储能磷建筑石膏集料的设计与应用研究

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磷石膏是一种堆存量大,对环境造成污染的固体废弃物,随着磷肥工业的快速发展,其堆存量还会持续增加。从绿色、环保、可持续发展的角度出发,如果能合理处理磷石膏的堆存问题,将促进固体废弃物行业的健康发展。利用磷石膏生产成磷建筑石膏是解决磷石膏资源化利用的有效方式之一,但是由于磷建筑石膏力学性能较低,制约了其广泛使用,也使得磷建筑石膏制品的附加值降低。本论文旨在开发和研究新型磷建筑石膏制品,推动磷石膏的资源化利用和提高磷建筑石膏的附加值。本文以磷建筑石膏硬化体作为基体材料,吸附石蜡制备了储能磷建筑石膏集料,用于轻骨料混凝土中。首先,采用Central Composite响应面法,以基体强度和石蜡保留率为主要指标,对储能磷建筑石膏集料基体进行了优化设计,并对其抗压强度、孔形、孔径分布、累计孔隙体积、微观形貌进行了测试,对相关机理进行了探究。其次,在最优配合比下制备了粒径在10-20mm之间的储能磷建筑石膏集料基体,并采用真空吸附石蜡的方法制备了储能磷建筑石膏集料并对其物相组成、相容性、热稳定性、相变温度、相变焓、微观形貌和相关作用机理,进行了研究。最后,对储能磷建筑石膏集料的应用进行了初步探索,将其以0%、25%、50%替代轻质页岩陶粒与水泥基复合成储能轻骨料混凝土,并对储能轻骨料混凝土的坍落度损失值、干表观密度、抗压强度、导热系数、热扩散系数、比热容进行研究,还分析了储能磷建筑石膏集料100%替代轻质页岩陶粒后制成的储能轻骨料混凝土物相组成、相容性、热稳定性、微观形貌和相关作用机理。得出以下结论:(1)本论文利用Central Composite响应面法,通过试验研究得出储能磷建筑石膏集料基体的最优工艺条件为:水膏比0.6,引气剂掺量0.66%,测得石蜡保留率为26.06%,抗压强度为4.40MPa。并采用全自动比表面及孔隙度分析仪、SEM对储能磷建筑石膏集料基体性能进行测试,得出:最优工艺的储能磷建筑石膏集料基体具有筒形大孔,在2.19-100nm孔径范围内2.5nm介孔、53.81nm、90.45nm大孔较多,在0-1000nm孔径范围内,随着石蜡不断浸入储能磷建筑石膏集料基体,其累计孔隙体积逐渐减小且几乎无可见孔隙结构;(2)对制备的储能磷建筑石膏集料,采用DSC、TG、XRD、FT-IR、SEM进行了相关测试,得出:储能磷建石膏集料石蜡保留率为31.08%,在吸热阶段的相变温度、相变焓分别为17.60℃、33.02J/g,在放热阶段的相变温度、相变焓分别为27.14℃、31.62J/g,这符合以非晶体(石蜡)为相变材料时的吸热、放热变化规律;储能磷建筑石膏集料中石蜡和集料基体之间的结合,没有产生新物质,且经过100次冷热循环后,储能磷建筑石膏集料表面没有发生剥落或者开裂,热稳定性良好。(3)随着储能磷建筑石膏集料替代轻质页岩陶粒的占比增加,储能轻骨料混凝土的坍落度损失值、干表观密度、28d抗压强度、导热系数逐渐降低,最低值分别为98mm、1524Kg/m3、8.83MPa、0.55W/(m·K),相对于轻质页岩陶粒混凝土分别下降了45.56%、17.40%、53.21%、60.28%。然后,采用XRD、TG、FT-IR、SEM对储能磷建筑石膏集料在储能轻骨料混凝土中的作用机理做了进一步的分析,结果表明:储能磷建筑石膏集料中石蜡保留在储能轻骨料混凝土中的形式是物理作用;储能磷建筑石膏集料与水泥基复合后,储能轻骨料混凝土界面过渡区有一定量的针状钙矾石与C-S-H凝胶交错生长,随着养护周期变长,钙矾石越多,并逐渐变成了与C-S-H凝胶一体的密实结构,最终改善了过渡区密实度,防止了集料内部的石蜡渗漏,同时良好的界面有效提高了储能轻骨料混凝土的力学性能。总而言之,储能磷建筑石膏集料的研发,将提高磷建筑石膏的附加值,推动磷石膏的资源化利用。同时,储能磷建筑石膏集料作为新型的储能集料与水泥基复合时在储能磷建筑石膏集料与水泥基的界面过渡区几乎没有分层,该区域内钙矾石和C-S-H凝胶交错生长能改善储能轻骨料混凝土的过渡区,省去了用纳米材料、胶水等对储能集料表面的包覆处理,进而防止储能集料中相变材料的渗漏,使储能轻骨料混凝土的力学性能得到了改善。同时本论文在储能磷建筑石膏集料机理方面进行了一些研究,所获得的研究结论有一定的研究意义和参考价值。
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