一种磷石膏基高流动度耐水砂浆的制备方法

1.本申请涉及砂浆的技术领域，更具体地说，它涉及一种磷石膏基高流动度耐水砂浆的制备方法。


背景技术：

2.磷石膏是湿法磷酸生产过程中排放的工业废渣，以二水石膏(caso4·
2h2o)为主要成份。此外还含有少量未分解的磷矿粉、游离磷酸、磷酸铁、磷酸铝和氟硅酸盐等杂质；全世界磷石膏的年排放量接近2亿吨，我国磷石膏的年排放量也超过1000万吨；这不仅占用大量土地，而且严重地污染了环境。为实现资源化合理利用，对磷石膏的工业应用进行了长期的研究。
3.目前，相关文献如《席美云.磷石膏的综合利用[j].环境科学与技术，2001》中记载了关于磷石膏资源化利用，利用磷石膏生产硫酸联产水泥的，利用磷石膏生产硫酸钾、硫酸铵和α
‑
半水石膏、β
‑
半水石膏等建筑材料。磷石膏还可用于制加压磷石膏纤维板和水泥缓凝剂及装饰用陶瓷材料等等，这不仅可减少磷石膏的污染，还可节约天然石膏资源。
[0004]
如《磷石膏基保温砂浆的制备》(文章编号：1674
‑
2869(2014)04
‑
0039
‑
06)中，利用固体废弃物磷石膏制备磷石膏基保温砂浆，先将磷石膏进行预处理，然后与生石灰、水、硅灰、胶粉等物质复配，制得保温砂浆。发明人发现采用上述方法通过磷石膏制备的砂浆流动度较差、强度较低、耐水性能较差，阻碍磷石膏高值化应用。


技术实现要素：

[0005]
为了改善砂浆的流动度，提高砂浆的强度和耐水性，实现资源循环利用，本申请提供一种磷石膏基高流动度耐水砂浆的制备方法。
[0006]
本申请提供的一种磷石膏基高流动度耐水砂浆的制备方法采用如下的技术方案：
[0007]
一种磷石膏基高流动度耐水砂浆的制备方法，包括以下步骤：
[0008]
步骤一，工业磷石膏化学整形：将工业磷石膏加入到含有有机酸和金属阳离子的电解质溶液中，金属阳离子为硫酸铁、硫酸铝提供的铁离子、铝离子中的一种，在温度为60
‑
140℃的条件下，结晶30
‑
120min，制得等轴状晶粒的磷石膏，磷石膏晶粒长径比、长宽比或长厚比均小于1.5；有机酸的加入量为工业磷石膏质量的0.01
‑
0.5％，金属阳离子的加入量为工业磷石膏质量的0.01
‑
0.5％，
[0009]
步骤二，高温处理：将磷石膏在400
‑
1000℃的温度下，处理1
‑
30min，得到惰性磷石膏；
[0010]
步骤三，在惰性磷石膏中加入球形硅铝质料、纳米粉料、钙质料、增强剂、增流剂、耐水剂、稳定剂，混合均匀后，加水搅拌均匀得到高流动度耐水砂浆，其中球形硅铝质料的加入量为工业磷石膏质量的5
‑
20％；纳米粉料的加入量为工业磷石膏质量的5
‑
20％；钙质料的加入量为工业磷石膏质量的21
‑
40％，增强剂的加入量为工业磷石膏质量的21
‑
40％，增流剂的加入量为工业磷石膏质量的2.1
‑
4.0％，耐水剂的加入量为工业磷石膏质量的
2.1
‑
4.0％；稳定剂的加入量为工业磷石膏质量的5
‑
15％。
[0011]
通过采用上述技术方案，工业磷石膏中石膏的形貌主要为片状，不能形成紧密堆积，影响石膏砂浆强度和流动度，利用二水石膏与半水石膏或无水石膏在水溶液中溶解度不同，在一定温度或一定电解质溶液条件下半水石膏或无水石膏的溶解度小于二水石膏的溶解度，即二水石膏溶解，半水石膏或无水石膏结晶；采用有机酸协同金属阳离子控制半水石膏或无水石膏结晶的晶体形貌，得到等轴状的石膏晶粒。
[0012]
通过化学整形得到的石膏具有较高的水化活性，凝结时间较短，初凝时间均小于20min。凝结时间较短会影响石膏施工，为延长凝结时间，常加入缓凝剂。但缓凝剂的存在影响石膏水化产物的形貌，使石膏砂浆强度降低，而且缓凝剂的加入还增加砂浆的成本。经过长期研究，发明人发现将磷石膏经过高温处理，即在磷石膏化学整形后的干燥过程中，采用高温烟气对化学整形后的磷石膏进行高温处理，可降低磷石膏的水化反应活性，延长磷石膏的凝结时间，同时对磷石膏进行干燥；高温处理还可以将磷石膏的可溶磷进行稳定化，避免可溶磷对砂浆性能的影响，从而提高砂浆强度。
[0013]
球形硅铝质料为球形颗粒，可在砂浆中起到了滚珠效应，有利于增加砂浆的流动度。纳米粉料粒径小，填充砂浆的孔隙，增强砂浆的致密度，提高砂浆的强度。钙质料对惰性磷石膏的胶凝性能有激发作用，促进石膏强度发挥，提高砂浆早期强度。增强剂自身具有较高的强度，进一步提高砂浆的强度。
[0014]
增流剂可吸附在粉体颗粒表面，可以减少砂浆的加水量，并提高材料的和易性，还提高砂浆的强度和流动度。耐水剂使得砂浆具有良好的憎水功能，避免水在砂浆表面吸附，提高砂浆的耐水性能，同时避免微生物在砂浆硬化后的表面生长，使得砂浆表面干净。稳定剂能赋予砂浆合适的稠度和和易性，增加黏附力，避免砂浆离析和水分过早的损失，提高硬化砂浆强度。
[0015]
优选的，所述有机酸为琥珀酸、山梨酸、苹果酸或柠檬酸中的一种。
[0016]
通过采用上述技术方案，优化有机酸的种类，以利于有机酸协同金属阳离子控制半水石膏或无水石膏结晶的晶体形貌，以便于得到等轴状的石膏晶粒。
[0017]
优选的，所述电解质溶液为硫酸溶液、氯化钠溶液、氯化钙溶液或硝酸钙溶液中的一种。
[0018]
通过采用上述技术方案，优化电解质溶液，以利于控制半水石膏和无水石膏的溶解度，从而保证半水石膏或无水石膏结晶。
[0019]
优选的，所述球形硅铝质料为粉煤灰漂珠或玻化微珠中的一种，粉煤灰漂珠或玻化微珠的粒径为20
‑
160μm。
[0020]
通过采用上述技术方案，粉煤灰漂珠是从火电厂产生的粉煤灰中分离出来的球形颗粒，提高砂浆的和易流动性；粉煤灰漂珠表面封闭而光滑，具有良好的憎水性能，壁厚1
‑
2μm，强度高，易于分散。玻化微珠是由珍珠岩表面玻化形成的一种球形颗粒，理化性能稳定，耐候性佳，可作为骨料填充，提高砂浆的密实度。两者均具有水化活性，随着水化时间的延长将与砂浆中的钙质料反应，得到水化硅酸钙和水化铝酸钙，提高砂浆的强度和耐水性能。
[0021]
优选的，所述纳米粉料为氧化硅、氧化铝、偏高岭土中的一种，氧化硅、氧化铝、偏高岭土粒径为20
‑
100nm。
[0022]
通过采用上述技术方案，纳米粉料的粒径小，表面大，填充性好，且具有一定的表
面界面效应，可改善砂浆内部界面过渡区域的强度，同时纳米粉料均具有水化活性，随着水化时间的延长与砂浆中的钙质料反应，得到水化硅酸钙或水化铝酸钙，增加砂浆的强度和耐水性能。
[0023]
优选的，所述钙质料为硅酸钙、铝酸钙、硫铁铝酸钙中的一种。
[0024]
通过采用上述技术方案，硅酸钙、铝酸钙、硫铁铝酸钙均具有水化活性，并具有胶结能力，水化后释放出氢氧化钙，与硅铝质料和纳米粉料反应，得到水化硅酸钙或水化铝酸钙，增加砂浆的强度和耐水性能。
[0025]
优选的，所述增强剂为碳化硅晶须、硅酸钙晶须或玄武岩纤维中的一种，碳化硅晶须、硅酸钙晶须为纤维状单晶，硬度为3.5以上，玄武岩纤维为短切纤维，长度2
‑
10mm。
[0026]
通过采用上述技术方案，玄武岩纤维强度高，稳定性佳，不吸水，与其它与原料组分相容性好，改善砂浆的强度；碳化硅晶须和硅酸钙晶须均具有较高的强度，可在砂浆中与石膏水化产物通过桥接作用进一步提高砂浆的强度。
[0027]
优选的，所述增流剂为聚羧酸钙、磺化三聚氰胺甲醛树脂或木质素磺酸钙中的一种，聚羧酸钙的分子量为5000
‑
50000，木质素磺酸钙的分子量为800～10000，磺化三聚氰胺甲醛树脂的分子量为2000
‑
3000。
[0028]
通过采用上述技术方案，优化增流剂的种类，不仅减少砂浆的用水量，提高各原料组分之间的和易性，还能改善砂浆的强度和流动度。
[0029]
优选的，所述耐水剂为硬脂酸、苯丙乳液、甲基硅醇钠中的一种。
[0030]
通过采用上述技术方案，硬脂酸、苯丙乳液、甲基硅醇钠具有良好的成膜性和憎水功能，可在表面形成憎水膜，避免水在砂浆表面吸附，起到防水效果，但形成的憎水膜并不影响砂浆的透气性；同时耐水剂还具有一定的引气功能，在砂浆内部形成微气泡阻断孔道，阻止水分子进入砂浆内部，提高耐水性。
[0031]
优选的，所述稳定剂为沸石、坡缕石、蒙脱石中的一种。
[0032]
通过采用上述技术方案，沸石、坡缕石、蒙脱石具有一定的吸附性，避免砂浆离析和水分过早的损失，提高砂浆的稳定性；作为骨料进行填充，提高砂浆的强度，在砂浆水化后期，与砂浆中的钙质料反应，得到水化硅酸钙和水化铝酸钙，提高砂浆的致密性，增加砂浆的强度和耐水性能。
[0033]
综上所述，本申请具有以下有益效果：
[0034]
1、由于本申请将工业磷石膏通过化学整形得到等轴状的石膏晶粒，采用高温烟气对化学整形后的磷石膏进行高温处理，降低磷石膏的水化反应活性，延长磷石膏的凝结时间，同时对磷石膏进行干燥。高温处理还可以将磷石膏的可溶磷进行稳定化，避免可溶磷对砂浆性能的影响，提高砂浆强度。
[0035]
2、硅铝质料随着水化时间的延长将与砂浆中的钙质料反应，纳米粉料具有水化活性，随着水化时间的延长也将与砂浆中的钙质料反应，提高砂浆的强度和耐水性能，改善砂浆的性能。
[0036]
3、增强剂在砂浆中与石膏水化产物通过桥接作用进一步提高砂浆的强度，耐水剂不仅能在砂浆表面形成憎水膜，起到防水效果，同时还具有一定的引气功能，在砂浆内部形成微气泡阻断孔道，阻止水分子进入砂浆内部，进一步提高耐水性。
具体实施方式
[0037]
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
[0038]
以下实施例和对比例的原料均为普通市售原料。
[0039]
实施例
[0040]
实施例1
[0041]
一种磷石膏基高流动度耐水砂浆的制备方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤一，工业磷石膏化学整形：将工业磷石膏加入到含有琥珀酸和金属阳离子的电解质溶液中，金属阳离子为硫酸铁提供的铁离子，电解质溶液为氯化钠溶液，在温度为100℃的条件下，结晶80min，制得等轴状晶粒的磷石膏；得到的等轴石膏晶粒长径比、长宽比或长厚比均小于1.5；琥珀酸的加入量为0.2kg，硫酸铁的加入量0.3kg；
[0043]
步骤二，高温处理：将磷石膏在400
‑
1000℃的温度下，处理1
‑
30min，得到惰性磷石膏；
[0044]
步骤三，在惰性磷石膏中加入球形硅铝质料、纳米粉料、钙质料、增强剂、增流剂、耐水剂、稳定剂，混合均匀后，加水搅拌均匀得到高流动度耐水砂浆；
[0045]
步骤二的高温处理温度和时间，各原料组分如表1和表2所示。
[0046]
实施例2
‑
18中步骤二的高温处理温度和时间、各原料组分配比如表1和表2所示。
[0047]
表1实施例1
‑
18部分原料数据
[0048]
[0049][0050]
表2实施例1
‑
18部分原料数据
[0051]
[0052][0053]
对比例
[0054]
对比例1
[0055]
与实施例1的区别在于，省略步骤二，磷石膏基高流动度耐水砂浆的制备方法具体为：步骤一，工业磷石膏化学整形：将工业磷石膏加入到含有琥珀酸和金属阳离子的电解质溶液中，金属阳离子为硫酸铁提供的铁离子，电解质溶液为氯化钠溶液，在温度为100℃的条件下，结晶80min，制得等轴状晶粒的磷石膏；琥珀酸的加入量为0.2kg，硫酸铁的加入量0.3kg；
[0056]
步骤二，在惰性磷石膏中加入球形硅铝质料、纳米粉料、钙质料、增强剂、增流剂、耐水剂、稳定剂，混合均匀后，加水搅拌均匀得到高流动度耐水砂浆；
[0057]
其余均与实施例1相同。
[0058]
对比例2
[0059]
与实施例1的区别在于，不加入钙质料，其余均与实施例1相同。
[0060]
对比例3
[0061]
与实施例1的区别在于，不加入耐水剂，其余均与实施例1相同。
[0062]
对比例4
[0063]
与实施例1的区别在于，磷石膏基高流动度耐水砂浆的制备方法，包括以下步骤：
[0064]
步骤一，工业磷石膏化学整形：将工业磷石膏加入到含有琥珀酸和金属阳离子的电解质溶液中，金属阳离子为硫酸铁提供的铁离子，电解质溶液为氯化钠溶液，在温度为150℃的条件下，结晶20min，制得等轴状晶粒的磷石膏；琥珀酸的加入量为0.2kg，硫酸铁的加入量0.3kg；
[0065]
步骤二，高温处理：将磷石膏在200℃的温度下，处理20min，得到惰性磷石膏；
[0066]
步骤三，在惰性磷石膏中加入球形硅铝质料、纳米粉料、钙质料、增强剂、增流剂、耐水剂、稳定剂，混合均匀后，加水搅拌均匀得到高流动度耐水砂浆；
[0067]
其余均与实施例1相同。
[0068]
性能检测试验
[0069]
将实施例1
‑
18和对比例1
‑
4按照jc/t1023
‑
2007《石膏基自流平砂浆》中标准稠度的规定的计算初始流动度用水量，并测定砂浆的30min流动度损失、凝结时间和28天的绝干强度；将实施例1
‑
18和对比例1
‑
4按照t/cbmf
‑
36
‑
2018《石膏砌块》测定砂浆的软化系数，软化系数越高，砂浆的耐水性越好，试验结果如表3所示。
[0070]
表3试验数据
[0071]
[0072][0073][0074]
结合实施例1和对比例1并结合表3可以看到，将磷石膏不进行高温处理，其初凝时
间短，同样不便于施工，同时通过化学整形得到的石膏具有较高的水化活性，内部含有一定的可溶磷，影响砂浆的综合性能，致使砂浆的强度下降，从而导致耐水性降低。
[0075]
结合实施例1和对比例2并结合表3可以看到，不加入钙质料，对比例3制得的砂浆强度明显下降，耐水性变差，30min流动度损失变大，这是由于硅铝质料随着水化时间的延长与砂浆中的钙质料反应，纳米粉料随着水化时间的延长也将与砂浆中的钙质料反应，三者协同改善砂浆的强度，同时钙质料的存在还可激发惰性磷石膏的胶凝性能有激发作用，促进石膏强度发挥，提高砂浆强度。
[0076]
结合实施例1和对比例3可以看到，不加入耐水剂，制得的砂浆的耐水性能显著下降，同时砂浆的强度降低；耐水剂的加入不仅能提高砂浆的耐水效果，还能改善砂浆的强度。
[0077]
结合实施例1和对比例4可以看到，改变对工业磷石膏化学整形步骤中的温度和结晶时间，改变高温处理步骤中的温度和处理时间，无法制得本申请所限定的的石膏晶粒，使得对比例4制得的砂浆耐水性下降，强度变差，流动度欠佳。
[0078]
结合实施例1
‑
18并结合表3可以看出，通过本申请的制备方法制得的砂浆强度高，流动度好，30min流动度损失小，耐水性佳。
[0079]
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。