摘 要

本课题主要设计了10%、20%、30%、40%的磷渣掺量的路面基层材料，通过对不同磷渣掺量的水泥净浆的标准稠度和凝结时间进行测定，对不同磷渣掺量路面基层材料的抗折与抗压强度以及水化程度测试，探究磷渣掺量与强度形成的规律；设计磷渣路面基层碳化试样的不同配比，测试其不同龄期的强度，得出磷渣-磷石膏-水泥最佳配比。采用XRD、SEM测试技术对不同配比的磷渣-水泥体系路面基层材料进行物相、表面形貌显微分析，探究磷渣路面基层材料强度形成的机理。

结果表明：掺加了磷渣掺量的水泥净浆，其凝结时间会被延长，当掺加的磷渣掺量越多，其凝结时间越长。随着磷渣掺量的增加，磷渣-水泥体系材料在水化过程中形成的抗压强度呈下降趋势，并且磷渣掺量的引入主要影响磷渣-水泥体系材料的早期强度，在后期强度方面影响不大。在磷渣和磷石膏共同作用下，磷渣延缓水泥的水化，而一定掺量的磷石膏能加速水泥的水化，通过测试其其最佳配比为：60%水泥、30%磷渣、10%磷石膏，其21d水化浆体的抗压强度可达85.0MPa；其21d固化体碳化的抗压强度可达43.5MPa。

关键词：磷渣；磷石膏；路面基层；水化机理；强度;

Abstract

This project mainly designed pavement base materials with 10%, 20%, 30%, and 40% phosphorous slag content. The standard consistency and setting time of cement paste with different phosphorus slag content were measured. The flexural compressive strength and hydration degree of different phosphorus slag cement pavement base materials were measured to obtain the rules of the formation of phosphorus slag addition amount and strength; Phosphorus slag pavement base layer carbonization samples of different ratios, the phosphorus slag - phosphogypsum - cement optimum ratio, by testing the compressive strength of different ages. XRD and SEM testing techniques were used to analyze the phase and surface morphology of pavement base materials with different ratios of phosphorus slag-cement system to explore the mechanism of the strength of the base material of phosphorus slag pavement.

The results show that the cement paste with the addition of phosphorus slag has a longer setting time. The more the amount of added phosphorus slag, the longer the time of setting. With the increase of the amount of phosphorus slag, the compressive strength of phosphorus slag-cement system materials in the hydration process showed a downward trend. The introduction of phosphorus slag has a great influence on the early strength of phosphorus slag-cement system materials, but there is little impact on its subsequent strength. Under the combined action of phosphorus slag and phosphogypsum, phosphorus slag can retard the hydration of cement, and a certain amount of phosphogypsum can accelerate the hydration of cement. The optimum ratio of the test is: 60% cement, 30% phosphorous slag, 10% phosphogypsum，the compressive strength of its 21d hydration slurry can reach 85.0 MPa; the compressive strength of its 21d cured carbide can reach 43.5 MPa.

Key words: phosphorus slag; phosphogypsum; pavement base layer; hydration mechanism; strength;

目 录

摘 要II

AbstractIII

第1章 绪论1

1.1 研究背景与意义1

1.2 磷渣的国内外现状1

1.3 研究的主要目标2

第2章 实验原料、仪器及结构性能表征方法4

2.1 实验原料4

2.2 实验仪器与设备5

2.3结构与性能表征方法6

2.3.1 水泥标准稠度、凝结时间的测定6

2.3.2 水泥强度的检验7

2.3.3 水泥水化程度的测定8

2.3.4 水泥的抗碳化性能测定9

2.3.5 X射线衍射分析（XRD）9

2.3.6 扫描电子显微镜分析（SEM）9

第3章 磷渣-水泥体系水化过程的研究10

3.1 磷渣-水泥体系的标准稠度及凝结时间10

3.1.1 配方组成设计及测试结果10

3.1.2 不同磷渣掺量的磷渣-水泥体系的XRD分析11

3.1.3 不同磷渣掺量的磷渣-水泥体系的SEM分析12

3.2 不同水灰比对磷渣-水泥体系强度的影响13

3.2.1 不同水灰比的磷渣-水泥体系配方设计及样品制备13

3.2.2 不同水灰比的磷渣-水泥体系强度测试结果13

3.2.3 磷渣-水泥体系材料的水化程度测试17

3.3 磷渣-水泥胶砂体系的研究18

3.3.1 磷渣-水泥胶砂体系配方设计及样品制备18

3.3.2 磷渣-水泥胶砂体系强度测试结果19

3.4 磷渣-水泥体系水化过程的XRD与SEM分析20

第4章 磷渣-水泥体系碳化过程的研究24

4.1 磷渣-水泥体系浆体碳化的研究24

4.1.1 磷渣-水泥体系浆体的配方设计24

4.1.2 磷渣-水泥体系碳化浆体的强度测试24

4.2磷渣-水泥体系固化体碳化的研究25

4.2.1 磷渣-水泥体系固化体的配方设计25

4.2.2 磷渣-水泥体系固化体的强度26

4.2.3 磷渣-水泥体系固化体的XRD与SEM分析27

第5章 结论与展望30

5.1 结论30

5.2 展望30

参考文献31

致谢32

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

随着经济的不断发展，现代化建设的进程的不断推进，资源的循环利用和环境的生态可持续发展日渐成为社会的焦点话题。在我国，工业废渣已经成为最大的环境和生态问题，如果不能对其进行妥善处理，就会成为社会环境和生态建设的弊病。废物资源再利用，把废物转化为财富是解决废物处置问题的最佳途径。

磷渣是工业上采用电热法生产黄磷时排放的一种固体工业废渣，其熔点较低且具有一定的潜在活性，磷渣的颜色一般为黄白色或灰白色，当磷渣中磷含量较高时，磷渣将会变为灰黑色。我国的黄磷工业兴起于1942年，工业上每生产1吨黄磷，大约产生8-10吨磷渣。随着经济现代化建设进程的不断推进，我国早已成为了世界上第一大黄磷生产和出口国家^[1-2]。而我国的黄磷生产厂家主要集中在云南,于是云南成为了我国第一大黄磷生产基地，近年来，云南黄磷就达到了十分惊人的产量 ^[3]。由于每年黄磷产量的巨大，各个厂家对其工业废渣都采取就地堆放的处理方式，所以我国每年对黄磷工业副产品—磷渣的处理都显得十分棘手，唯一的办法就是将其废物利用。同时磷渣由于含有较多的磷和氟元素，所以其长时间大面积的堆放会在空气水分的溶解作用之下流入土壤之中，会对土壤造成严重的污染^[4-5]。因此对磷渣进行资源再利用，不仅能减少磷渣堆放所占用的土地面积，而且让土地免受磷渣中有毒元素的污染以及减少对生态和环境造成的不良影响。我国对磷渣的开发利用和研究还处于比较落后的阶段，磷渣应用的领域还比较片面，因此对磷渣的性能和开发应用亟待研究与探索。

1.2 磷渣的国内外研究现状

目前，国内磷渣的主要应用体现在水泥工业中^[6-7]，磷渣的用途可作为原料用来煅烧水泥熟料，由于磷渣中的氧化钙和二氧化硅的含量非常高，可以代替部分石灰石和粘土在水泥原料提供氧化钙和二氧化硅的成分，而且磷渣中氧化钙和二氧化硅主要是以亚稳状态的玻璃体形式存在，表观活化能比较低，可以加速固相反应，降低固相反应的反应温度，对水泥熟料的烧结是十分有利的。在水泥熟料的煅烧过程中，因为磷渣中含有五氧化二磷和氟，所以磷渣在水泥生料中起到矿化剂的作用。陆小黑^[8]通过掺加磷渣掺量到水泥熟料中制备磷渣水泥的试验发现，在水泥的煅烧过程中加入适量磷渣可以改善水泥生料的易烧性，促进熟料矿物形成，降低烧成热耗，并提高熟料强度。同时，陈丹^[9]通过采用磷渣为原料烧制优质水泥熟料实验得出：利用高掺量磷渣配料可以明显改善水泥生料的易烧性,磷渣配料提高了水泥熟料的石灰饱和系数和硅率，加快熟料矿物的形成, 降低游离氧化钙的含量, 所以磷渣配料的水泥熟料早期强度较高。但是当磷渣含量较多时，磷渣中五氧化二磷会使铝酸三钙分解形成一系列固溶体，从而降低熟料的强度。同时我国还将磷渣应用于建筑材料之中，因为磷渣中含有大量的氧化钙，所以可以作为釉料应用于陶瓷工业中。磷渣在陶瓷原料的烧结过程中主要起到助熔的作用，而且磷渣作为釉料生产出来的陶瓷产品具有吸湿膨胀小的特点，能大大的提高生产出来的陶瓷产品的质量。磷渣还可以代替部分粘土生产烧结砖，曹建新^[10]通过对磷渣部分替代粘土或页岩生产磷渣烧结砖进行研究发现，用磷渣来进行粘土砖的烧结制备可以增加砖胚的强度，其主要原因是磷渣中的五氧化二磷和氟化物在粘土砖的烧结过程中形成了使砖体强度提高的玻璃相物质。并且在坯料中掺入磷渣后,能够大大改善砖坯的工艺性能,其烧成温度比一般烧结普通砖约低 100 ℃。除此之外，磷渣还可作为水泥混合材^[11-13]，侍昆^[14]通过将磷渣作水泥混合材生产复合水泥的研究发现，磷渣掺量的引入不利于水泥的凝结和硬化，磷渣掺量使水泥的凝结硬化时间变长，形成的早期抗折抗压强度较低，从而导致掺加磷渣水泥无法能够正常的使用。但磷渣作为掺合料应用在混凝土工程之中，可提高混凝土的某些性能。李昕成^[15]通过对磷渣应用于混凝土的研究和测试发现，由掺加胶凝材料总量15%的磷渣混合拌制而得到的混凝土，在早期抗压强度方面，掺加磷渣的混凝土强度低于100%水泥混凝土，在后期抗压强度方面，两者并没有存在着太大的差异，其试验充分证明了利用磷渣配制的混凝土完全满足生产应用要求。除了在水泥方面，磷渣还在其他领域得到了应用。在农业方面，对于比较贫瘠的地区，人们将其作为硅肥来提高农作物的产量；在新型材料方面，磷渣可以用于制备硅酸钙纤维，即制作保温纤维、耐火纤维，其性能非常的良好，被使用于各种商业建筑之中。国外主要针对磷渣的性质做了相关的探索和研究^[16-19]，分析磷渣的组成以及各组分含量，通过相应的技术手段将磷渣中的稀土金属进行回收和利用，同时也对磷渣运用到微晶玻璃中相变等过程进行研究分析，为其在玻璃工业的应用提供了技术支持。当然，磷渣也在国外的许多大型工程项目中得到了应用，比如磷渣被用于大型道路、桥梁建设以及港口码头等建筑之中。

本论文初步设计了磷渣路面基层材料的不同配制方案。研究磷渣掺量、水泥含量组成对于上述基层材料的强度影响，探究不同磷渣掺量和磷石膏掺量对磷渣路面基层材料强度的影响规律；同时探讨水泥-磷渣体系水化过程，研究水泥-磷渣体系碳化过程与强度的形成机理。从而推动磷渣作为水泥掺合料的广泛应用，促进磷渣水泥的技术发展，提高国内对磷渣的利用率，加速国民经济的增长。

1.3研究的主要目标

1.设计工业磷渣路面基层材料的复合配制方案；

2.研究磷渣掺量、磷石膏掺量、水泥比例对上述基础材料强度的影响，并提出了最佳配比；

3.研究水泥-磷渣体系水化过程与强度的关系；

4.研究水泥-磷渣体系碳化过程与强度的形成机理。

第2章 实验原料、仪器及结构性能表征方法

本章主要对制备磷渣路面基层材料的原料、制备过程中使用的仪器与设备，课题研究中所涉及到的结构和性能表征方法进行介绍。论文涉及到原料有硅酸盐水泥、磷渣粉、磷石膏，结构与性能表征方法有试样的抗压抗折强度测试、试样断面的X射线衍射分析（XRD）、试样化学结合水量分析、扫描电子显微镜（SEM）表面形貌分析等。

2.1实验原料

本论文主要的原料有42.5硅酸盐水泥、磷石膏、磷渣粉等，其化学组成如表2.1、表2.2、表2.3所示。

表2.1 42.5硅酸盐水泥的化学成分

表2.2是两个产地的磷石膏原料的化学组成。

表2.2磷石膏的化学组成

表2.3是常用磷渣粉原料的化学组成。

表2.3磷渣粉的化学组成

2.2实验仪器与设备

实验中所用到的主要仪器设备如下表2.4所示。

表2.4实验的主要仪器与设备

2.3结构与性能表征方法

2.3.1水泥标准稠度、凝结时间的测定

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