一种免烧磷石膏低碳胶凝材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及磷石膏胶结材料，尤其是涉及一种免烧磷石膏低碳胶凝材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、磷石膏是磷酸工业生产制备磷肥过程中排放的固废，是一种黄白、灰白或黑灰色的细颗粒粉体，主要成分为二水石膏，同时还含有少量磷、氟等有害物质，综合利用率低，导致大量磷石膏露天堆存，大量磷石膏堆积不仅占用大量土地、浪费资源，且有害杂质随雨水浸出，产生酸性废水，引起土壤、水系、大气的严重污染和生态危害。

2、磷石膏中富含二水石膏，具有一定的胶凝特性，解决磷石膏污染问题的一个重要途径，就是将其转化成为有一定价值的建筑材料及其制品；但由于其本身的颗粒粒度较细，而且其中含有可溶性磷、氟、有机物和重金属等杂质，给磷石膏综合利用带来了困难。

3、目前，已公开的方法中磷石膏胶凝材料制备工艺多采用水泥、石灰、石膏作为胶凝剂并进行煅烧，虽然能够达到一定的性能要求，但需消耗大量的胶凝剂和能源，经济性和环境性较差。同时存在成型率低、裂纹较多、吸水率高、轻质和高强难以兼顾等问题，限制了其进一步应用。或是通过优化聚合物乳液、纤维素醚等外加剂种类与掺量的方式以提高砂浆柔韧性，其增强效果十分有限。另外，纤维是提高磷石膏基材料韧性、抗裂性较为有效的方式。但大掺量下纤维存在团聚、分散性差等问题，造成较多纤维-磷石膏界面薄弱区域，削弱纤维桥接作用，增韧阻裂效果较为一般。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种免烧磷石膏低碳胶凝材料，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料按重量份数包括以下组分：磷石膏35～65份、粉煤灰20～50份、电石渣5～15份、钢渣1～5份、赤泥1～5份。本发明所述免烧磷石膏低碳胶凝材料通过实现了凝结时间长、抗折强度高、抗压强度达标的材料要求，有效解决了水泥初凝时间短、制备过程排放二氧化碳的问题，同时还消耗了大量工业矿业废弃物，节能环保。

2、本发明的目的之二在于提供一种免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将磷石膏、粉煤灰、电石渣、钢渣和赤泥混合后，进行研磨，得到所述免烧磷石膏低碳胶凝材料。本发明所述制备方法无需烧结，直接采用混合研磨的方式即可。

3、本发明的目的之二在于提供一种所述的免烧磷石膏低碳胶凝材料在制备混凝土制品中的应用。所述磷石膏胶凝材料应用于混凝土制品和道路工程,其特征在于由工矿业固废材料为主制备而成，性价比高；而且在使用时初凝时间长，适于长距离运输；且保障混凝土制品和道路工程的可操作性，具有适应性好、利于施工的特点。

4、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

5、第一方面，本发明提供一种免烧磷石膏低碳胶凝材料，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料按重量份数包括以下组分：磷石膏35～65份、粉煤灰20～50份、电石渣5～15份、钢渣1～5份、赤泥1～5份。

6、本发明所述免烧磷石膏低碳胶凝材料利用了地质聚合物的形成机理，通过化学激发的手段实现了胶凝材料的胶结，通过各组分的配合即配比优化，实现了凝结时间长、抗折强度高、抗压强度达标的材料要求，保障混凝土制品和道路工程的可操作性，具有适应性好、利于施工的特点，有效解决了水泥初凝时间短、制备过程排放二氧化碳的问题，同时还消耗了大量工业矿业废弃物，节能环保。

7、其中，粉煤灰优选为一级灰，其比表面积在550～600㎡/kg，粉煤灰中含有活性二氧化硅和氧化铝，在化学激发的作用下会生成地质聚合物，磷石膏的主要组成成分硫酸钙也是地质聚合物化学激发剂的一种，在胶结反应中具有激发作用。电石渣的主要成分以氧化钙为主，还有少量的氧化镁和氧化铝，在本材料中的作用主要是提高胶结性能，使得本胶凝材料在胶结时微膨胀，防止开裂。

8、其中，利用固体废弃物钢渣和赤粉作为本胶凝材料的增强剂和早强剂；其中，钢渣经粉磨后的比表面积为550～600㎡/kg，其主要成分为硅酸三钙和硅酸二钙，主要有增加材料强度的功效；而赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，因含有大量的氧化铁，所以有提高早期强度的作用。

9、在所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料中，磷石膏的含量为35～65份，例如可以是35份、36份、38份、40份、42份、44份、46份、48份、50份、52份、545份、56份、58份、60份、62份、64份、65份等。

10、在所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料中，粉煤灰的含量为20～50份，例如可以是20份、22份、24份、26份、28份、30份、32份、34份、36份、38份、40份等。

11、在所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料中，电石渣的含量为5～15份，例如可以是5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份等。

12、在所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料中，钢渣的含量为1～5份，例如可以是1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。

13、在所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料中，赤泥的含量为1～5份，例如可以是1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份、3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。

14、优选地，所述钢渣和赤泥的质量比为3:2。

15、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料按重量份数包括以下组分：磷石膏35～60份、粉煤灰25～50份、电石渣8～12份、钢渣2.5～3.5份、赤泥1.5～2.5份。

16、作为本发明一优选实施方案，当所述胶凝材料为高强型胶凝材料时，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料按重量份数包括以下组分：

17、磷石膏35份、粉煤灰50份、电石渣10份、钢渣3份、赤泥2份。

18、作为本发明一优选实施方案，当所述胶凝材料为普通型胶凝材料时，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料按重量份数包括以下组分：

19、磷石膏55份、粉煤灰30份、电石渣10份、钢渣3份、赤泥2份。

20、作为本发明一优选实施方案，当所述胶凝材料为经济型胶凝材料时，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料按重量份数包括以下组分：

21、磷石膏60份、粉煤灰25份、电石渣10份、钢渣3份、赤泥2份。

22、本发明提供了上述三种固废基磷石膏低碳胶凝材料，所述磷石膏胶凝材料应用于混凝土制品和道路工程，由工矿业固废材料为主制备而成，性价比高；而且在使用时初凝时间长，适于长距离运输。

23、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备原料还包括碱性外加剂。

24、优选地，所述碱性外加剂的添加量占所述磷石膏总质量的0.05～0.5％，例如可以是0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％、0.5％等。

25、优选地，所述碱性外加剂选自生石灰、碳酸盐或硅酸盐中的任意一种或至少两种的组合，优选为生石灰、碳酸盐和硅酸盐的组合。

26、优选地，所述碱性外加剂按重量份数计包括以下组分：生石灰30～40份、碳酸盐20～30份、硅酸盐30～40份。

27、在所述碱性外加剂中，生石灰的含量为30～40份，例如可以是30份、31份、32份、33份、34份、35份、36份、37份、38份、39份、40份等。

28、在所述碱性外加剂中，碳酸盐的含量为20～30份，例如可以是20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份、30份等。

29、在所述碱性外加剂中，硅酸盐的含量为30～40份，例如可以是30份、31份、32份、33份、34份、35份、36份、37份、38份、39份、40份等。

30、在本发明中，所述碱性外加剂优选由三种组成具有碱性的成分在特定比例下复配而成，其一，可更好地中和磷石膏的酸性杂质，为以后利用磷石膏做好预处理；其二，碳酸盐和硅酸盐可作为碱激发胶凝材料的激发剂，使得胶凝材料的胶凝性能得以提升；其三，复配外加剂的添加可大大缩短凝结时间，抵消石膏的缓凝作用。同时也因为有了外加剂，使得本胶凝材料的强度得以达到理想状态。

31、优选地，所述碳酸盐选自碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐，优选为碳酸钠、碳酸钾、碳酸镁或碳酸钙中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为碳酸钠。

32、优选地，所述硅酸盐选自碱金属硅酸盐和/或碱土金属硅酸盐，优选为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂或硅酸钙中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为硅酸钠。

33、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的初凝时间为5～8h，例如可以是5h、5.2h、5.4h、5.6h、5.8h、6h、6.2h、6.4h、6.6h、6.8h、7h、7.2h、7.4h、7.6h、7.8h、8h等。

34、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的终凝时间为10～14h，例如可以是10h、10.2h、10.4h、10.6h、10.8h、11h、11.2h、11.4h、11.6h、11.8h、12h、12.2h、12.4h、12.6h、12.6h、12.8h、13h、13.2h、13.4h、13.6h、13.8h、14h等。

35、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的3天抗折强度为1.2mpa以上，例如可以是1.2mpa、1.25mpa、1.3mpa、1.35mpa、1.4mpa、1.45mpa、1.5mpa、1.6mpa、1.7mpa、1.8mpa等。

36、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的3天抗压强度为3.8mpa以上，例如可以是3.8mpa、3.85mpa、3.9mpa、3.95mpa、4.0mpa、4.05mpa、4.1mpa、4.15mpa、4.2mpa、4.25mpa、4.3mpa、4.4mpa、4.5mpa等。

37、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的7天抗折强度为2.8mpa以上，例如可以是2.8mpa、2.85mpa、2.9mpa、2.95mpa、3.0mpa、3.05mpa、3.1mpa、3.2mpa、3.3mpa、3.4mpa、3.5mpa、3.6mpa、3.7mpa、3.8mpa、3.9mpa、4.0mpa、4.1mpa、4.2mpa、4.3mpa、4.4mpa、4.5mpa等。

38、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的7天抗压强度为9mpa以上，例如可以是9mpa、9.2mpa、9.5mpa、10mpa、10.5mpa、11mpa、11.5mpa、12mpa、12.5mpa、13mpa、13.5mpa、14mpa、14.5mpa、15mpa、15.5mpa、16mpa、16.5mpa、17mpa、17.5mpa、18mpa等。

39、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的28天抗折强度为6mpa以上，例如可以是6mpa、6.2mpa、6.4mpa、6.6mpa、6.8mpa、7mpa、7.2mpa、7.4mpa、7.6mpa、7.8mpa、8mpa、8.2mpa、8.4mpa、8.6mpa、8.8mpa、9mpa、9mpa、9.4mpa、9.6mpa、9.8mpa、10mpa等。

40、优选地，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的28天抗压强度为28mpa以上，例如可以是28mpa、29mpa、30mpa、31mpa、32mpa、33mpa、34mpa、35mpa、36mpa、38mpa、40mpa、42mpa、44mpa、46mpa、48mpa、50mpa、52mpa、54mpa、56mpa、58mpa、60mpa等。

41、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

42、将磷石膏、粉煤灰、电石渣、钢渣和赤泥混合后，进行研磨，得到所述免烧磷石膏低碳胶凝材料。

43、优选地，所述研磨的方式为采用球磨机进行粉磨。

44、优选地，所述研磨的速度为20～35r/min，例如可以是20r/min、22r/min、24r/min、26r/min、28r/min、30r/min、32r/min、34r/min、35r/min等，研磨的时间为35～45min，例如可以是35min、36min、38min、40min、42min、45min等。

45、优选地，所述磷石膏在混合前，还需与碱性外加剂进行混合。

46、优选地，所述研磨完成后还需进行收尘处理。

47、作为本发明一优选实施方式，所述免烧磷石膏低碳胶凝材料的制备方法，具体包括以下步骤：

48、s1、向磷石膏中添加的0.05～0.5wt％的碱性外加剂，混合均匀；

49、s2、按照配比称取石膏、粉煤灰、电石渣、钢渣和赤泥，进行混合，得到配制好的混合原料；

50、s3、将上述配制好的混合原料采用球磨机进行粉磨，得到所述免烧磷石膏低碳胶凝材料。

51、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

52、(1)本发明所述免烧磷石膏低碳胶凝材料利用了地质聚合物的形成机理，通过化学激发的手段实现了胶凝材料的胶结，通过各组分的配合即配比优化，实现了凝结时间长、抗折强度高、抗压强度达标的材料要求；

53、(2)本发明所述免烧磷石膏低碳胶凝材料保障混凝土制品和道路工程的可操作性，具有适应性好、利于施工的特点；

54、(3)本发明所述免烧磷石膏低碳胶凝材料有效解决了水泥初凝时间短、制备过程排放二氧化碳的问题，同时还消耗了大量工业矿业废弃物，节能环保。