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    磷渣基地質聚合物的應用
    2022-11-22 17:21:39
    磷渣是電熱法生產黃磷時排出的一種工業固廢,我國所生產的黃磷占全球的80%以上,每年排放出磷 渣約為500萬t以上。磷渣的大量露天堆放不僅占用耕地,而且堆放的磷渣在雨水的淋洗下,氟、磷等有 害元素會逐漸溶出,對環境造成嚴重污染。目前磷渣的利用主要是與水泥行業的生產相結合,但是磷渣作 為礦物摻合料加入混凝土時,由于磷渣中的磷酸根離子的存在,會導致混凝土的早期抗壓強度降低。盛廣 宏 等研究了磷渣在水泥工業中作為混合材料的應用,指出了磷渣作為水泥混合材料對普通硅酸鹽水泥性 能的改善狀況,以及作為混合材料帶來的水泥早期強度低和緩凝現象。時術兆等研究了不同摻量的磷渣 對硅酸鹽水泥凝結時間和強度的影響。結果表明:改性磷渣等量取代水泥后,凝結時間隨磷渣摻量的增加而 增加。
    史才軍等人的研究發現,磷渣在堿性環境下有著顯著的水化作用,且表現出較好的膠凝性能。使用堿 激發劑來激發磷渣活性,制備堿激發磷渣膠凝材料(無水泥熟料),可充分實現磷渣的資源化利用,使資源、能 源、環境等問題得到有效緩解。
    我們通常所說的地質聚合物是指堿激發地質聚合物。它主要是由硅鋁酸鹽工業廢棄物或者活性的硅鋁酸鹽礦物在強堿溶液中,通過解聚和縮聚反應得到的一種新型高聚合度的三維網絡凝膠材料,制備工藝簡 單,無污染,是一種性能良好的綠色環保型材料[8]。磷渣作為地質聚合物前驅體制備磷渣基地質聚合物,對 于資源化利用、綠色環保等方面有著非常重大的意義。以下從激發劑種類、力學性能、耐久性等方面介紹磷 渣基地質聚合物在國內外的研究進展,為后續研究工作提供借鑒。
    在激發劑種類方面研究:郭成洲[9]等通過測定 NaOH 和 Na2CO3激發下磷渣的凝結時間、化學結合水和 反應率等,研究堿激發劑對磷渣水化程度的影響。結果表明:NaOH 和 Na2CO3均能加快磷渣的水化速率, 其中 NaOH 對磷渣的激發效果明顯優于 Na2CO3。NaOH 和 Na2CO3對磷渣水化過程的影響主要表現為促 進磷渣玻璃體溶解,生成更多的 C-S-H 和托貝莫來石,從而形成致密的結構。朱成桂[10]等研究了以 NaOH 和硅酸鈉溶液激發磷渣制備堿膠凝材料,并對硬化堿磷渣水泥石孔結構及其水化程度進行了研究。結果表 明:硅酸鈉的激發效果明顯優于 NaOH,28d的抗壓強度比 NaOH 高約20MPa,并且其28d硬化漿體總孔 隙率僅為2.65%,有利于提高其耐久性能。李夕兵[11]等研究了不同激發劑種類及摻量對黃磷渣充填膠凝材 料的激發效果,分析了黃磷渣在激發劑作用下的水化反應機理。試驗結果表明,黃磷渣的活性在 NaOH 和 CaO 激發作用下均有較大提高,NaOH 和 CaO 的最佳摻量分別為5%和8%。黃磷渣的水化反應產物存在 著水化硅酸鈣。
    在力學性能方面:成瀟瀟[12]等人研究了通過不同細度的磷渣和堿性激發劑摻入量,對磷渣地質聚合物 力學性能的影響,結果表明在蒸汽養護條件下,堿激發劑(NaOH)為4.2%時,強度能夠達到50 MPa;而隨 著磷渣粉細度的提高,地質聚合物力學性能進一步改善。程麟[13]等研究了化學外加劑水玻璃對磷渣基膠凝 材料抗壓強度的影響,結果表明:地質聚合物材料的28d的抗壓強度可達84 MPa,具有較高的力學性能。朱成桂[14]通過細化的磷渣和合適的堿激發劑,在自然條件下制備出磷渣地質聚合物,結果表明激發劑的摻 量為5%~7%(以 Na2O 當量計),制備的地質聚合物3d抗折強度達到2.7~4.3 MPa,抗壓強度達到20~ 34.1MPa。張建輝[15]等人主要研究了磷渣/礦渣配比、養護方式、激發劑摻量對材料抗壓強度的影響,結果 表明當磷渣/礦渣質量比為7∶2,Ca(OH)2摻量為4%,蒸汽養護32h時,其材料抗壓強度達到43.3 MPa, 水化產物主要為水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠。
    在耐久性方面:Mostafa[16]等研究了以廢粘土磚粉和磷渣為主要原料制備的地質聚合物砂漿受酸侵蝕 后,其強度發展和耐久性的規律,結果表明:加入磷渣后的地質聚合物更不易受到酸的侵蝕。宋華[17]利用氫 氧化鈉和硅酸鈉激發磷渣制備堿磷渣膠凝材料,并對其耐久性能進行了研究。研究表明,堿磷渣膠凝材料相 比硅酸鹽水泥具有更優異的抗硫酸鹽侵蝕能力、抗凍性、耐久性能良好,但干縮值比硅酸鹽水泥高。加入適 當的減縮劑和膨脹劑能改善堿磷渣膠凝材料的干縮性能。李志清[18]等研究比較了堿磷渣膠凝材料與硅酸 鹽水泥的耐久性,從孔隙率、孔徑分布、水化產物等方面分析了耐久性優劣的原因,結果表明:總干縮值方面 兩者相差不大,堿磷渣膠凝材料孔隙率極低,故其抗凍性與抗蝕性方面優于水泥,并且由于磷渣對堿骨料反 應的抑制作用,使其不會發生堿骨料反應。
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