磷石膏复合胶凝材料力学性能与微观特性研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0413

摘要/Abstract

摘要：

磷石膏堆存量巨大且含有大量硫酸盐、磷、氟、重金属等有害物质，若处置不当将会对环境造成严重危害。为解决此问题，利用磷石膏中含有CaSO₄·2H₂O的特点，采用矿渣、Ca（OH）₂、Na₂SO₄等材料协同制备磷石膏复合胶凝材料，并系统研究其力学性能、水化机理、微观结构及浸出毒性特征。研究结果表明：磷石膏复合胶凝材料的抗压强度随Ca（OH）₂掺量的增加呈先减后增趋势，随磷石膏掺量的增加则呈先增后减趋势，最优配合比确定为67%矿渣、30%磷石膏、3% Ca（OH）₂及外掺3% Na₂SO₄，在此配合比下，材料3、7、28 d的抗压强度分别达到4.12、25.21、37.45 MPa；Ca（OH）₂掺量的增加能够加速磷石膏分解释放SO₄^2-与Ca²⁺，同时促进矿渣中硅氧四面体和铝氧四面体的分解，这些成分通过水化反应形成大量钙矾石和C-（A）-S-H凝胶，且相互交织构成致密的网络结构。在浸出毒性方面，磷石膏中F^-、PO₄^3-的质量浓度分别为148.23、298.24 mg/L，而制备的胶凝材料中F^-、PO₄^3-的质量浓度分别下降至2.34~4.32 mg/L和0.05~0.18 mg/L。此外，胶凝材料中的所有污染物指标均满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》的要求。

关键词: 磷石膏, 胶凝材料, 力学性能, 水化机理, 浸出毒性

Abstract:

The large stockpiles of phosphogypsum，which contain a large amount of sulfate，phosphorus，fluorine，heavy metals and other harmful substances，pose environmental risks if improperly managed.To address this issue，the CaSO₄·2H₂O content in phosphogypsum was leveraged，combined with slag，Ca（OH）₂，and Na₂SO₄，to prepare phosphogypsum composite cementitious materials. their mechanical properties，hydration mechanism，microstructure，and leaching toxicity were investigated.The results showed that the compressive strength of the phosphogypsum composite cementitious material was initially decreased then increased with the addition of Ca（OH）₂ and initially increased then decreased with the addition of phosphogypsum.The optimal mix ratio was 67% slag，30% phosphogypsum，3% Ca（OH）₂ and 3% Na₂SO₄，and the compressive strength of 3 d，7 d and 28 d could reach 4.12，25.21 and 37.45 MPa，respectively.Increasing the Ca（OH）₂ content accelerated the decomposition of phosphogypsum into SO₄²⁻ and Ca²⁺，which in turn promoted the breakdown of silicon-oxygen and aluminum⁃oxygen tetrahedra in the slag.These components then hydrated to form large amounts of ettringite and C-（A）-S-H gel，which interweaved to form a dense network structure.The concentrations of F^- and PO₄^3- in phosphogypsum leachate were 148.23 and 298.24 mg/L，respectively，while in the cementitious material，they were decreased to 2.34~4.32 mg/L and 0.05~0.18 mg/L，respectively.Additionally，all pollutants in the cementitious material met the GB 8978—1996 Integrated Wastewater Discharge Standard.

Key words: phosphogypsum, cementitious materials, mechanical properties, hydration mechanism, leaching toxicity

中图分类号:

X705

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图/表 8

图1

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成分	w（SiO₂）	w（SO₃）	w（CaO）	w（Fe₂O₃）	w（Al₂O₃）	w（Na₂O）	w（MgO）	w（P₂O₅）	w（其他）
磷石膏	4.87	39.02	52.20	1.25	0.88	0.26	0.17	0.86	0.49
矿渣	28.22	2.45	50.82	0.38	13.52	0.18	0.62	—	3.81

序号	w［Ca（OH）₂］/ %	w（硫酸钠）/%	w（磷石膏）/%	w（矿渣粉）/%	水胶比	胶砂比
A1	1	3	10	89	0.5	0.33
A2	2	3	10	88	0.5	0.33
A3	3	3	10	87	0.5	0.33
A4	1	3	30	69	0.5	0.33
A5	2	3	30	68	0.5	0.33
A6	3	3	30	67	0.5	0.33
A7	1	3	50	49	0.5	0.33
A8	2	3	50	48	0.5	0.33
A9	3	3	50	47	0.5	0.33

组别	浸出质量浓度/（mg·L^-1）
组别	F^-	PO₄^3-	Hg²⁺	Pb²⁺	Cd²⁺	Cu²⁺
原始磷石膏	148.23	298.24	0.015 00	0.013 0	0.006 0	0.586
A7	4.32	0.18	0.000 15	0.004 5	0.001 0	0.025
A8	3.12	0.06	0.000 08	0.004 1	0.001 1	0.024
A9	2.34	0.05	0.000 08	0.001 2	0.001 2	0.022
GB 8978—1996限值	10	0.5	0.05	1.0	0.1	0.5

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