本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高强度高掺量磷石膏免烧砖的生产工艺。
背景技术：
磷石膏是湿法磷酸生产过程中排放的工业固体废物。在湿法磷酸生产过程中，通常每生产1t磷酸(以100％的P2O5计算)约产生4.5～5.5t的磷石膏。磷石膏主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，此外还含有少量其他杂质，呈弱酸性，粘性较强。磷石膏中所含的氟化物、游离磷酸、磷酸盐等杂质是导致环境污染的主要因素。将磷石膏用于生产建筑墙体砖，是一条能够大量消纳磷石膏、实现磷石膏资源化的有效途径。目前，磷石膏制造建筑墙体砖的生产工艺基本上可分为两类，即磷石膏烧结砖生产工艺和磷石膏免烧砖生产工艺。磷石膏烧结砖生产工艺一般为：①原料预处理、②配料、③混合搅拌、④压制(或挤压)成型、⑤自然干燥、⑥高温焙烧、⑦退火降温、⑧成品。如中国专利公开号为CN1381423A、CN1465540A、CN101774797A、CN102503517A、CN103044007A等专利所示。该工艺的主要不足在于：(1)能耗高：该工艺通常需要在700～900℃高温下连续焙烧不低于30h，此过程需要消耗大量的热能；(2)存在二次污染：在高温焙烧过程中磷石膏的主要成分二水硫酸钙会发生分解反应，释放出硫氧化物，会对大气造成二次污染。磷石膏免烧砖生产工艺可以有效克服上述磷石膏烧结砖生产中的不足。现役磷石膏免烧砖生产工艺主要有两类：一类为压制成型蒸汽养护制砖生产工艺(以下简称为“蒸养砖工艺”)；另一类为高压压制成型免蒸养制砖生产工艺(以下简称为“高压成型砖工艺”)。蒸养砖工艺一般为：①原料预处理、②配料、③混合搅拌、④压制(或挤压)成型、⑤蒸压养护(或湿热养护)、⑥自然干燥、⑦成品。如中国专利公开号为CN101269944A、CN101497516A、CN101684675A、CN101637936A、CN1915894A、CN1955141A、CN101830677A、CN101891438A、CN103626461A、CN102701619A、CN102775118A等专利所示。该工艺存在的主要不足有：(1)能耗较高。该工艺需要蒸压养护(或湿热养护)，采用低温(80℃～100℃)时蒸压养护需要时间较长，一般需要8h～24h；若采用高温(120℃～250℃)时蒸压养护需要时间相对较短，但仍需要5h～10h；(2)生产设备要求高。蒸压养护需要特殊的养护设备，常为蒸养(压)釜，该设备需要有较高的密封性，对设备材料和结构要求较高，维护费用也较大。鉴于上述原因，该工艺生产磷石膏免烧砖的生产成本较高。高压成型砖工艺一般为：①原料预处理、②配料、③混合搅拌、④高压压制成型、⑤自然干燥、⑥成品。如中国专利公开号为CN1277168A、CN1673154A、CN101508556A、CN101182179A、CN101397205A、CN202338056U、CN1935736A等专利所示。该工艺目前存在的主要不足为：(1)产品强度低。该工艺制备的免烧砖抗压强度通常低于10MPa，产品的使用范围受到很大的限制；(2)成型压力大，设备要求高，成型压力一般大于40MPa，甚至高达80MPa，故压制成型设备材料和结构要求均较高，动力能耗消耗也较大。此外，在磷石膏免烧砖生产中一般还要掺加水泥或其他胶粘剂。如中国专利公开号为CN101475359、CN101508556A等掺加了水泥；中国专利公开号为CN102276228A、CN1277168A等掺加了胶粘剂。水泥或胶粘剂的大量掺加导致免烧砖的生产成本居高不下，不利于大规模推广应用。为了提高产品的机械强度，中国专利公开号CN103641426A基于上述“蒸养砖工艺”，通过掺加黄磷炉渣、生石灰作为胶粘剂，制得了抗压强度高于30MPa的免烧砖，但该专利中的磷石膏最优掺量仅为30％，应看作是辅助原料，而黄磷炉渣掺量高达50％，是主要原料，故该免烧砖产品本质上属于黄磷炉渣质的免烧砖。本发明人所申请的中国发明专利CN102172968B，设计了一项水化重结晶工艺，可制备出抗压强度高于20MPa的磷石膏免烧砖，但该工艺仍存在一些应用上的障碍，如需要掺加水泥(3～10％)作为辅助胶凝剂、压制成型所需压力偏大(15～30MPa)。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种以磷石膏为主要原料制备磷石膏免烧砖的工艺，成本低，工艺简单，并且所制备的磷石膏免烧砖强度高，应用范围广，适于大规模生产。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种高强度高掺量磷石膏免烧砖的生产工艺，其包括以下步骤：(1)原料预处理：将磷石膏与生石灰混合，得到混合料，陈腐1天后将混合料置于干燥机械中常压条件下于180℃干燥得到脱水磷石膏-生石灰中和料；(2)配料：按比例称取脱水磷石膏-生石灰中和料及黄沙，投入搅拌器中搅拌混合均匀，制得配合料，配合料中各组分的质量配比为：70～90％的脱水磷石膏-生石灰中和料、10～30％的黄沙；(3)掺水搅拌：向配合料中加入水，配合料与水的质量比为100：18～25，充分搅拌混合得到掺水配合料；(4)压制成型：将掺水配合料填入压砖机中，于8～12MPa压力下压制成型，得到生砖坯；(5)泡水水化：室温下将生砖坯置于水中浸泡0.5～2h，得到水化砖坯；(6)干燥：将水化砖坯在自然条件下干燥7天，制得高强度高掺量磷石膏免烧砖。本发明将经过预处理转化为半水石膏的磷石膏作为原料，与细骨料黄沙混合；再掺加一定量的水，并及时压制成型为生砖坯，此时，生砖坯中的水与半水石膏发生水化反应，使部分无序的、相互独立的、结构疏松的半水石膏压实体转化为形貌规整的、相互咬合的、结构致密的二水石膏胶凝体；最后通过泡水水化处理，使剩余的半水石膏继续发生水反应，最终全部转化为形貌规整的、相互咬合的、结构致密的二水石膏胶凝体，从而赋予砖坯高达25MPa以上的抗压强度，制得高强度磷石膏免烧砖产品。实验过程中发现：倘若步骤(3)掺水搅拌中掺加过量的水，一方面，会出现粘模、泌水等不利于步骤(4)压制成型操作的现象，另一方面，生砖坯中的半水石膏在步骤(3)掺水搅拌过程中完全水化转化为二水石膏，但该过程中，物料还未被完全压密，水化反应生产的二水石膏不能很好地相互咬合在一起，最终导致免烧砖产品的机械强度偏低。如果不经过步骤(5)泡水水化操作，那么压制成型后的生砖坯中的部分半水石膏未被完全水化，也即通过半水石膏水化反应生成相互咬合的二水石膏来大幅度增加产品机械强度的效应就不能充分发挥出来，结果仍导致免烧砖产品的机械强度偏低。综上所述，只有通过本发明所述的步骤(3)掺水搅拌和步骤(5)泡水水化的有效结合，才能使半水石膏充分地水化反应转化为相互咬合的二水石膏，大幅度提高砖坯的机械强度，获得高强度的磷石膏免烧砖。本发明所指的磷石膏是湿法磷酸生产过程中排放的工业固体废物，即硫酸分解磷矿石所产生的副产品磷石膏，但不排除使用其他工业石膏、脱硫石膏等；所述黄沙是普通建筑河沙，含水率≤5％，沙粒粒度≤2.36mm，也可为岩石粉碎砂；所述生石灰是普通建筑生石灰，性能符合JC/T621-2009《硅酸盐建筑制品用生石灰》技术要求；所述免烧砖产品既可以生产成实心砖，也生产成空心砖。本发明的生产工艺基本原理为：A、通过步骤(1)原料预处理，将磷石膏中的二水石膏(即二水硫酸钙CaSO4·2H2O)转化为半水石膏(即半水硫酸钙CaSO4·0.5H2O)；B、通过步骤(3)掺水搅拌，向配合料中掺加一定量的水，并及时通过步骤(4)压制成型，将掺水配合料压制成致密的生砖坯，此时，生砖坯中的水与部分半水石膏发生水化反应，生成二水石膏晶体，赋予生砖坯一定的机械强度；C、由于步骤(3)掺水搅拌中掺水量不足于与所有半水石膏发生水化反应，必然有一部分半水石膏未发生水化反应，因此，通过步骤(5)泡水水化，可使剩余的半水石膏与水发生充分的水化反应，全部生成相互咬合的二水石膏晶体，赋予砖坯更大的机械强度，再经过步骤(6)干燥后，最终可使砖坯的7天抗压强度达到25MPa以上，从而获得高强度的磷石膏免烧砖产品。按上述方案，步骤(1)所述干燥时间为1h。按上述方案，步骤(1)所述磷石膏与生石灰质量比为100：2。按上述方案，步骤(2)所述黄沙含水率≤5％，沙粒粒度≤2.36mm。本发明的有益效果在于：1、免烧砖产品的强度高。经过预处理后的磷石膏中的半水石膏(CaSO4·0.5H2O)是经过两步水化反应后才完全转化为二水石膏(CaSO4·2H2O)，即，第一步，严格控制步骤(3)掺水搅拌中的掺水量，仅使生砖坯中的水能与部分半水石膏发生水化反应，生成二水石膏晶体，赋予生砖坯一定的机械强度；第二步，通过步骤(5)的泡水水化，使剩余的半水石膏与水发生充分的水化反应，全部生产相互咬合的二水石膏晶体，赋予砖坯很高的机械强度(7天抗压强度大于25MPa)，符合JC/T422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》的标准强度等级MU25的标准要求；2、磷石膏掺量高。本发明通过工艺步骤的控制，使半水石膏分两次水化重结晶为二水石膏胶凝体，与现有的高温加压蒸养原位重结晶工艺原理存在本质的差别，导致磷石膏在配方中的掺量可高达80.0％以上，因此，磷石膏在本发明生产免烧砖时能够被大量消纳，有利于大幅度提高磷石膏的资源化利用效率，为解决磷石膏堆存放置所产生的环境问题提供了一条有效的途径和方法；3、不需掺加水泥或胶粘剂。如上所述，通过本发明的工艺步骤，可以充分发挥磷石膏的胶凝特性，无需掺加水泥或胶粘剂即可生产出强度高的磷石膏免烧砖，这有利于大幅度降低原料成本；4、生产能耗低。在现有的蒸养砖工艺中，采用高温加压条件对砖坯进行长时间蒸压养护，能耗较高；而在本发明中，干燥脱水处理仅在常压、温度为180℃的条件下干燥处理1h，能耗可大幅度降低，且对干燥设备要求低；5、生产工艺简单，可操作性强。与现有工艺相比，无需蒸养釜，压制成型只需8～12MPa的压力，常规压砖机即可满足生产需要，无需高压压砖机；泡水水化操作是直接将压制成型后的生砖坯浸泡在室温水中0.5～2h，操作简单易行。整个工艺步骤对生产设备要求低、对生产工艺条件要求温和，易于生产作业。附图说明图1为本发明实施例1制备高强度高掺量磷石膏免烧砖的工艺流程图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。实施例1工艺流程图如图1所示，本实施例的生产工艺包括以下步骤：(1)原料预处理：先将磷石膏与生石灰按质量比为100：2进行混合，陈腐1天，以使磷石膏中的残酸被生石灰充分中和；再将该混合料置于干燥机械中于180℃和常压条件下进行干燥脱水处理1h，得到脱水磷石膏-生石灰中和料；(2)配料：称取脱水磷石膏-生石灰中和料、黄沙，2种原料所占质量百分数为：80％脱水磷石膏-生石灰中和料、20％黄沙，投入搅拌器中搅拌混合均匀，制得配合料；(3)掺水搅拌：向配合料中掺加水，配合料与掺水量的质量比为100：22，进行充分的搅拌混合，得到掺水配合料；(4)压制成型：将掺水配合料布料在压砖机中，于10MPa压力下压制成型为生砖坯；(5)泡水水化：将生砖坯置于室温水中浸泡1h，制得水化砖坯；(6)自然干燥：将水化砖坯在自然条件下干燥7天，即制得磷石膏免烧砖产品。本实施例所制得的磷石膏免烧砖产品的7天(以压制成型时开始计算)抗压强度测试值为30.4MPa，符合JC/T422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》(等级MU25)的25MPa抗压强度的标准要求。实施例2本实施例的生产工艺包括以下步骤：(1)原料预处理：先将磷石膏与生石灰按质量比为100：2进行混合，陈腐1天，以使磷石膏中的残酸被生石灰充分中和；再将该混合料置于干燥机械中于180℃和常压条件下进行干燥脱水处理1h，得到脱水磷石膏-生石灰中和料；(2)配料：称取脱水磷石膏-生石灰中和料、黄沙，2种原料所占质量百分数为：90％脱水磷石膏-生石灰中和料、10％黄沙，投入搅拌器中搅拌混合均匀，制得配合料；(3)掺水搅拌：向配合料中掺加水，配合料与掺水量的质量比为100：25，进行充分的搅拌混合，得到掺水配合料；(4)压制成型：将掺水配合料布料在压砖机中，于12MPa压力下压制成型为生砖坯；(5)泡水水化：将生砖坯置于室温水中浸泡2h，制得水化砖坯；(6)自然干燥：将水化砖坯在自然条件下干燥7天，即制得磷石膏免烧砖产品。本实施例所制得的磷石膏免烧砖产品的7天(以压制成型时开始计算)抗压强度测试值为28.7MPa，符合JC/T422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》(等级MU25)的25MPa抗压强度的标准要求。实施例3本实施例的生产工艺包括以下步骤：(1)原料预处理：先将磷石膏与生石灰按质量比为100：2进行混合，陈腐1天，以使磷石膏中的残酸被生石灰充分中和；再将该混合料置于干燥机械中于180℃和常压条件下进行干燥脱水处理1h，得到脱水磷石膏-生石灰中和料；(2)配料：称取脱水磷石膏-生石灰中和料、黄沙，2种原料所占质量百分数为：70％脱水磷石膏-生石灰中和料、30％黄沙，投入搅拌器中搅拌混合均匀，制得配合料；(3)掺水搅拌：向配合料中掺加水，配合料与掺水量的质量比为100：18，进行充分的搅拌混合，得到掺水配合料；(4)压制成型：将掺水配合料布料在压砖机中，于8MPa压力下压制成型为生砖坯；(5)泡水水化：将生砖坯置于室温水中浸泡0.5h，制得水化砖坯；(6)自然干燥：将水化砖坯在自然条件下干燥7天，即制得磷石膏免烧砖产品。本实施例所制得的磷石膏免烧砖产品的7天(以压制成型时开始计算)抗压强度测试值为26.6MPa，符合JC/T422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》(等级MU25)的25MPa抗压强度的标准要求。由以上实施例可知本发明提供的方法工艺简单，不需要掺入水泥或胶粘剂，成本低，并且制备的磷石膏免烧砖强度高，符合JC/T422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》的标准强度等级MU25的标准要求，因而适于工业化生产。可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。