磷石膏在建材行業的綜合利用探討

王金龍，文玉

（云南省建筑材料科學研究設計院有限公司 云南昆明 650221）

1 磷石膏的來源及成分

普通過磷酸鈣生產過程中，除生成磷肥和磷酸外，還會形成副產物——磷石膏。每生產1t的磷酸，產生5.0t左右磷石膏。

磷石膏的主要成分為 CaSO4.2H2O、Fe2O3、Al2O3、MgO、P2O5和F等，同時還含有少量的鉀、鈉等元素，一般呈酸性。部分地區的磷石膏還含有少量的SiO2、重金屬及放射性元素。

2 磷石膏的產量和利用現狀

全國除北京、天津、上海、吉林、黑龍江、海南、西藏等省區市外，其余省份均有磷石膏產出，磷石膏排放企業主要集中分布在云南、貴州、湖北、四川等產磷省份。目前，我國磷石膏的累計堆存量已達3億t以上。2019年我國磷石膏產生量為7600萬t。2010~2019年我國磷石膏的產量見圖1。

圖1 2010～2019年我國磷石膏的產量

2019年，我國磷石膏綜合利用量達到2770萬t，同比增長4.5%，當年綜合利用率36.45%，同比提高了3%，但遠沒有達到國家工信部提出的“十三五”末達到50%的要求。2010~2019年我國磷石膏的利用量及利用率見圖2。

圖2 2010～2019年我國磷石膏的利用量及利用率

3 磷石膏的產生和利用存在的主要問題

3.1 磷石膏產生的資源消耗

按磷礦中P2O5含量28%計算，每生產1t濕法磷酸，需要2.8~3.3t磷礦石，2.2~2.7t硫酸。由于我國是缺硫的國家，每年要進口大量硫磺制造硫酸，用于磷肥和磷酸生產。

磷石膏堆存需占用大量土地，造成了大量的土地資源浪費。

3.2 磷石膏堆存對環境的污染

磷石膏的主要雜質是氟化物和五氧化二磷，并且呈較強的酸性。磷石膏的PH值平均為1.9；氟化物含量平均為2.04%；總五氧化二磷平均為17.1%；可溶性五氧化二磷平均為5.7%。因此磷石膏的堆存場地產生的磷溶水對環境的危害很大。

3.3 磷石膏尚未獲得大規模利用

磷石膏中二水硫酸鈣的含量一般在70%以上，其雜質分為可溶性和不溶性兩大類。可溶性雜質主要有可溶磷、可溶性氟、Cl-及堿金屬鹽等，不溶性雜質主要是硅砂和少量的有機物等。這些雜質對磷石膏的性能有很大的影響，是制約磷石膏再利用的主要因素。

4 磷石膏的主要利用途經

磷石膏雖然利用起來很難，但對環境的污染不可忽視，所以磷石膏的綜合利用勢在必行，然其利用途徑有限，在我國國內主要用于建材行業、土壤改良、硫銨化工等方面。

5 磷石膏在建材行業的綜合利用

當前，磷石膏在建材行業的綜合利用已取得了很大發展，主要是用作磷石膏砂漿、磷石膏水泥緩凝劑、磷石膏膩子、磷石膏砌塊等。

5.1 磷石膏砂漿

砂漿主要分為砌筑砂漿、自流平砂漿、嵌縫砂漿及抹灰砂漿，傳統的砂漿采用水泥和價格低廉的天然河砂作為主要原料，然而對自然環境的破壞極大。近年來，國家對生態環境的保護力度加大，多地已出臺“禁砂令”，使得機制砂得以發展，然而，機制砂的生產成本高，且對自然環境的破壞也不小。因而，磷石膏作為制作砂漿的主要原料成為了可能。

與水泥砂漿對比，磷石膏砂漿在粘結強度、線性收縮率、絕熱防火、重量、施工難度等方面均優于水泥砂漿，其對比見表1。

表1 磷石膏砂漿與水泥砂漿對比表

同時，水泥砂漿的施工厚度不能小于25mm，否則極易產生空鼓和開裂等問題，而采用磷石膏砂漿可有效避免此問題。

全國2019年施工房屋面積89.38億m2，需用砂漿19306萬t，若按市場占比10%進行計算，磷石膏砂漿用量可達1930萬t，每年可綜合利用磷石膏1500萬t，其市場前景非常廣闊。

5.2 磷石膏水泥緩凝劑

水泥是建筑行業最大綜的建筑材料，全國2019年施工房屋面積89.38億m2，需用水泥混凝土35.75億m3，其中水泥用量為12.51億t，需用石膏6256萬t，按磷石膏占比30%進行計算，為1877萬t。目前用于水泥緩凝劑的磷石膏占比較小（≤20%），主要是因為磷石膏的特性，在水泥生產過程中當磷石膏水泥緩凝劑進入磨頭倉，在下料的過程中可能會造成結倉、結壁和發生下料堵塞等現象。若直接用于水泥生產會造成物料輸送不暢、混合不勻，影響水泥正常生產等問題的出現，同時，磷石膏中的雜質對其作為水泥緩凝劑的性能影響較大，但通過改性等無害化處理后可轉變為優質的改性磷石膏水泥緩凝劑。其有一定的市場份額，但改性磷石膏水泥緩凝劑由于受到于然石膏水泥緩凝劑和脫硫石膏的影響水泥緩凝劑的影響。

5.3 磷石膏膩子

根據標準，石膏膩子的開放工作時間為50~90min，初凝時間應達到90~130min，磷石膏的初凝時間一般在5~10min，需要進行大幅度的緩凝，檸檬酸、磷酸鹽、骨膠等三類緩凝劑對磷石膏的緩凝效果顯著。

檸檬酸作為磷石膏膩子的緩凝劑是最合適的，磷石膏漿體的凝結時間隨著摻量的增加平緩延長，在不超過0.1%的摻量，就可以有很好的緩凝效果。當摻量超過0.1%時，對石膏硬化體強度影響加劇，應控制檸檬酸的摻量。同時引入骨膠，骨膠對石膏硬化體強度影響很小。在施工過程中，膩子薄層對保水要求很高，應增加0.35%的纖維素醚改善其保水性。

全國2019年施工房屋面積89.38億m2，按每平方的建筑需要膩子6.5kg計算，共需膩子粉5810萬t，若按15%的市場份額，每年可綜合利用磷石膏870萬t。市場前景較好。

5.4 磷石膏砌塊

普通的磷石膏砌塊由于自由水占據了磷石膏砌塊內大量的空間，造成了雖然密度小，但硬度小、強度低、搬運過程中易破碎、市場認同率低等缺陷，制約了磷石膏砌塊的發展。近幾年，經過行業內科研人員的努力，終于解決了以上問題，發展了幾種磷石膏砌塊的生產工藝。目前，磷石膏砌塊的生產工藝主要有半干法石膏和干法石膏。干法磷石膏砌塊生產時主要是依靠磷石膏含有的水份進行自蒸養，無需加入蒸氣和水。某磷石膏澆注法與干法生產測試對比見表2。

表2 磷石膏澆注法與干法生產測試對比表

可以看出，干法生產磷石膏砌塊的性能完全優于澆注法，同時，也滿足規范要求。

干法生產磷石膏砌塊具有以下優勢：工藝簡單、原料（磷石膏）來源廣泛、原料成本低、生產成本低、生產效率高、熱利用率高、質量易控制、產品品種多、市場適應能力強、自動化程度高、環保性能好、無工業廢渣排放。

半干法生產磷石膏砌塊時水膏比0.3，去除水化結晶0.185，水化熱排水0.02，成型后多余水0.0145，小于規范規定的≤0.08。磷石膏澆注法與干法生產測試對比見表3。

表3 磷石膏澆注法與干法生產測試對比表

半干法生產磷石膏砌塊表現了其很多優點：水膏比低、砌塊成型干燥速度快、生產效率高、砌塊的各項指標均高于澆注法、無生產廢料、環保無粉塵、工藝流程簡單、力學性能好、砌塊握裹力強。

綜上來看，磷石膏在石膏砌塊中的應用越來越廣泛，市場前景廣闊，磷石膏處置路徑較好。

磷石膏除用在以上4個方面之外，在公路建設中，也可以作為路基填料，還可以制作石膏板、裝配式建筑材料等，但因市場認可度低，應進一步增強其性能，得到市場的認可。

6 結語

（1）目前，我國磷石膏堆積量越來越多，大量的磷石膏堆積占用了大量的土地，同時還易造成環境污染，因此，對磷石膏的綜合利用是迫在眉睫。

（2）磷石膏在建材行業的綜合利用目前途徑較廣，但整體還處于初級階段，各種利用附加值低，還需進一步開發高附加值利用的途徑。為工業廢渣利用和環境保護作出更大的貢獻。