摘 要

工业固体废弃物的资源化利用，不仅符合循环经济的理念，还能为节能减排提供一条可持续发展的途径。本文以工业固体废弃物磷石膏和矿渣为主要原料，制备出了过硫磷石膏矿渣水泥，为实现用工业废弃物制备高性能胶凝材料提供理论依据和技术支撑，进一步推动绿色环保材料的研究、开发和应用。

过硫磷石膏矿渣水泥是以磷石膏和矿渣为主要原料的水硬性胶凝材料，具有较高的强度、耐水性以及抗硫酸盐侵蚀性和体积稳定性。但该水泥还存在抗碳化性能差、表面易起砂等缺点。本文通过对过硫磷石膏矿渣水泥碳化前后的微观结构分析，深入研究了其碳化机理，并对影响因素作出了分析。并且通过研究发现，在过硫磷石膏矿渣水泥中添加某些外加剂或者改变养护条件可以提高其抗碳化性能。本实验采用45%的磷石膏与51%的矿渣复合，用 4%的P.O42.5水泥作为碱性激发剂，并添加不同种类的外加剂，如减水剂、氢氧化镁和偏高岭土等，对试样进行28天标准养护后再进行标准碳化处理，检测每组过硫磷石膏矿渣水泥的碳化侵蚀程度。从而找出提高过硫磷石膏矿渣水泥抗碳化性能的有效措施。

关键词：过硫磷石膏矿渣水泥，碳化，机理，影响因素，外加剂

Abstract

Resource utilization of industrial solid waste is not only beneficial to the recycle economy ,but also provide approaches to sustainable development for energy saving and emission reduction. In this paper, solid waste phosphogypsum and slag are used to prepare the persulfur phosphogypsum slag cement, offering the theoretical basis and technical support for preparation of high performance cementing material with industrial solid waste, and finally promoting the research, exploitation and application on the green environmental protection cementing material．

The persulfur phosphogypsum slag cement is a sort of hydraulic binder composed of phosphogypsum (PG)and slag , has high strength ,water and sulfate resistance and volume stability. But there is some defects in the cement such as low carbonation resistance and sand suface. Carbonation mechanism and influence factors of persulfur phosphogypsum slag cement have been extensively studied by microstructural analysis before and after carbonation. The study found that the addition of certain additives in the persulfur phosphogypsum slag cement or changing curing conditions can improve its carbonation resistance. In this experiment, I made persulfur phosphogypsum slag cement with 45% PG , 35%slag and different types of additives, such as water-reducing agent, magnesium hydroxide and the like metakaolin. The sample was treated with standard carbide after 28 days standard curing. Finally ,I detected the degree of erosion carbonation of each sample and found effective measures to improve carbonation resistance of the persulfur phosphogypsum slag cement.

Keywords: Persulfur phosphogypsum slag cement, carbonation, mechanism, influencing factors, admixtures.

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究目的、研究内容与技术路线 4

1.3.1研究目的 4

1.3.2研究内容 4

1.3.3技术路线 4

第2章 原材料和试验方法 6

2.1原材料及其性质 6

2.1.1磷石膏 6

2.1.2矿渣粉 6

2.1.3硅酸盐水泥 6

2.1.4偏高岭土 6

2.1.5普通河砂 7

2.1.6减水剂 7

2.1.7外加剂 7

2.2试样制备 7

2.2.1设计配比 7

2.2.2搅拌 7

2.2.3成型 8

2.2.4 养护 8

2.3实验方法 8

2.3.1碳化 8

2.3.2 XRD物相分析 9

第3章 过硫磷石膏矿渣水泥体系的碳化机理 10

3.1普通水泥的碳化机理 10

3.2 微观分析过硫磷石膏矿渣水泥碳化机理 10

第4章 影响过硫磷石膏矿渣水泥碳化的因素 12

4.1水灰比 12

4.2 过硫磷石膏矿渣水泥的组分 12

4.3外加剂 12

4.4施工质量 13

4.5环境因素 13

第5章 提高抗碳化性能的措施 14

5.1向水泥中引入外加剂 14

5.1.1通过添加减水剂提高过硫磷石膏矿渣水泥的抗碳化性 15

5.1.2掺加Mg(OH)₂提高过硫磷石膏矿渣水泥的抗碳化性 15

5.1.3掺加偏高岭土提高过硫磷石膏矿渣水泥抗碳化性 17

5.2饱和石灰水养护条件下的抗碳化性能 17

5.3本章小结 18

第6章 经济性和实用性评价 19

第7章 结论 20

致谢 21

参考文献 22

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

水泥基材料是一种非常普遍的建筑材料，被广泛应用于农业、工业、国防、水利、交通、城市建设以及海洋开发等。水泥和混凝土制品在替代钢材木材等方面越来越显现出技术和经济上的优势，可以预测水泥基建材在今后几十年甚至上百年时间内仍将发挥重要作用^[1-2]。传统的硅酸盐水泥在生产过程中不仅消耗大量的粘土、石灰石、煤等不可再生资源，还向空气中排放大量的CO₂、SO₂和NOx等废气和粉尘，对环境造成严重的污染。据资料显示，我国CO₂排放量在2009年达到了67.2亿吨，跃居世界首位，人均CO₂排放量和单位国民生产总值碳排放量均高于世界平均水平。水泥工业的碳排放量占人类活动碳排放量的5%~10%，而在我国则占15%以上^[3]。我国在2013年提出了产业结构调整计划，指出水泥产业作为严重产能过剩和高污染高能耗的行业，必须加快产业结构调整步伐，落实节能减排工作。近年来国内外水泥行业越来越重视节能环保、废物利用以及资源二次开发与应用。用工业废弃物生产水泥，可以减少水泥熟料的用量、降低能耗，降低 CO₂排放。这种利用废弃物生产水泥的措施是资源有效利用的重要环节之一，大大减轻了废弃物的处理负担，节省了能源和资源，达到与环境共赢的目标，是今后水泥生产技术的发展方向^[4]。未来水泥工业将进一步朝着低碳方向发展，大量利用工业废渣，充分发挥出各种废渣的潜能，生产低熟料或者无熟料水泥，大力开发研制环保型绿色胶凝材料来替代普通硅酸盐水泥。

磷石膏是湿法生产磷酸过程中的副产品，其主要成分为CaSO₄·nH₂O，含有少量的可溶性P₂O₅ 和F^-。工业上每生产1t磷酸大约产出4.5~5t磷石膏^[5]。近年来随着复合肥工业的迅猛发展，我国磷石膏的排放量超过5000万t/年，居世界第三。磷石膏中含有较多的磷、氟等有害杂质，如果任意排放会对环境造成污染。筑坝堆存费用高，而且长期堆积还会引起地表水及地下水污染。因此磷石膏的处理成为环保方面的一个难题。国家“十二五”规划纲要指出，大宗工业固体废弃物的综合利用是今后国家政策支持的方向。《大宗固体废物综合利用实施方案》中明确指出了磷石膏的应用方向应当是以充填结构、制备水泥缓凝剂和制备建筑材料为主。目前磷石膏在工业上主要是用来制造硫酸联产水泥，在建筑领域主要用来生产水泥等胶凝材料，在农业上可以用作饲料和土壤改良剂等。