磷石膏物理力學特性分析

修宗甲

（中國冶金地質總局一局五二〇隊，河北 邢臺 054000）

濕法磷酸生產工藝具有明顯的成本優勢，被國內外廣泛應用［1］，一般采用硫酸分解磷礦制得磷酸，每生產磷酸1 t約產生磷石膏5 t［2-4］。化學反應式如下：

磷石膏屬于Ⅱ類一般工業固廢，濕法運行條件下呈強酸性，含氟化物、磷酸等諸多有害雜質，無害化處理成本高，綜合利用率低，大部分采用筑壩堆存方式處置［5-6］。據中國磷復肥工業協會統計，2010 年以來，我國磷石膏產生量平均約75 Mt/a，還在持續增長，堆存占用的土地越來越多。

磷石膏與尾礦在物理力學特性等方面存在較大差異，堆存設計卻采用了同樣的方法，環境風險較大，也存在一定的安全隱患。因此，需對磷石膏的物理力學特性進行研究，指導磷石膏庫的堆存設計和運行管理，克服安全和環境風險，同時為磷石膏的綜合利用提供依據，提高土地的利用率。

1 磷石膏的化學組分

磷石膏為灰白色粉末狀物質，不同地方磷石膏的主要礦物成分及含量基本類似［7-8］。以國內某知名磷化工企業生產的磷石膏為研究對象，通過X射線衍射（XRD）測試得知磷石膏的化學組分見表1。

表1 磷石膏化學組分 %

由表1 可知，該磷石膏中主要化學組分為CaSO4·nH2O，有害物質主要為磷、氟。

2 磷石膏物理性能

根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）的方法，測得磷石膏的相對密度為2.41；最大干密度1.557 g/cm3，w（H2O）15.6%（烘干溫度為（40±1）℃）；塑限18.5%，液限30.9%。

2.1 顆粒特性

磷石膏的顆粒特性對整體堆體的性質影響較大，是十分重要的物理指標。參考GB/T 50123—2019，采用甲種密度計法測定磷石膏的顆粒分布，顆粒粒徑分布曲線見圖1，粒徑參數見表2。

圖1 磷石膏顆粒粒徑分布曲線

表2 磷石膏粒徑參數

從磷石膏粒徑分布曲線可以看出，所有顆粒粒徑均位于0.1 mm 以內，黏粒約占8%，根據土的工程粒徑分類，磷石膏屬于細粒組中的粉粒，因此其可塑性較差。由不均勻系數Cu和曲率系數Cc可知，磷石膏粒徑分布較為均勻，級配不良。

2.2 滲透性

采用變水頭法，研究不同固結壓力下磷石膏的滲透系數，結果見圖2。

圖2 磷石膏滲透系數與固結壓力的關系曲線

由圖2 可知，磷石膏的滲透系數為10-5～10-2cm/s，不同固結壓力下，磷石膏的滲透系數相差較大。壓力越大，磷石膏試樣的固結程度越高，孔隙率越小，滲透系數越小。在實際堆體中，不同堆體高度、不同密度下磷石膏的滲透系數差異較大。

另外，磷石膏的滲透性還受堆存方式等其他因素的影響，導致部分區域的試樣滲透系數有時相差上百倍。一般濕排方式的磷石膏滲透系數比干排更低，這主要由兩個因素導致：（1）濕排時水溶液攜帶的鹽分會析出，同時酸性條件也加速了磷石膏中硫酸鈣晶須形成，使得磷石膏的密實度更大，孔隙變小，滲透系數更低；（2）濕排時磷石膏堆體更加密實，細顆粒隨著水在孔隙中流動，會重新分配，填充孔隙，使得滲透系數相對更小。

3 磷石膏力學性質

3.1 變形特征

固結壓縮特性是評價土類材料堆積效果的一種方式，固結壓縮程度影響堆體的穩定性、滲流和沉降等。根據目前國內磷石膏堆體的堆載高度，施加垂直壓力至1 600 kPa 為止，磷石膏固結變形參數見表3。

表3 磷石膏固結變形參數

從表3 可以看出：（1）根據《建筑地基基礎設計規范》GB J7—1989 規定的壓縮系數av，磷石膏屬于低壓縮性土；（2）壓縮系數av隨壓力的增加而逐漸降低，壓縮模量Es隨壓力的增加而逐漸增大；（3）不同固結壓力下，磷石膏的豎向固結系數Cv與水平固結系數Ch基本一致。

3.2 強度

強度是分析堆體穩定性最重要的指標之一，一般散體材料強度主要影響因素有水含量、固結程度、顆粒組成。采用直剪方法，以磷石膏材料為對象，分別研究濕法堆存和干法堆存，以及飽和和非飽和狀態下磷石膏的抗剪強度，不同狀態下磷石膏抗剪強度曲線見圖3，強度參數見表4。

圖3 磷石膏抗剪強度曲線

從表4可以看出：（1）自然沉積樣的強度最大，說明磷石膏濕法堆存時堆體穩定性優于干堆；（2）水對磷石膏堆體的強度有一定影響，會降低堆體強度。

在實際堆存中，磷石膏強度除了受以上因素影響外，還受到以下兩個主要因素的影響：（1）在一定條件下，磷石膏會慢慢產生一些強度比較高的磷石膏晶須，加強堆體強度；（2）濕排磷石膏由于溶液中鹽分的析出，堆體強度提升明顯。正因如此，經常出現磷石膏堆體高度超過10 m 的近垂直面而不發生破壞垮塌的現象。

4 結論

（1）磷石膏顆粒分布均勻，屬于粉粒組，級配不良，且黏粒占比少，可塑性較差。

（2）磷石膏滲透系數為10-5～10-2cm/s，滲透系數受壓力的影響較大，壓力越大，固結程度越高，滲透系數越小。

（3）磷石膏屬于低壓縮性土，且豎向固結系數與水平固結系數基本一致，壓縮模量隨壓力的增加而逐漸增大。

（4）磷石膏濕法堆存時堆體穩定性優于干堆，但是水會降低磷石膏的強度，因此濕堆時控制壩體浸潤線，對堆體穩定性的提高至關重要。