CN117263640A - 一种半刚性团聚体型土工填料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半刚性团聚体型土工填料及其制备工艺，1)将磷石膏放入滚筒造粒机中，倒入一定比例水泥‑膨润土混合物料进行第一次加料，搅拌均匀；2)将水分均匀注入搅拌中的混合物料，形成磷石膏团聚化中间体；3)将混合均匀的水泥‑膨润土混合物料均匀洒在滚动中的团聚中间体表面进行第二次加料，继续滚动成型，从而获得磷石膏双层封闭结构式团聚体；4)将获得的磷石膏团聚体自然养护处理后获得成品，用于土工填料。本发明属于一种磷石膏的资源化利用方法，其两次加料的工艺可以使磷石膏转化为半刚性的双层封闭式结构团聚体，能有效将有害物质固化在团聚体中，成品无扬尘、抗淋滤、强度高、耐水性好、级配优良，是优质的土工填料。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，尤其是涉及一种半刚性团聚体型土工填料及其制备工艺。
背景技术
磷石膏(phosphogypsum，PG)是磷化工企业采用湿法工艺生产磷酸过程中排放的一种固体工业废渣，其主要化学成分是CaSO4·2H2O，按计算每生产1t磷酸大约产生4.5～5.5t磷石膏，实物量约7t。每年由磷肥化工企业排出的磷石膏超过1000万t，累计排量近亿吨。磷石膏中除含CaSO4外，还含有未分解的磷矿，未洗涤干净的磷酸，氟化钙，铁、铝化合物，酸不溶物，有机质等多种杂质，这些杂质影响着磷石膏的利用。
传统上，磷石膏被视为废弃物，往往以堆放或填埋的方式处理，这种处理方式不仅会导致土地资源的浪费，在降雨和长期堆存中也会存在着严重的环境风险。未经适当处理的磷石膏中重金属和放射性元素可能会通过降雨的淋滤作用渗漏到土壤和地下水体中，对生态系统和人类健康造成潜在威胁；在磷石膏堆场进行机械操作以及遇到干燥大风天气时，还会产生扬尘造成粉尘污染，对周围地区的空气质量产生负面影响，严重威胁着附近居民的健康，引发咳嗽、气喘、支气管炎等慢性疾病；磷石膏中的磷、汞、镉和放射性元素等有害杂质会随着蒸汽进入大气，也会对大气环境造成危害；磷石膏库通常具有较高的势能，一旦发生溃坝造成泥石流，不仅会造成严重的生态问题，还会严重威胁周边居民的生命财产安全。
由于我国城市建设点多、线长、面广的特点需要消耗大量原材料，磷石膏作为基层修筑的潜在原材料，既能解决磷石膏大量堆存所造成的各方面问题，又能解决快速发展对原材料大量需求的问题。在城市建设、交通基础设施、水利工程、环境治理等方面，土工填料作为一种重要的工程材料，发挥着不可替代的作用。现有研究表明，磷石膏具有基层材料所需的细颗粒和胶凝材料水化硬化所需的二水硫酸钙，完全可以起到骨料填充和胶凝固化作用，进而提高基层材料的体积稳定性能和降低污染物释放。如果能够将磷石膏作为优良土工填料大量使用，在带来较好的经济效益的同时，又能推动基础设施建设的可持续发展。研究表明，通过利用磷石膏微膨胀的特点能有效改善普通半刚性基层易收缩开裂的问题，具有一定的早强增强作用。但是磷石膏固定的方法存在稳定化效果方面较差，重金属元素浸出浓度高等问题，难以直接在基础建设中直接利用。所以研发一种能简单、有效将大量磷石膏处理成优质土工填料直接应用在工程建设上的方法就显得尤为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种半刚性团聚体型土工填料及其制备工艺，其利用磷石膏团聚化的方法处置固废物磷石膏，将有害物质固化包容团聚体包裹层中，有效降低有害物质的可渗透性，最终实现磷石膏的稳定化、无害化及资源化，并能制作成级配及性能优良，可直接利用在基础建设中的土工填料。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半刚性团聚体型土工填料及其制备工艺，包括以下步骤：
S1：将干燥的水泥和膨润土混合物料按比例倒入装有破碎后的磷石膏的滚筒造粒机中进行均匀搅拌；
S2：将获得的混合物料在滚筒造粒机中滚动造粒，滚动的同时用喷雾机逐渐往混合物料中均匀注水，经整形后制成球状的磷石膏团聚中间体；
S3：将水泥和膨润土均匀洒在滚筒造粒机中的磷石膏团聚中间体表面进行二次加料，并继续滚动造粒，最终获得直径0.25～10mm的磷石膏双层封闭结构式团聚体；
S4：将磷石膏团聚体置于干燥、阴凉的自然条件下堆放养护28天，获得具有一定强度的成品。
进一步地，步骤S1中所述材料中各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，为别是：水泥：3～5％，膨润土：5～9％，水：25～35％。
进一步地，步骤S1中所述材料中的磷石膏需要进行大结块的初步破碎并与干燥后的水泥-膨润土混合料均匀搅拌，以改善其流动性和分散性。
进一步地，步骤S1中磷石膏、水泥、膨润土需要通过滚筒造粒机充分混合搅拌均匀，造粒机的倾角为45°～55°，搅拌时的转速为70～85r/min，搅拌时长为10～15min。
进一步地，步骤S2需要在混合物料滚动中完成一次性注水，注水以雾状或柱状喷水的方式进行，且加水速度不得大于1.25mL/min，使混合物料均匀受水以提高成团率及保证粒径均匀。
进一步地，步骤S2中造粒机的倾角为30°～45°，滚动造粒的转速为70～85r/min，滚动时长为10～15min。
根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤S3，需要在第一次滚动造粒基本成团稳定时才能投入第二次混合物料，使团聚体完全被水泥—膨润土硬壳体系完全包裹。
进一步地，步骤S3中所述材料中各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，为别是：水泥：2～3％，膨润土：5％。
进一步地，步骤S3中滚动造粒的转速为70～85r/min，滚动时长应不超过20min。
进一步地，步骤S4中磷石膏基团聚体应置于干燥阴凉的位置进行养护，自然养护期间无需翻堆，避免与雨水直接接触，养护后其抗压强度为1～10MPa。
本发明还公开了一种根据上述任一制备工艺制得的半刚性团聚体型土工填料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所需原料为磷石膏、水泥、膨润土和水，其中磷石膏占比70％以上，除磷石膏外，其它添加料用量较小且容易获取，极大降低了磷石膏资源化利用的经济成本。
2、本发明提出采用滚筒造粒机进行磷石膏团聚化处理，所需设备成熟，实施流程简单，便于实现在车间环境下的流水线加工处理工艺。
3、本发明提出的磷石膏团聚化处理方法中，通过在磷石膏中添加一定比例的水泥和膨润土，有效固定了磷石膏中的Pb、Cd、Hg、Cr等重金属元素，通过二次添加工艺所得到磷石膏双层封闭结构式团聚体的强度可达10MPa，具有较强的水稳定性且成团率在85％以上。
4、本发明所制磷石膏双层封闭结构式团聚体具有半刚性，该特性可以增加团聚体的稳定性以保持结构完整，减少颗粒的脱落或分散；可以增加团聚体的抗压性能，使其能承受更大的压力或负荷，提高材料的耐久性；可以改善团聚体的流动性，保持其一定的刚度和形状以便于加工或运输。
上述方法中的固废物磷石膏采用的主要是磷化工企业在湿法制取磷酸时产生的固体废弃物；膨润土采用层间阳离子为Ca2+的钙基膨润土；水泥采用的是P.O42.5硅酸盐水泥。本发明利用磷石膏和水泥水化产物C-S-H凝胶和钙矾石及膨润土的粘合作用下形成以磷石膏为骨架的团聚体，并且通过上述两次添加的方式使团聚体在外部形成一定强度的结构层，不仅减少团聚体与团聚体之间的粘结，还有着更大的团聚体强度。所制成的团聚体无扬尘、抗淋滤、强度高、耐水性好。
综上所述，本发明实现了大量处置固废物磷石膏，将有害物质固化包容在团聚体包裹层中，有效降低有害物质的可渗透性，同时两次加料工艺所形成的双层封闭式结构大大提高了团聚体的强度，无扬尘，抗淋滤，最终实现磷石膏的稳定化、无害化及资源化，并能制作成性能优良且可直接利用在基础建设中的土工填料，具有工艺简单、污染小、变废为宝等优点。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是磷石膏双层封闭结构式团聚体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明，但本发明保护范围不局限所述内容。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征，在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱，应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例，另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
一种半刚性团聚体型土工填料及其制备工艺，包括以下步骤：
S1：将磷石膏、水泥和膨润土按比例倒入滚筒造粒机中均匀搅拌成混合物料，所述材料中各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，为别是：水泥：3～5％，膨润土：5～9％，水：25～35％，造粒机的倾角为45°～55°，搅拌时的转速为70～85r/min，搅拌时长为10～15min。
S2：将获得的混合物料在滚筒造粒机中滚动造粒，在滚动的同时逐渐往混合物料中均匀注水，经整形后制成球状的磷石膏团聚中间体，需要在混合物料滚动中完成一次性注水，注水以雾状或柱状喷水的方式进行，且加水速度不得大于1.25mL/min，造粒机的倾角为30°～45°，滚动造粒的转速为70～85r/min，滚动时长为10～15min。
S3：将水泥和膨润土均匀洒在滚筒造粒机中的磷石膏团聚中间体上并继续滚动造粒，最终获得直径0.25～10mm的磷石膏双层封闭结构式团聚体，所述材料中各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，为别是：水泥：2～3％，膨润土：5％，滚动造粒的转速为70～85r/min，滚动时长应不超过20min。
S4：将磷石膏团聚体置于自然条件下堆放养护28天，自然养护期间应置于干燥阴凉的位置，无需进行翻堆，注意避免与雨水直接接触，养护后其抗压强度为1～10MPa。
本发明涉及的所有实施例均按照上述实施过程开展，各实施例之间的不同在于配制混合干料时磷石膏、水泥、膨润土所占的比例。以下实施例中磷石膏均取自云天化某堆场经自然风干的磷石膏粉末。
实施例一：
本实施例中，各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，分别为第一次加料：水泥4％，膨润土5％，水35％；第二次加料：水泥2.5％，膨润土5％。本实施例的配比所制的团聚体成团率达78％，团聚体平均粒径为8mm，养护28天后平均抗压强度为5.1MPa，制得磷石膏基团聚体土壤骨料的自然堆积孔隙比为1.6。
实施例二：
本实施例中，各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，分别为第一次加料：水泥4％，膨润土7.5％，水35％；第二次加料：水泥2.5％，膨润土5％。本实施例的配比所制的团聚体成团率达84％，团聚体平均粒径为9mm，养护28天后平均抗压强度为5.5MPa，制得磷石膏基团聚体土壤骨料的自然堆积孔隙比为1.3。
实施例三：
本实施例中，各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，分别为第一次加料：水泥4％，膨润土9％，水35％；第二次加料：水泥2.5％，膨润土5％。本实施例的配比所制的团聚体成团率达91％，团聚体平均粒径为11mm，养护28天后平均抗压强度为5.3MPa，制得磷石膏基团聚体土壤骨料的自然堆积孔隙比为1.1。
实施例四：
本实施例中，各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，分别为第一次加料：水泥3％，膨润土7.5％，水35％；第二次加料：水泥2.5％，膨润土5％。本实施例的配比所制的团聚体成团率达81％，团聚体平均粒径为7mm，养护28天后平均抗压强度为3.1MPa，制得磷石膏基团聚体土壤骨料的自然堆积孔隙比为1.3。
实施例五：
本实施例中，各原料所占质量百分比是以磷石膏的质量为基数，分别为第一次加料：水泥5％，膨润土7.5％，水35％；第二次加料：水泥2.5％，膨润土5％。本实施例的配比所制的团聚体成团率达89％，团聚体平均粒径为9mm，养护28天后平均抗压强度为8.1MPa，制得磷石膏基团聚体土壤骨料的自然堆积孔隙比为1.1。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作出一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种半刚性团聚体型土工填料的制备工艺，包括：
S1：干燥水泥和膨润土混合物料与粉碎磷石膏在滚筒造粒机中混合，得第一物料；
S2：第一物料在滚筒造粒机中滚动造粒，滚动过程中喷雾注水，经整形后制成球状中间体；
S3：向中间体表面均匀撒入水泥和膨润土，继续滚动造粒，得到磷石膏团聚体；
S4：将磷石膏团聚体置于干燥、阴凉条件下堆放养护28天，即得半刚性团聚体型土工填料。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其中：
步骤S1所述干燥水泥使用量为磷石膏质量的3～5％，膨润土使用量为磷石膏质量的5～9％。
3.根据权利要求1所述的制备工艺，其中：
步骤S1所述滚筒造粒机的倾角为45°～55°，搅拌转速为70～85r/min，搅拌时长为10～15min。
4.根据权利要求1所述的制备工艺，其中：
步骤S2所述水使用量为磷石膏质量的25～35％；所述喷雾注水的加水速度≤1.25mL/min。
5.根据权利要求1所述的制备工艺，其中：
步骤S2所述造粒机的倾角为30°～45°，滚动造粒的转速为70～85r/min，滚动时长为10～15min。
6.根据权利要求1所述的制备工艺，其中：
步骤S3所述水泥使用量为磷石膏质量的2～3％，膨润土使用量为磷石膏质量的5％。
7.根据权利要求1所述的制备工艺，其中：
步骤S3所述造粒机的滚动转速为70～85r/min，滚动时长不超过20min。
8.一种根据权利要求1～7所述任一制备工艺制得的半刚性团聚体型土工填料。
9.根据权利要求8所述的半刚性团聚体型土工填料，其中：
该土工填料抗压强度为1～10MPa。
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