摘要：回顾了磷酸盐胶凝材料（CBPC）的发展过程及现状，简要的介绍了CBPC的制备过程，重点介绍了作者近期在CBPC应用方面的研究工作。利用CBPC强大的结合能力及化学稳定性，结合工业废渣制备出早强型建筑材料及耐火轻质多孔制品；通过化学结合稳定化及物理包覆固化双重技术，将Pb2+稳定的固封于CBPC基体中，固化体不仅具有较好的力学性能，固化效率也较高，各Pb2+加入量的固化体固化效率均超过99.9%，浸出液的酸碱度及电导率也表明CBPC具有可靠的环境稳定性。
关键词：磷酸盐胶凝材料废渣利用 早强材料 轻质多孔材料 高效固化材料
中图分类号：[TU526] 文献标识：A
0. 引言
化学结合磷酸盐胶凝材料（Chemically bonded phosphate cement CBPC），是一种利用酸性磷酸盐与碱性碱土金属氧化物间的酸碱反应而形成的胶凝材料。CBPC在室温下发生化学反应，随后凝结硬化，其形成过程类似于普通硅酸盐水泥，操作简单方便，而最终的水化产物又具有陶瓷制品的特性，具有较高的力学性能和良好的致密度和耐酸碱腐蚀性能，既不同于陶瓷制品，也与水泥有所区别，是介于其中的一种材料。金属氧化物的选择对于CBPC的性能至关重要，只有恰当溶解度的金属氧化物才可能获得性能良好的CBPC制品[1]。氧化镁在水中的溶解速率适中，符合形成磷酸盐陶瓷所需的动力学要求。此外，镁的磷酸盐也都比较稳定，在水中的溶解速率较低。镁元素在地壳中第八大元素，资源相对较为丰富，是CBPC中的一种常见原料。
CBPC因其独有的快速凝结性，早期高强度和耐环境波动及化学稳定性，80年代欧美等发达国家广泛的应用于公路、桥梁及飞机跑道等的快速修复上。我国对于CBPC的研究起步较晚，应用也较为局限，仅有为数不多的科研论文[2-5]报道了CBPC作为修补材料的研究，CBPC本身优良的其他性能并为找到合理的应用。笔者依托于西南科技大学先进建筑材料实验室，近期对CBPC在结合固体废弃物制备建筑材料及固化种金属离子方面做了一些探索性的工作，获得了一些重要的发现。本文将简要介绍一下笔者近期所做工作的发现。
1. 磷酸盐胶凝材料的制备
CBPC的水化反应实质上是一个以酸碱中和反应为基础的放热反应，生成以MgKPO4·6H2O为不溶粘结相。
MgO + KH2PO4+ 5H2O = MgKPO4·6H2O
此反应过程为放热，反应速率较快，因此CBPC材料凝结较快，表现为块硬性，在早期就可获得较高强度。
MgO粉料通常是MgCO3经高温煅烧而得到的结晶良好、缺陷较少的MgO颗粒。反应方程式如下：
MgCO3 ＝ MgO + CO2↑
磷酸二氢钾是另一重要原料，为反应提供所需的K+和PO43-
KH2PO4 ＝ K+ ＋ H2PO4-
H2PO4- ＝ H ＋ HPO42-
HPO42- ＝ H ＋ PO43-
为了能够有效的控制CBPC的凝结时间，便于工程施工，调凝材料也是必不可少的。
根据国内外学者的研究[6、7]，硼砂对CBPC的调凝效果较好，应用也便宜。因此常用硼砂作为CBPC的外加剂。MgO与KH2PO4按适宜的配比制备出CBPC粉料，原材料XRD图谱及CBPC混合料扫描电镜图片如图1、2所示。
2. 结合固体废弃物制备建筑材料
2.1 利用废渣A制备早强建材
根据2006年我国环境状况公报，全国工业固体废物产生量为15.20 亿吨，比上年增加13.1%；工业固体废物排放量为1303 万吨。其中，一些固体废弃物是属于无毒的，如各类尾矿及废渣。大多数废渣都属于铝硅酸盐，胶凝活性较低，在水泥工业中可作为矿物掺合料，但废渣中某些化学组分可能会显著影响到硅酸盐水泥的一些性能，如强度或凝结时间等，因此，此方面的应用也较为有限。CBPC具有非常好的结合能力，将各种废渣有机结合于网络构成体中，从而得到机械性能较好的CBPC废渣制品。
以CBPC为结合剂，结合工业废渣A，制备出早期力学性能较好的制品，具体数据如表1所示。
由表1可见，2号配比的7天抗压强度要高于3天强度，7天与3天龄期强度相差不大，且A渣掺量占总质量40%时，抗压强度仍然超过32.5MPa，高于325硅酸盐水泥。结合废渣A的CBPC废渣的砂浆试块具有较好的早期力学性能。
2.2 结合废渣B制备轻质多孔材料
CBPC材料为弱酸性条件下反应获得，KH2PO4 ＝ K+ ＋ 2H+ ＋ PO43-，此反应时浆体呈弱酸性。在有引起剂的条件下，CBPC的H+与引起物质发生反应，放出气体，浆体凝结后则留下多孔结构。利用CBPC良好的结合性能，将工业废渣掺入，一方面可增加B的利用率，降低成本，另一方面也可改善轻质制品的某些性能。图片3为结合B制得的轻质材料。多孔材料的一些性能如表2所示。
由表2可见，基于CBPC的轻质材料具有较好的耐高温性能，可耐900℃高温而不会造成任何破坏，密度也仅为0.89cm3，养护7天抗压强度可达6.31MPa,导热系数为0.15 W/m*k°，具有较好的保温隔热性能。孔结构的数量和分布对于轻质材料的性能尤为重要，CBPC多孔材料是通过反应放出气体得到孔洞，因此对于气体逸出的阻力及时间即浆体的稠度将成为能否得到较好性能制品的关键。废渣B的掺入，能够调整体系的需水量，进而影响到浆体的稠度，适宜的B掺量能够改善制品的孔结构，不仅仅是作为混合材来增加其利用率。
此材料不需要特殊蒸汽养护，也不需要预先用发泡剂制泡，其成型过程如同普通水泥，加入适量水拌和后，在模具中逐渐放出气体，使浆体体积膨胀，浆体中留下多孔结构。同时MKP基磷石膏材料强度增长较快，1天就可脱模，7天强度基本稳定。由于此种材料成型和多孔形成特点，及磷酸盐与混凝土及砖砌体较高的结合力，因此，可考虑作为一种外墙保温耐火涂层材料，以增强普通房结构的保温性及耐火安全性。
2.3 重金属及放射性离子固化材料
固体废弃物中的重金属离子及放射性核素，一旦不经处理使高浓度离子入水域，将对水资源环境造成污染，进而严重威胁人类甚至是整个自然界生物体的生存。有效的无害化处理，使各种固体废弃物减小对环境的污染，及将其资源化已变的至关重要。由于有害及放射性废料的成分、物理形态、化学和放射特性千差万别，没有单一、经济的方法可以实现所有废料的安全处置。硅酸盐水泥作为常用的固化胶凝材料，操作简单，价格低廉，但其凝结性能易受固体废物中的某些盐的影响，水泥系统的凝结硬化会出现异常。且硅酸盐水泥本身具有强碱性，固化体的浸出液碱度过高，在酸性环境下易使重金属离子重新溶出，在自然环境中稳定性差。
CBPC在水化的同时，可使重金属离子转化为难溶的重金属磷酸盐，CBPC水化产物将其包裹于基体内，构成致密高强的固化体，使重金属离子稳定于CBPC内。
以重金属铅为例，将Pb(NO3)2 ，以Pb2+形式加入到CBPC材料中，经搅拌成形后构成CBPC固化体，标准养护至3天分别对其力学性能及浸出性能进行测试，其具体结果如表3所示。
由表3可见，加入不同质量分数的Pb2+ CBPC固化体都具有较高的早期力学性能，固化体机械性能较好。固化体经破碎后参照《固体废物浸出毒性浸出方法:水平振荡法》( GB 5086. 2 —1997)，得到重金属离子浸出液。浸出液的PH值均在7.4-8之间，处于中性稍偏碱，能够耐环境酸碱度波动，稳定性好。电导率也较小，在Pb2+占整个固化体中质量百分数为5时，电导仍未超过3，固化体抗浸性能好。各不同Pb2+加入量的固化效率都非常高，均超过99.9%。综上可见，CBPC对Pb2+有非常好的稳定化/固化作用，固化体这些优良的性能保证了CBPC对铅的安全处置，更为其开发资源化利用提供了坚实理论基础。
3.结论
1. 以CBPC为结合剂，将固体废渣A结合，制备出7天强度高于325水泥的早强型建筑材料；利用反应过程中浆体的弱酸性，辅以引气物质，掺入一定量的废渣B，获得了早期强度较为理想的轻质多孔材料，导热系数仅为0.15 W/m*k°，且能够耐900℃高温而不产生任何破坏,可考虑作为保温耐火涂层。
2. 加入Pb2+的CBPC固化体早期力学性能好，浸出液PH适中，电导率也较小，固化效果好，不同Pb2+加入量的固化体固化效率均超过99.9%。CBPC是一种非常适宜的固铅材料。
磷酸盐基材料已经在固化方面显现出无可比拟的优良性能，这也是今后研究的主要侧重点，并加快其开发操作工艺，使其能大规模应用于固体废弃物的处理。
参考文献：
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