以磷渣—磷尾矿为主要原料的保温板研制

向 兴，薛 俊,2，曾 维，曹 宏,2

（1.武汉工程大学材料学院，湖北 武汉 430074；2.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，湖北 武汉 430074)

1 引言

磷渣是电炉法制取黄磷时的副产品，磷尾矿是磷矿石浮选产生的废弃物。每年都有大量磷渣和磷尾矿产生，它们的堆放不仅占用土地且由于其中含有氟、磷等元素，对环境构成潜在危害[1]。目前，磷渣主要用于水泥工业，可替代萤石作矿化剂来煅烧水泥熟料。也可作水泥掺合料，制备低熟料磷渣水泥和无熟料水泥。李东旭等[1]研究表明，磷渣掺量为50%～70%时，添加外加剂(无水硫酸钠，烧石膏等)可生产425#和525#磷渣水泥。张定斌等[2]利用磷尾矿，加入硅石粉，碳质还原剂，粘合剂，釉浆等制备高浓度磷酸和建筑用砖。曹建新等[3]用磷渣替代部分粘土或页岩制备出磷渣烧结砖，烧成温度可降低100℃。XU等[4]用磷渣替代硅灰石资源制备硅灰石玻璃陶瓷。LI等[5]采用沉淀法由磷渣制备白炭黑。建筑节能现已广受人们关注，保温板以其保温隔热性能优良受到人们的青睐。保温板主要分为有机保温板和无机保温板。有机保温板密度很轻，且导热系数很低，但可燃，一旦发生火灾，释放的有毒气体可能使人窒息。无机保温板因不可燃而成功克服了这一问题。陈光剑等[6]用聚苯乙烯制备出容重0.6g/cm3、导热系数0.08W/(m·K)、抗压强度0.64MPa的保温板。石岩等[7]用硫铝酸盐水泥，以双氧水发泡制得容重0.68g/cm3，导热系数0.092W/(m·K)，抗压强度2.65MPa的保温板。但用磷渣，磷尾矿这些废弃物来制备保温板的研究尚少。本文大量利用磷尾矿作为掺合料，加入磷渣，生石灰，膨胀珍珠岩，水泥等制备保温板。

2 试验

2.1 原料

磷渣取自云南晋宁黄磷厂，其化学成分分析结果(表1)表明，磷渣的主要成分为SiO2、CaO，且磷渣呈玻璃态。在此作为具有火山灰活性的硅质和钙质原料，使用时将其球磨至比表面积为418m2/kg左右，以提高其火山灰活性。

表1 磷渣主要化学成分(%)

磷尾矿来自云南磷化集团，为单一反浮选尾矿。从磷尾矿的XRD分析结果(图1)表明：磷尾矿主要物相组成为白云石、磷灰石和少量石英。在此只能作为惰性掺合料使用，使用时过0.3mm筛。

图1 磷尾矿XRD图谱

表2 试验配方设计

图2 保温板制备及检测流程

其他原料：生石灰，市购，活性氧化钙≥60%；水泥，市购，P·O 42.5(华新水泥股份有限公司生产)；无水硫酸钠，市购(湖北宜化集团生产)；膨胀珍珠岩，市购，粒径1～2mm。

2.2 试验方案

保温板的主要性能指标为：抗压强度，抗折强度，容重，导热系数。影响这些性能的主要因素包括磷渣与生石灰之比、水灰比、磷尾矿含量、水泥含量、膨胀珍珠岩含量、养护制度。其中，养护制度采用工业养护制度，即174.5℃下养护8h。膨胀珍珠岩含量初定为10%，无水硫酸钠定为总量的0.5%[8]，其余因素对保温板性能的影响，设计试验方案如表2所示。

2.3 试验步骤

保温板的制备及检测步骤如图2所示。

(1)称量并混合。将磷尾矿，磷渣，生石灰，无水硫酸钠，膨胀珍珠岩，水分别称量后于搅拌机内搅拌5min。

(2)陈化。将搅拌好的混合料密封储存，室温陈化24h。

(3)混合料的再拌合。将陈化好的混合料取出，加入水泥和剩余的水，于搅拌机内搅拌。

(4)振压成型。将配合料倒入模具中，再放入铁块，于振动台上振动15s后脱模。

(5)养护。先在60℃下预养6h，再于174.5℃下蒸压养8h，冷却至室温后取出保温板在105℃下烘干24h。

(6)性能测试。对保温板进行尺寸测量，容重计算，抗折、抗压强度测试及导热系数测定。

3 结果与讨论

3.1 配方对保温板性能的影响

磷渣与生石灰比对保温板抗折强度的影响试验结果列于表3。

表3 磷渣与石灰不同质量比试验结果

从表3可以看出，保温板抗折强度随磷渣与石灰比的增加而先升高再降低。这是因为活性氧化钙和二氧化硅的比例不同，最后生成的水化产物种类不同，随着石灰相对含量的减少，生成的水化物从高碱性到低碱性，而低碱性水化物强度相对较高，但若石灰太少，会有过多的二氧化硅没反应，导致强度降低。

水灰比对成型的影响试验结果如表4所示。

表4 不同水灰比试验结果

从表4可以得出成型随水灰比的增加而先容易后变难。这是因为水在成型过程中起到粘结粉料的作用，过少则粉料间无法粘结。水分过多，在施加一定压力时，会有水分溢出，使外部粉料与模具内表面粘结而难以脱模。

磷尾矿掺量及水泥含量对容重、强度、导热系数的影响试验结果如图3～6。

图3 各配方保温板容重

图4 各配方保温板抗折强度

图5 各配方保温板抗压强度

图6 各配方保温板导热系数

从图3～6可以看出，随着水泥含量的增加，容重和导热系数增大，保温板抗折强度和抗压强度也增加。这是因为相同质量下，水泥水化产物比磷渣和石灰生成的水化产物，具有较高强度，但容重、导热系数又偏大的缘故。随着磷尾矿含量的增加，容重变小，强度也变小，导热系数变大。这是因为磷尾矿没有活性，是作为填充料加入，过多会导致强度降低，且其导热系数较大。

3.2 保温板的物相分析

磷尾矿60%，水泥3%保温板的XRD图谱如图7。从图7中可以看出，最后得到的保温板中，有大量的托勃莫来石(Ca5Si6O16(OH)2)生成，托勃莫来石属低碱性水化硅酸钙，有较高的强度。同时还有CaMg(CO3)2，Ca5(PO4)3F，是磷尾矿的主要成分，这是因为磷尾矿没有活性，不参与反应，故磷尾矿加入过多，会导致强度降低，另外还有未反应完的SiO2。

图7 磷尾矿60%、水泥3%保温板的XRD图谱

4 结论

通过上述研究可得到结论如下：

(1)在174.5℃下保温8h、膨胀珍珠岩含量为10%前提下，磷尾矿掺量为60%、水泥含量为3%、磷渣∶生石灰(质量比)=4∶1、水灰比为0.24时为最佳配比。

(2)最佳配比下保温板的容重为1.49g/cm3、抗折强度为3.56MPa、抗压强度为12.5MPa、导热系数为0.143W/(m·K)。

(3)最佳配方下所制得的保温板，主要成分是托勃莫来石。

[1]杨家宽,肖波,王秀萍.黄磷渣资源化进展与前景[J].矿产综合利用,2002(4):37-41.

[2]张定斌,汤才洲.利用磷矿选矿后的含磷尾矿制取磷酸并副产建筑用砖的方法:中国,1837129[P].2006-09-27.

[3]曹建新,陈前林,林倩.磷渣在粘土烧结砖中的应用研究[J].新型建筑材料,2002(7):11-13.

[4]XU B,LIANG K M,CAO J W,et al.Preparation of foam glass ceramics from phosphorus slag[J].Advanced Materials Research,2010,105-106:600-603.

[5]LI G B,MA Y L,SU Y.Experimental study of purifying precipitated silica produced from yellow phosphorus slag[J].Advanced Materials Research,2012,455-456:503-506.

[6]陈光剑,陈珉,张龙,等.轻质保温隔墙板的制备及性能研究[J].厦门大学学报(自然科学版),2012,51(3):366-371.

[7]石岩,师恩强,辛德胜,等.发泡混凝土材料的制备及性能研究[J].新建筑材料,2012,39(5):66-68.

[8]重庆建筑工程学院建筑研究室.灰砂硅酸盐建筑制品[M].北京:中国建筑工业出版社,1980.