水分的外溢,而出現(xiàn)結(jié)塊。在設(shè)計(jì)自流平材料的配合比時(shí),適當(dāng)摻入FL51,對(duì)材料的性能有利;但當(dāng)摻量過高,又不能保證其保水性能時(shí),FL51的摻入不利于材料的力學(xué)性能的提高。3c/t985-20051.用摻入不同晶形轉(zhuǎn)化劑蒸壓處理的磷石膏,來(lái)配制石膏基自流平材料,其性能變化很大。在磷石膏中加入硫酸鋁+檸檬酸鈉、醋酸鎂+硫酸鐵+烷基苯磺酸鈉處理后,配制的石膏基自流平材料的流動(dòng)度與強(qiáng)度,均能滿足標(biāo)準(zhǔn)JC/T985-2005的要求。2.自流平材料的力學(xué)性能,隨晶形轉(zhuǎn)化劑(E摻量的變化而變化。當(dāng)E摻量增加時(shí),力學(xué)性能隨之提高,但當(dāng)E摻量大于0.035%時(shí),再增加其摻量時(shí),材料的力學(xué)性能變差