一种利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料的方法

本发明涉及无机材料，尤其涉及一种利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料的方法。

背景技术：

1、磷酸作为工业产品在多种领域有着大量的需求，而湿法制磷酸的过程中会产生大量的固体废弃物磷石膏。磷石膏的主要组成为水合硫酸钙，多数磷石膏的固含量中的水合磷酸钙含量大于90％，除此之外还有少量的磷矿石反应后的副产物二氧化硅，反应过程中残留的氟化物、有机质、磷酸和未反应的磷矿石。这些除水合硫酸钙以外的成分使磷石膏的危害性大大提升，可利用性显著下降。目前每年会产出8000万吨左右的磷石膏，总堆放量已经超过4亿吨，大规模资源化利用磷石膏已经成为急需解决的重大环境问题。

2、使用磷石膏制备建筑材料是大规模消纳磷石膏的可靠路径，目前使用磷石膏生产水泥虽然有较为成熟的技术，但还是面临着重重难题。其中最为难以解决的难题为磷石膏的硫元素在熟料的矿相中会抑制硅酸三钙(c3s)矿相的生成，最终导致水泥熟料的品质显著降低，所以现有技术对磷石膏的脱硫率的要求极高，目前的技术为提高预分解温度，或通过改造现有生产线设置双气氛分解炉，最终实现较高的脱硫率，但以上技术路线能耗极高，碳排放较大与现有国家的“双碳”战略相悖，并且需要改造现有设备与生产线，具有较高的成本且难以实现。而低钙固碳胶凝材料在生产过程中由于其钙硅比较低，所以碳排放较低，同时其能通过固结二氧化碳来获得机械强度，是一种良好的环境友好型的建筑材料。如果能利用磷石膏生产低钙固碳胶凝材料则能同时实现磷石膏的大规模资源化利用和建材工业的“碳中和”。所以亟需开发一种利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料时能耗低且低钙固碳胶凝材料具有优异机械性能的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料的方法，本发明提供的方法所需的分解温度较低，所需能耗低，且制备的低钙固碳胶凝材料具有优异的抗压强度和抗折强度。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料的方法，包括以下步骤：

4、(1)将磷石膏、钙质原材料、硅质原材料、铁铝矫正料和碳质原材料混合后得到混合生料；

5、(2)将所述步骤(1)得到的混合生料依次进行预热、预分解、烧成和粉磨，得到低钙固碳胶凝材料。

6、优选地，所述步骤(1)中钙质原材料包括石灰石、熟石灰和电石渣中的一种或几种，硅质原材料包括砂岩、页岩、硅石、粘土和石英粉中的一种或几种，铁铝矫正料包括铁粉、铝矾土和赤泥中的一种或几种，碳质原材料包括煤粉和焦炭粉中的一种或几种。

7、优选地，所述步骤(1)中钙质原材料与磷石膏的质量比<0.5，磷石膏和钙质原材料中总的cao与硅质原材料中sio2的摩尔比为1.4～1.8，铁铝矫正料中al2o3和fe2o3的总和占混合生料经烧失和除so3后组分的2％～10wt.％，碳质原材料中的c与混合生料中so3的摩尔比<2.0。

8、优选地，所述步骤(1)中混合生料的平均粒径<100μm。

9、优选地，所述步骤(2)中预热的温度≥750℃。

10、优选地，所述步骤(2)中预分解的温度为750～1000℃。

11、优选地，所述步骤(2)中烧成的温度为1150～1350℃，烧成的时间为0.5～2h。

12、优选地，所述步骤(3)中低钙固碳胶凝材料的平均粒径<150μm。

13、本发明提供了上述技术方案所述方法制备得到的低钙固碳胶凝材料。

14、优选地，按质量百分比计，所述低钙固碳胶凝材料的组成包括：c3s2>40％，c5s2$<40％，c2as<15％。

15、本发明提供了一种利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料的方法，包括以下步骤：(1)将磷石膏、钙质原材料、硅质原材料、铁铝矫正料和碳质原材料混合后得到混合生料；(2)将所述步骤(1)得到的混合生料依次进行预热、预分解、烧成和粉磨，得到低钙固碳胶凝材料。本发明一方面通过合理的生料配置使未分解的caso4在烧成过程中形成c5s2$矿相，该矿物相具有一定的水化活性且不影响最终固碳胶凝材料的碳化性能，另一方面控制原料使低钙固碳胶凝材料的矿相组成中可碳化组分c3s2和c2s在形成过程中不受caso4分解带来的so3的影响，从而大幅度降低了对磷石膏中caso4的分解率要求，使分解温度更低，分解能耗降低，节约了生产成本；制备工艺流程简单，与普通硅酸盐水泥工业化生产流程匹配度高，只需对分解炉进行气氛控制改装即可使用普通硅酸盐水泥工业化设备进行生产，无需改造现有设备与生产线，节省了生产成本，能实现固废磷石膏的大规模资源化利用，且由于钙硅摩尔比显著低于普通硅酸盐水泥所以能显著降低固碳胶凝材料生产过程中石灰石的用量，从而大幅度降低生产过程中的二氧化碳排放，具有极高的环境价值；制备的低钙固碳胶凝材料通过碳化养护后具有较好的力学性能，在结构工程邻域有着广阔的应用前景。实施例的结果显示，本发明提供的低钙固碳胶凝材料通过碳化养护2h后抗压强度≥45mpa，抗折强度≥11mpa，碳化养护24h后抗压强度≥77mpa，抗折强度≥19mpa。

技术特征：

1.一种利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中钙质原材料包括石灰石、熟石灰和电石渣中的一种或几种，硅质原材料包括砂岩、页岩、硅石、粘土和石英粉中的一种或几种，铁铝矫正料包括铁粉、铝矾土和赤泥中的一种或几种，碳质原材料包括煤粉和焦炭粉中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中钙质原材料与磷石膏的质量比<0.5，磷石膏和钙质原材料中总的cao与硅质原材料中sio2的摩尔比为1.4～1.8，铁铝矫正料中al2o3和fe2o3的总和占混合生料经烧失和除so3后组分的2％～10wt.％，碳质原材料中的c与混合生料中so3的摩尔比<2.0。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中混合生料的平均粒径<100μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中预热的温度≥750℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中预分解的温度为750～1000℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中烧成的温度为1150～1350℃，烧成的时间为0.5～2h。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中低钙固碳胶凝材料的平均粒径<150μm。

9.权利要求1～8任意一项所述方法制备得到的低钙固碳胶凝材料。

10.根据权利要求9所述的低钙固碳胶凝材料，其特征在于，按质量百分比计，所述低钙固碳胶凝材料的组成包括：c3s2>40％，c5s2$<40％，c2as<15％。

技术总结
本发明提供了一种利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料的方法，属于无机材料技术领域。本发明提供的利用磷石膏制备低钙固碳胶凝材料的方法，包括以下步骤：(1)将磷石膏、钙质原材料、硅质原材料、铁铝矫正料和碳质原材料混合后得到混合生料；(2)将所述步骤(1)得到的混合生料依次进行预热、预分解、烧成和粉磨，得到低钙固碳胶凝材料。实施例的结果显示，本发明提供的低钙固碳胶凝材料通过碳化养护2h后抗压强度≥45MPa，碳化养护24h后抗压强度≥77MPa，碳化养护2h后抗折强度≥11MPa，碳化养护24h后抗折强度≥19MPa。

技术研发人员：刘志超,王发洲,吕璨宇,叶家军
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13