袁書成，劉香玲，梁 危，鄒祖銀

（四川農業(yè)大學土木工程學院，四川都江堰611830）

磷石膏是用硫酸分解磷礦石萃取磷酸后生產(chǎn)高集團磷石膏產(chǎn)生量達到1 700 萬t，中國累計堆放量達到3 億t［5］。

目前磷石膏的處理方式主要為露天堆放，每1 萬t 磷石膏約占地4 000 m2［6］。 不僅占用大量的土地資源，而且增加場地維護成本，其中可溶性的磷、氟、有機物等在雨水沖刷下浸入土壤和地下水，給生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力［7］，嚴重制約了中國磷化工行業(yè)的可持續(xù)化戰(zhàn)略。濃度磷復肥時產(chǎn)生的一種工業(yè)副產(chǎn)石膏， 為大宗工業(yè)固體廢棄物［1］，每生產(chǎn)1 t 磷酸將產(chǎn)生4.5～5 t 磷石膏，磷石膏通常以二水石膏或者半水石膏存在［2］。隨著中國磷化工行業(yè)飛速發(fā)展， 磷石膏堆放量不斷累積［3］。據(jù)不完全統(tǒng)計，2017 年中國磷石膏產(chǎn)生量達7 500 萬t， 綜合利用率為38%［4］，2018 年貴州磷化

磷石膏已成為政府現(xiàn)在高度關注的問題，《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》（國發(fā)［2016］74號）［8］中指出：到2020 年，工業(yè)固體廢物綜合利用率需要達到73%以上。 2018 年，貴州省人民政府［9］提出：貴州省將全面實施磷石膏“以渣定產(chǎn)”，實現(xiàn)磷石膏產(chǎn)消平衡。 2019 年，生態(tài)環(huán)境部將重點整治磷石膏庫存以及加強磷石膏的綜合利用。 2020 年，全國人大代表在“兩會”中建議將磷石膏“以渣定產(chǎn)”在全國范圍內循序推進，加快中國磷化工生態(tài)綠色、高質量發(fā)展進程。 同時，國家已發(fā)布文件禁止使用黏土磚［10］，發(fā)展磷石膏等新型墻體材料不僅能達到節(jié)約土地、變廢為寶等目的，還有助于解決磷石膏大量堆放的污染問題［11］。

隨著中國城鎮(zhèn)居住建筑面積不斷增加， 建筑能耗也隨之增長，建筑節(jié)能的概念應運而生。 建筑節(jié)能［12］主要分為節(jié)省建筑中的能源、保持建筑中的能源以及提高建筑中的能源利用率3 個方面。 而中國2020 年建筑節(jié)能目標為提高建筑中能源利用率到65%［13］。磷石膏有著保溫隔熱的性能，所以研究磷石膏填充墻勢在必行。

1 磷石膏

中國磷石膏產(chǎn)地主要集中于云貴川等省份，主要用于建筑制品［14］，利用途徑如圖1 所示。由于地區(qū)和周邊市場需求有限，產(chǎn)地到市場的運輸距離遠大于經(jīng)濟合理半徑［3］。

圖1 中國磷石膏利用途徑及利用量占比［14］Fig.1 Utilization way and utilization ratio of phosphogypsum in China［14］

磷石膏有著保溫、隔熱的優(yōu)點［15］，普通混凝土的導熱系數(shù)為2.00 W/（m·K）， 而石膏的導熱系數(shù)為0.30 W/（m·K）；并且磷石膏能調節(jié)室內濕度［16］，當環(huán)境潮濕時，會自動吸收空氣中的水分，當環(huán)境干燥時，又會釋放儲存的多余水分，是很好的節(jié)能材料。相比于天然石膏，磷石膏中含有大量的磷、氟等有害物質，若直接加工成石膏建材不僅對人體有害，還會影響半水石膏水化生成二水石膏晶體的形貌以及干擾α 型半水石膏晶體的轉晶，從而影響磷石膏建筑制品的強度［3］。 所以必須對磷石膏進行低成本、大規(guī)模、無害化預處理，從而達到固廢利用、建材革新及高效節(jié)能的目的。目前中國對磷石膏的處理方法有：酸堿中和改性法［17］、水洗法［18］、浮選法、篩分法［19］、陳化法、煅燒法［20］。酸堿中和改性法成本低、工藝簡單，但是只適用于有機物含量低的磷石膏［21］；其中水洗法最為有效， 但是直接排泄洗滌廢水會對環(huán)境造成污染，廢水的處理將會升高成本［22］。各個工廠生產(chǎn)的磷石膏成分有差別，所以在實際應用中，需根據(jù)磷石膏的特點選擇多種工藝組合的處理方式［22］。 磷石膏經(jīng)過預處理后可改善石膏制品凝結時間、 結構松散度及強度等性能，有利于在工程結構中推廣。

工程中常以磷石膏為原材料制備α 半水石膏及β 半水石膏，α 半水石膏又稱高強石膏，因其良好的力學性能、 生物相容性及環(huán)保性能廣泛應用于高端陶瓷、精密鑄造、醫(yī)療及功能填料等領域［23］。 β 半水石膏又稱建筑石膏，因其晶體呈不規(guī)則纖維狀、結構疏松、結晶度差等原因廣泛應用于生產(chǎn)建筑砌塊、板材。日本、德國等發(fā)達國家石膏建材中磷石膏利用率可達60%， 而中國磷石膏建材應用開發(fā)較晚，2016 年中國石膏建材產(chǎn)量僅為782.1 萬t［24］。

2 磷石膏研究現(xiàn)狀

2.1 磷石膏砌體

磷石膏多孔、易吸水，且其水化產(chǎn)物二水硫酸鈣易溶于水，導致磷石膏的強度大大降低［25］。 有學者［26-27］在磷石膏砌體中摻入磷酸或防水性材料，發(fā)現(xiàn)其中一些引入的新材料能在水化反應中形成新物質填充磷石膏的孔隙， 并且改變了二水石膏的結晶接觸點［28］，研究出了摻和劑的最佳配合比，得出了復合憎水劑使磷石膏砌塊防水的過程， 形成了一個協(xié)同作用的整體的結論， 可溶性磷對磷石膏性能的影響如表1 所示。

表1 可溶性磷對磷石膏性能的影響［27］Table 1 Effect of soluble phosphorus on the performance of phosphogypsum［27］

貴州大學多名學者通過9 組設計配合比［29］研究了磷石膏砌體的基本性能， 并給出了可供實際參考的彈性模量和泊松比。試驗結果表明，砌體軸心抗壓強度標準值可達9.0 MPa，可用作框架填充墻，但是緩凝劑的用量對砌體強度影響很大［30］且伴隨著表面泛霜現(xiàn)象，影響墻體外觀［31］。試件主要成錐形破壞和劈裂破壞，如圖2 所示［32］。由于試件材料攪拌發(fā)熱產(chǎn)生氣泡和攪拌不均勻， 導致破壞的表面上有明顯的空洞和石灰粉團。

還有學者［33］通過試驗，提出了一套提高磷石膏砌塊耐水性和強度的工藝， 加工后的性能指標優(yōu)于JC/T 698—2010 標準中合格品的要求，如表2 所示。國外學者［34-36］制作的磷石膏砌塊強度等均達到標準，可用于建筑填充墻。

表2 耐水石膏砌塊的性能指標［33］Table 2 Properties indicators of water-resistant gypsum blocks［33］

采用油壓千斤頂控制加速度對38 個磷石膏砌體進行加載，依照實測應力-應變曲線，學者［37］提出了材料的3 段式本構方程：

本構關系擬合曲線如圖3 所示。

圖3 本構關系擬合曲線［37］Fig.3 Fit curve for the constitutive relationship［37］

2.2 磷石膏填充墻

相比于傳統(tǒng)材料，由于凝結時間短［38］，現(xiàn)澆磷石膏填充墻脫模很快，但其流動性差，墻體內外干燥時間有差異，表面干燥后，內部水分的蒸發(fā)會導致墻皮鼓包、剝落，外墻防水性能差［31］。研究發(fā)現(xiàn)，磷石膏摻入外加劑后， 完全可以像混凝土一樣現(xiàn)澆用于結構墻體［39］。向現(xiàn)澆磷石膏中摻入磷渣微粉，粒徑較小的磷渣粉顆粒充分填充在制品水化硬化的空隙中，降低了磷石膏填充墻的吸水率，緩解了水的侵蝕作用，提高了軟化系數(shù)，增強了防水性能，半水磷石膏硬化的時間延長， 從而導致流動性能增強， 凝結時間延長，但卻降低了墻體的早期強度，試驗結果如圖4 所示［40］。 在石膏中摻入聚苯乙烯泡沫（EPS）可以減輕石膏的質量并且提高石膏的性能［41-42］。

圖4 不同形態(tài)可溶性P2O5 對建筑石膏初凝時間的影響［40］Fig.4 Effect of different forms of soluble P2O5 on the initial setting time of building plaster［40］

當現(xiàn)澆磷石膏填充墻局部受壓時， 呈脆性破壞模式，應力擴散角可取40°［43］。 研究還發(fā)現(xiàn)［31］在大開間住宅或者低層小開間住宅的承重墻中使用現(xiàn)澆磷石膏填充墻，抗壓強度可達4.2 MPa，墻在自然狀態(tài)下5 d 基本能達到干燥狀態(tài)，脫水良好，是一種直接有效利用工業(yè)廢渣磷石膏的途徑。

貴州大學空間結構專家馬克儉院士［44］提出了一種現(xiàn)澆磷石膏網(wǎng)格式框架組合墻新型墻體體系，以混凝土框架為主要承重骨架， 現(xiàn)澆澆筑磷石膏填充墻。 研究發(fā)現(xiàn)［45］磷石膏填充網(wǎng)格式填充墻軸心承載力明顯優(yōu)于無填充框架網(wǎng)格墻， 且具有良好的抗震性能［46］；通過對該結構進行動力分析發(fā)現(xiàn)框架結構底部呈彎曲型，上部變形呈剪切型，主要以彎矩控制為主［47］；最后通過考慮高層磷石膏墻體網(wǎng)格式框架結構承受水平荷載作用， 建立了等效剪力墻結構的厚度折算公式［48］。對比分析了網(wǎng)格式框架結構、框架結構與剪力墻結構的性能， 發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格式框架結構相比于框架結構有更大的結構剛度， 相比于剪力墻結構有更輕的結構自重，減弱了地震作用［49］。

對于磷石膏填充墻的抗震性能， 還有學者對其進行了數(shù)值模擬，模擬計算結果與試驗結果吻合［34］，對比了磷石膏填充墻鋼筋混凝土（RC）框架結構和傳統(tǒng)砌體填充墻框架的抗震性能， 發(fā)現(xiàn)前者比后者耗能更好，延性更高，承載力更高，有著很好的抗震性能［50］。

3 磷石膏填充墻國內外應用現(xiàn)狀及分析建議

磷石膏填充墻實現(xiàn)了輕質化、保溫隔音性能好、耐火性能高［51］，研究表明磷石膏填充墻經(jīng)過合理的設計后，能替代傳統(tǒng)填充墻用于建筑結構中。目前已有許多將磷石膏填充墻投入工程的實例。

3.1 應用現(xiàn)狀

圖5 速成墻剖面圖［53］Fig.5 Cross-section of a quick-form wall［53］

1992 年澳大利亞速成墻有限公司開發(fā)出了以磷石膏為原材料的速成墻建筑體系， 該技術是將磷石膏等原材料在工廠中制成墻板， 并將墻板加工成房屋組件運輸至施工現(xiàn)場進行拼裝［52］，速成墻剖面圖如圖5 所示。2008 年， 馬克儉院士以速成墻技術為基礎，推出了3 種新型結構體系［54］，將石膏混凝土網(wǎng)格式框架結構新型結構體系應用于貴州甕福集團職工倒班宿舍［44］。采用分層澆筑的方法，與傳統(tǒng)剪力墻結構相比，石膏用量大幅增加，鋼筋、保溫材料等用量減少，降低了工程造價［53］。同年，貴州開磷集團開發(fā)了磷石膏-黃磷爐渣生產(chǎn)新型高強耐水磷石膏磚。

2010 年對《石膏空心條板》［55］以及《石膏砌塊砌體技術規(guī)程》［56］進行了修訂。2013 年，張華剛［44］用改性磷石膏現(xiàn)澆墻體代替了傳統(tǒng)磚砌體墻， 并采用預制磷石膏模塊制作低肋混凝土網(wǎng)格底板， 用其來修建了一棟農村兩層小開間住宅建筑， 既減少了混凝土的使用，又達到了保溫、隔熱、隔音的節(jié)能作用。

2017 年，中晟石膏鋼板網(wǎng)內膜自保溫復合墻體，是以輕鋼龍骨為支撐結構、鋼板網(wǎng)或其他隔斷材料為底板、“晉馬”改性石膏新材料填充保溫層、面層和防護層做成的實心墻體，如圖6 所示。

圖6 中晟石膏鋼板網(wǎng)內膜自保溫復合墻體Fig.6 Self-insulating composite wall with Zhongsheng gypsum steel plate net as inner membrane

新型復合墻體隔音性和保暖性都優(yōu)于其他墻體， 徹底解決了鋼結構建筑兩板一夾心帶來的空心墻問題，解決了墻體容易出現(xiàn)開裂、空鼓、拼裝離縫、冷熱橋過度等系列問題。2019 年貴州省住房和城鄉(xiāng)建設廳發(fā)布了《磷石膏建筑材料應用統(tǒng)一技術規(guī)范》［57］；同年貴州開磷集團發(fā)布《輕鋼龍骨-磷石膏噴筑砂漿復合隔墻技術規(guī)程》的征求意見稿。目前還有許多企業(yè)都開發(fā)了磷石膏綜合利用技術， 如安徽銅化集團用磷石膏制墻體磚； 山東奧寶集團公司一年可生產(chǎn)300 萬m2的石膏板［58］。

3.2 分析建議

理論和實踐表明， 制作磷石膏填充墻是提高磷石膏利用率的一種重要途徑。分析以上的實際應用，磷石膏填充墻主要分為裝配式、砌體、現(xiàn)澆3 種建筑方式，但用磷石膏制作填充墻仍然存在許多問題。制作磷石膏磚時為了達到強度要求， 向其中添加了大量的黃磷礦粉等摻和劑， 不僅達不到“工業(yè)固廢利用”的最終目標［53］，而且大大削弱了磷石膏本身的保溫隔熱性能。 “速成墻”是磷石膏填充墻裝配式化的初級階段，它由密集的鋼筋混凝土立柱組成，立柱之間僅用磷石膏填充，這導致了它的抗剪強度極低［53］；而磷石膏相比普通石膏，質量更大，需要專門的起重機；它的工藝特點還需特定的加工車間、切割機器，在運輸上也造成了一定的麻煩，加大了成本。無論哪種建筑方式， 磷石膏填充墻的強度都是制約它發(fā)展的一大重要因素，小高層、大開間是城市建筑群的大趨勢，而磷石膏填充墻目前只能適用于農村低（多）層、小開間的建筑。

在今后的研究中， 可以從材料與結構兩方面對磷石膏填充墻進行改進。磷石膏材料的軟化系數(shù)大，可以采用摻加外加劑的方法提高磷石膏的防水性能；向磷石膏中加入發(fā)泡劑、泡沫等減小它的密度，達到輕質的目的?！八俪蓧Α边m應于現(xiàn)代的發(fā)展方向，在其中加鋼筋網(wǎng)、玄武巖纖維等，不僅能增大抗折、抗剪強度，還能使其在運輸途中不易破壞，降低運輸難度。要實現(xiàn)磷石膏的資源化利用，提高磷石膏的品質、減少雜質含量是基礎，磷肥企業(yè)要根據(jù)所使用的磷礦質量，選擇合適的工藝技術方案，加強對生產(chǎn)全過程管理。

3.3 社會經(jīng)濟效益

基于固體廢棄物再生利用、 新型建筑填充墻材料革新以及建筑節(jié)能理念， 磷石膏填充墻具有以下應用價值。

1）固廢利用，綠色可持續(xù)。 每消耗2 500 萬～3 000 萬m3磷石膏可解放1 km2的堆場土地資源，允許年產(chǎn)50 萬t 的磷酸廠（磷石膏年產(chǎn)量約250 萬t）運行10～12 a，有利于磷化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2）高效省錢，需求量高。制品用磷石膏輕集料每立方米成本約為101.7 元，遠低于碎石、頁巖陶粒每立方米成本，性價比高；當使用磷石膏澆筑成10 cm厚的填充墻時，10 萬m2的小區(qū)就可消耗3 萬t 的磷渣，需求量高。 2008 年開磷集團自主研發(fā)的高強耐水磷石膏磚累計利潤達到了2 000 萬元。 在實際工程中，也因磷石膏保溫隔熱隔音的優(yōu)點，代替了其余節(jié)能材料，工程造價總體降低。貴州宏福公司職工住宅小區(qū)使用了磷石膏填充墻，相比于傳統(tǒng)結構，鋼筋節(jié)約了30%，單位預算價下降了90 元/m2，總造價節(jié)約了518.5 萬元［53］。

3）墻材革新，節(jié)能減排。中國每年生產(chǎn)粘土磚消耗粘土資源約10 億m3， 相當于毀壞良田333 km2。截至2015 年，中國新型墻材應用量超過了75%，但粘土磚仍占較大比例， 難以滿足建筑節(jié)能與綠色建筑的要求， 現(xiàn)澆磷石膏填充墻的應用有利于建筑節(jié)能減排。

4 結論與展望

本文基于國內外磷石膏的發(fā)展現(xiàn)狀， 總結了磷石膏的優(yōu)缺點，探究了磷石膏填充墻的發(fā)展?jié)摿?，最后對磷石膏填充墻得到如下結論和展望：

1）磷石膏填充墻能夠從根本上解決磷石膏的處理問題，既能減少磷石膏堆存帶來的環(huán)境污染，又能達到保溫隔熱隔音的節(jié)能目的，還能帶來經(jīng)濟收益，是一種可持續(xù)發(fā)展的新型填充墻。2）研究結果表明，磷石膏中含有的雜質使它和傳統(tǒng)墻體材料在性能上有很大的差異，在合理的配合比設計下，磷石膏強度等方面能夠達到標準要求，可以用于建筑結構中。3）為了更好地推廣磷石膏填充墻的應用，應該著重研究磷石膏填充墻的抗彎、 抗剪、 抗沖切和抗震性能，研究使用過程中的檢測和修復的辦法。4）從材料上對磷石膏進行改性，從結構上進行優(yōu)化，為磷石膏填充墻裝配式化提供參考。