磷石膏用作建筑材料的瓶頸與關鍵技術

夏舉佩 教授

昆明理工大學化學工程學院 云南省磷化工節能與新材料重點實驗室 云南省高校磷化工重點實驗室

磷石膏是濕法磷酸生產副產物，主要成分為CaSO4·2H2O，每生產磷酸1 t副產磷石膏約5 t。隨著磷礦品位的降低，產出率也隨之增加，磷石膏中的CaSO4·2H2O含量不斷下降，甚至低于70%。目前，我國磷石膏堆存量已經超過6億t，資源化率約40%，占用了大量土地，不僅關乎國家的環保安全，也制約了磷化工行業和企業的可持續發展。

磷石膏資源化利用是世界性的研究熱點和難點。石膏基建筑材料在歐美發達國家因其良好的性能成為主要的墻體材料及裝飾材料，我國則受傳統習慣的影響，墻體材料應用較少，主要用于裝飾及墻體粉刷，但隨著國家建筑節約化及裝配式建筑材料的強制推廣，石膏制品的巨大優勢日益凸顯，市場空間發展潛力巨大。用磷石膏替代天然石膏制備建材產品是發展趨勢。

磷石膏中所含雜質，特別是共晶磷是導致其作為建筑石膏性能不佳的主要因素。磷石膏中殘留的磷、氟、有機物等雜質及二氧化硅，嚴重影響石膏基建筑材料的力學性能及環境適應性，致使其在建筑領域應用困難重重。為了消除磷石膏中雜質的影響，通常采用水洗、化學改性、提質等方式對磷石膏進行預處理，這些方法在一定程度上提高了磷石膏產品物理力學性能，但因磷硫為同族元素，磷酸根替換硫酸根的共晶磷在石膏中以化學鍵結合形式存在，難以將其分離或消除，這是磷石膏在建材領域難以有效資源化利用的問題所在。結合水硬性膠結料特性，構建新的膠結體系，發揮各類礦物優勢，多形式、系列化設置產品結構是磷石膏作為建筑石膏的發展方向。

1 磷石膏生產高性能建筑石膏

基于磷石膏生產的β-半水石膏物理力學性能差、α-半水石膏成本高的問題，在磷石膏中加入晶媒劑與轉晶劑，在w（H2O）15%左右，利用半干法及焙燒法聯合制備α、β復相石膏，可降低單一生產α-半水石膏的成本，提高磷建筑石膏力學性能，2 h抗折強度、抗壓強度分別大于4 MPa、10 MPa，大于建筑石膏GB/T 9776—2008中規定3.0級要求。

2 磷石膏基建筑材料

磷石膏基建筑材料是以磷石膏為主、礦物活性材料為輔的一種復合膠凝材料。建筑行業傳統膠凝材料分水硬性和氣硬性兩種，即水泥和石膏，另一種水硬性膠凝材料則是以水為介質、通過聯合激發具有潛在活性物質產生類陶瓷結構的地聚物材料。石膏與這兩類水硬性膠凝材料的膠結過程存在根本性矛盾，能否利用各自優勢，達到協同效果，提高制品性能，衍生多用途產品，開發研究適合“氣硬”、“水硬”的“媒介劑”則是技術難點。

（1）二水磷石膏基膠凝材料

磷石膏不經任何處理直接使用，外加一定比例水硬性材料，選擇適宜“媒介劑”，強化水硬性材料膠結過程，重構石膏溶解-結晶平衡體系，提高石膏結晶完整度，制備二水磷石膏基膠凝材料。以此膠凝材料為基礎，根據實際用途調整配料比，開發系列產品：井下充填材料，磷石膏用量≥90%，水灰比0.4，固結體28 d抗折強度、抗壓強度分別大于1.5 MPa、4.5 MPa；邊坡防護和植被修復材料，磷石膏用量＞70%，配合機械發泡技術，制備干密度＜1.0 g/cm3、28 d抗壓強度＞2.5 MPa、軟化系數大于0.4的泡沫材料，在其具備防護功能同時方便種子發芽扎根；系列砂漿，磷石膏用量≥60%，選用適宜的骨料和膠骨比，制備強度滿足M2.5至M20的各類室內外砌筑、抹灰等系列砂漿產品。

（2）復相磷石膏基建筑材料

在磷石膏干燥過程中，通過提高干燥溫度或延長停留時間，生產二水-β半水復合石膏。以復相石膏為主，水硬材料為輔，在“媒介劑”、“石化劑”的協同作用下，促進配料體系的膠結-石質化過程，提高制品軟化系數，彌補二水基建筑材料凝固慢的不足，生產人行道地磚、路沿石、石膏砌塊、板材等建筑材料。砌塊及板材，復相石膏用量≥90%，產品軟化系數＞0.7，28 d抗折強度、抗壓強度分別大于5.0 MPa、12 MPa；地磚及路沿石，復相石膏用量≥70%，產品軟化系數＞0.85，28 d抗壓強度≥30 MPa。

3 磷石膏制硫酸聯產活性材料

磷石膏制硫酸聯產水泥曾被列入國家重點攻關課題，但單一使用磷石膏作為鈣源，難以滿足熟料化學組成要求，致使熟料生產不穩定，硫酸成本高，特別是隨著磷石膏中硅含量不斷升高，磷石膏制硫酸聯產水泥更難于推進。結合窯外分解技術，以磷石膏制硫酸為主線，副產硅酸二鈣、鐵鋁酸鈣等多種活性礦物，借助地聚物技術，直接生產建筑材料制品或配制不同活性的混凝土摻合料，降低系統生產成本，實現硫資源循環利用。