一种工业固废磷石膏复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于建筑材料，特别涉及一种工业固废磷石膏复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、磷石膏是磷肥工业中生产磷酸时产生的废料，每生产1吨磷酸会排放大约5吨废渣。由于磷化工工业的快速发展，磷石膏废料产量也快速增长。磷石膏主要化学成分为caso4·2h2o，类似于天然石膏，然而由于磷石膏含有可溶性磷、氟、游离酸和其他杂质，随意排放会对环境造成严重污染，因此废渣采用堆放处理，不仅占用土地，而且磷石膏长期堆存会对生态环境造成影响。

2、现有技术将磷石膏应用于建筑材料时，需将磷石膏进行预处理，以去除杂质并降低磷石膏对环境的污染，磷石膏的传统预处理工艺包括：水洗法、煅烧法和中和法，水洗法是将磷石膏中的可溶性杂质经过水洗处理除去，如可溶性磷酸盐、氟以及游离的磷酸，但水洗除杂的能力有限，所以需要反复多次进行水洗处理，造成水资源浪费；同时水洗后需要将大量水分蒸干，处理成本高；另外水洗产生的废水容易造成水资源污染问题，因此难以大量推广应用。中和法是采用石灰中和处理磷石膏，其需要大量的石灰，一般需要10wt％的石灰才能有效降低可溶性磷含量，而石灰价格昂贵，所以中和法使企业的经济效益严重下降。

3、煅烧工艺能够使磷石膏转变成半水石膏粉，在使用过程中对环境的污染较小，同时不会影响水泥的凝结时间及强度，但是煅烧需要达到150℃～180℃的温度，并持续1h～2h，工艺能耗大，产量有限。

4、目前，公路路面基层应用的材料主要来源于碎石、砂砾和矿渣，这些材料的过度开采和提取对环境产生了较大的影响。因此开发一种既符合环保要求，又具有一定强度的新的公路基层材料是我们要解决的问题。

5、但是基于磷石膏无法直接使用、以及处理难度大的技术缺陷，现有技术无法将磷石膏直接进行应用以制备公路基层材料。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种工业固废磷石膏复合材料及其制备方法和应用，本发明以工业固废磷石膏为原料，通过与水泥、微硅粉、煤渣、酚醛树脂和水混合，然后造粒，再于120℃～140℃条件下煅烧1h～1.5h，得到工业固废磷石膏复合材料。与现有技术煅烧工艺相比，本发明能够在较低的煅烧温度和较短的煅烧时间下实现将工业固废磷石膏转变成半水石膏粉，且采用本发明方法获得的工业固废磷石膏复合材料硬度高、强度大、耐久性好，在解决现有公路路面基层材料对环境造成影响、以及磷石膏不环保技术缺陷的同时，实现将获得的工业固废磷石膏复合材料于公路基层中进行应用。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种工业固废磷石膏复合材料的制备方法，包括如下步骤：

4、将工业固废磷石膏、水泥、微硅粉、煤渣、酚醛树脂和水混合，经造粒、干燥，得到前驱体；以工业固废磷石膏为主要原料，以水泥、微硅粉、煤渣和酚醛树脂为改性剂，对工业固废磷石膏进行改性；水泥和微硅粉为胶凝剂，煤渣降低了将工业固废磷石膏转化为半水石膏粉的能耗，酚醛树脂提升了工业固废磷石膏复合材料的综合性能，并克服煤渣燃烧后产生的孔隙对工业固废磷石膏复合材料力学性能的影响；继而在实现将工业固废磷石膏转化为半水石膏粉caso4·0.5h2o进行应用时，获得硬度高、强度大和耐久性好的工业固废磷石膏复合材料。

5、将前驱体于120℃～140℃条件下加热1h～1.5h，得到工业固废磷石膏复合材料，现有技术将工业固废磷石膏转化为半水石膏粉的煅烧温度为150℃～180℃，由于本发明采用煤渣与工业固废磷石膏复配，在降低煅烧温度的同时，实现了工业固废磷石膏的转化；温度高于140℃会导致caso4·2h2o转化为无水的caso4，温度低于120℃会导致煅烧不完全，对环境造成污染。

6、优选的，工业固废磷石膏、水泥、微硅粉、酚醛树脂和煤渣的质量比为100：20～40：3～6：5～10：4～8，酚醛树脂的量高于煤渣的量，以通过采用酚醛树脂提升工业固废磷石膏复合材料的力学性能。

7、优选的，煤渣和酚醛树脂的粒径均为微米级，微米级粒径的煤渣和酚醛树脂不仅具有填充水泥空隙的作用，而且煤渣燃烧后产生多孔结构，便于气体溢出，提升工业固废磷石膏的转化效率。进一步的，酚醛树脂的粒径小于50μm，煤渣的粒径为50μm～100μm，微硅粉、酚醛树脂和煤渣形成粒径梯度，继而实现在水泥中的密实填充，提升工业固废磷石膏复合材料的强度。

8、优选的，工业固废磷石膏为磷肥工业中生产磷酸时产生的废料，主要化学成分为caso4·2h2o，工业固废磷石膏中caso4·2h2o的质量百分比为80％～98％，本发明对纯度很高的caso4·2h2o进行处理，能够实现caso4·2h2o的高效转化。

9、优选的，微硅粉选自埃肯940微硅粉，其平均粒径为0.1μm～0.15μm，微硅粉不仅具有填充水泥空隙的作用，而且参与水泥水化，所以粒径更小情况下，水泥与微硅粉混合更加均匀，并形成密实结构，在水泥水化后提升工业固废磷石膏复合材料的强度。

10、本发明还保护了上述制备方法制得的工业固废磷石膏复合材料。

11、优选的，工业固废磷石膏复合材料的粒径为5mm～20mm，低于5mm情况下，粒径太小，不便于作为公路基层材料进行应用；高于20mm情况下，颗粒之间容易发生滑移。

12、本发明还保护了上述工业固废磷石膏复合材料在制备公路基层材料中的应用。

13、优选的，应用方法为：以工业固废磷石膏复合材料为填料，得到公路基层材料。

14、优选的，应用方法为：以工业固废磷石膏复合材料为骨料，与混凝土原料经混合、养护，得到公路基层材料；混凝土原料包括减水剂、水，还包括添加剂，添加剂包括但不限于粉煤灰、硅灰、矿粉、高岭土。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

16、1、本发明以工业固废磷石膏、水泥、微硅粉、煤渣、酚醛树脂和水为原料，依次经混合、造粒，获得前驱体，再于120℃～140℃条件下加热1h～1.5h，获得工业固废磷石膏复合材料。前驱体中，以工业固废磷石膏为主要原料，以水泥、微硅粉、煤渣和酚醛树脂为改性剂，将煤渣与工业固废磷石膏复配后，煅烧时煤渣提供了燃烧位点，继而进行快速升温，快速实现将工业固废磷石膏转化为半水石膏粉，但是在煤渣燃烧时会随着气体的释放形成孔隙，孔隙影响了工业固废磷石膏复合材料的力学性能，基于此还采用酚醛树脂进行了复配，酚醛树脂高温会发生交联固化反应，固化过程中进行聚合，酚醛树脂分子之间形成化学键，继而形成三维网络结构，形成的三维网络结构有效克服了孔隙带来的强度减弱问题。

17、另外，本发明还采用了水泥和微硅粉与工业固废磷石膏复配，以实现将工业固废磷石膏复合材料于公路基层中进行应用。在造粒干燥的过程中，水泥进行了水化反应，此时微硅粉能够参与水泥的水化反应，形成更致密的水泥基体，从而提高工业固废磷石膏复合材料的抗压强度和抗折强度。另外，由于微硅粉的微细颗粒能够填补水泥颗粒之间的空隙，减少了工业固废磷石膏复合材料的毛细孔洞，增强整体强度。

18、综上，本发明以工业固废磷石膏、水泥、微硅粉、煤渣、酚醛树脂和水为原料，在相对低温下实现了工业固废磷石膏的转化，同时从原料选择上进行考量，并结合高温下发生的反应，获得一种硬度高、强度大、耐久性好的工业固废磷石膏复合材料，并将其作为公路基层材料进行应用。

19、采用本发明制备方法获得的工业固废磷石膏复合材料能够直接替换现有技术的碎石、砂砾和矿渣，作为公路路面基层材料进行应用，克服了碎石、砂砾和矿渣过度开采和提取对环境造成影响的问题；另外，工业固废磷石膏复合材料中，实现将工业固废磷石膏转化为半水石膏粉caso4·0.5h2o，半水石膏粉在使用过程中对环境的污染小，克服了磷石膏使用不环保的问题。

20、2、本发明于120℃～140℃条件下煅烧，将磷石膏转变成半水石膏粉，干燥的半水石膏粉硬化性较强，具有良好的抗压强度；在煅烧后，实现水泥与半水石膏粉的复配，半水石膏粉能够提高水泥的强度和耐久性，继而提升了工业固废磷石膏复合材料的力学性能，同时实现了对工业废弃物工业固废磷石膏的二次应用。

21、3、本发明于120℃～140℃条件下煅烧，此时水泥可能会发生一定的物理和化学变化，但水泥的主要成分为硅酸钙和铝酸钙，在120℃～140℃的煅烧温度下保持稳定，这种物理和化学变化通常不会导致水泥的主要化学结构发生显著变化，不会发生重大的化学反应或结构变化，保证了工业固废磷石膏复合材料的结构稳定性。

22、4、本发明中微硅粉和煤渣常被视为工业废弃物，所以在实现工业固废磷石膏处理的同时，实现了工业废弃物的二次利用，并将工业固废磷石膏转变成能够作为公路基层材料应用的新材料。