利用磷石膏制备的CaSO4合成高性能胶凝材料

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0196

摘要/Abstract

摘要：

为提高磷石膏（PG）资源化利用率，本研究利用PG转晶制备的无水石膏（AH）、煅烧PG制备的半水石膏（HPG）、硫铝酸钙（CAS）和氧化钙（CaO），开发了基于PG的可持续快凝高强胶凝材料（AHCSO）。结果表明：胶凝材料的最佳配方为70%（质量分数，下同）AH、20%HPG、0.3%聚羧酸减水剂（PCE）、7%CAS和3%CaO，此时材料展现出优异的快凝特性，初凝时间为0.3 h，终凝时间为0.5 h；1 d抗压强度达20.8 MPa（绝干强度达29.0 MPa），3 d达到35.0 MPa（绝干强度达38.1 MPa），28 d抗压强度增长至39.8 MPa（绝干强度达45.7 MPa），软化系数为0.89，PG的利用率高达90%（其中70%为AH，20%为HPG）。最终，该胶凝材料的水化速率、凝结时间与孔隙结构得到协同调控，成功制备出具有快凝高强特性的AHCSO。

关键词: 磷石膏, 无水石膏, 大掺量, 快凝, 早强, 高效资源化利用

Abstract:

To improve the resource utilization rate of phosphogypsum （PG）， in this study， anhydrous gypsum （AH） prepared by the PG crystallization method， hemihydrate gypsum （HPG） prepared by calcining PG， calcium sulfoaluminate （CAS）， and calcium oxide （CaO） were used to develop a sustainable， fast-setting， high-strength cementitious material （AHCSO） based on PG. The results indicate that the optimal formulation for the cementitious material—comprising 70% （mass fraction， the same below） AH， 20% HPG， 0.3% polycarboxylic acid superplasticizer （PCE）， 7% CAS， and 3% CaO—exhibits excellent rapid-setting properties， with an initial setting time of 0.3 h and a final setting time of 0.5 h. This cementitious material achieves a compressive strength of 20.8 MPa after 1 d （29.0 MPa when completely dry）， 35.0 MPa after 3 d （38.1 MPa when completely dry）， and 39.8 MPa after 28 d （45.7 MPa when completely dry）， softening coefficient of 0.89 and a PG utilization rate as high as 90% （AH 70%， HPG 20%）. Ultimately， the hydration rate， setting time， and pore structure of this cementitious material are synergistically controlled， leading to the successful preparation of AHCSO with rapid-setting and high-strength properties.

Key words: phosphogypsum, anhydrous gypsum, high blend ratio, quick setting, early strength, efficient resource utilization

中图分类号:

TQ177.3⁺8

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图/表 17

表1 原料化学成分分析

Table 1 Chemical composition analysis of raw materials

Material	Mass fraction/%
Material	SO₃	CaO	SiO₂	P₂O₅	Al₂O₃	MgO	Fe₂O₃	Na₂O	K₂O	Other
AH	59.679	36.395	2.811	0.275	0.195	0.075	0.070	0.129	0.031	0.340
PG	53.480	39.067	4.788	1.281	0.480	0.080	0.190	0.075	0.069	0.490

图1 原料的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of raw materials

图2 原料SEM照片

Fig.2 SEM images of raw materials

表2 AH基胶凝材料配合比

Table 2 Mix proportion of AH based cementitious material

Serial number	Sample name	Mass fraction/%					Standard consistency water demand/%
Serial number	Sample name	AH	HPG	CAS	CaO	PCE	Standard consistency water demand/%
1	A1（control group）	100					0.587
2	A2	95	5				0.607
3	A3	90	10				0.615
4	A4	85	15				0.628
5	A5	80	20				0.633
6	A6	75	25				0.650
7	B1	70	20	10			0.650
8	B2	70	20	7	3		0.747
9	B3	70	20	5	5		0.750
10	B4	70	20	3	7		0.753
11	B5	70	20		10		0.767
12	D1	70	20	7	3	0.1	0.313
13	D2	70	20	7	3	0.2	0.260
14	D3	70	20	7	3	0.3	0.243
15	D4	70	20	7	3	0.4	0.233
16	D5	70	20	7	3	0.5	0.227

图3 不同激发条件下胶凝材料的凝结时间

Fig.3 Setting time of cementitious materials under different excitation conditions

图4 不同激发条件胶凝材料的标准稠度

Fig.4 Standard consistency of cementitious materials under different excitation conditions

图5 不同激发条件下石膏胶凝材料的绝干抗压强度

Fig.5 Absolute dry compressive strength of gypsum cementitious material under different excitation conditions

图6 不同激发条件下石膏胶凝材料的标准养护抗压强度

Fig.6 Standard curing compressive strength of gypsum cementitious materials under different excitation conditions

图7 不同激发条件下石膏胶凝材料的抗水性

Fig.7 Water resistance of gypsum-based cementitious materials under different curing conditions

图8 不同激发条件下石膏胶凝材料的水化率

Fig.8 Hydration rate of gypsum cementitious materials under different activation conditions

图9 不同激发条件下石膏胶凝材料的XRD谱

Fig.9 XRD patterns of gypsum cementitious materials under different excitation conditionsk

图10 不同激发条件下石膏胶凝材料养护3 d的SEM照片

Fig.10 SEM images of gypsum cementitious material cured for 3 d under different excitation conditions

图11 AFt的EDS谱

Fig.11 EDS spectrum of AFt

图12 不同激发条件下石膏胶凝材料养护28 d的SEM照片

Fig.12 SEM images of gypsum cementitious material cured for 28 d under different excitation conditions

图13 不同激发条件下石膏胶凝材料的TG-DTG曲线

Fig.13 TG-DTG curves of gypsum cementitious material under different excitation conditions

图14 不同激发条件下石膏胶凝材料的孔径分析

Fig.14 Pore size analysis of gypsum cementitious material under different excitation conditions

图15 石膏胶凝材料的水化结构调控机制

Fig.15 Hydration structure control mechanism of gypsum cementitious material

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Synthesis of High-Performance Cement Materials Using CaSO₄ Prepared from Phosphogypsum

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