磷石膏填充墻研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

袁書成，劉香玲，梁 危，鄒祖銀

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)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(tuán)磷石膏產(chǎn)生量達(dá)到1 700 萬t，中國累計(jì)堆放量達(dá)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(chǎng)地維護(hù)成本，其中可溶性的磷、氟、有機(jī)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(yán)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(fù)肥時(shí)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(jì)，2017 年中國磷石膏產(chǎn)生量達(dá)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(guān)注的問題，《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》（國發(fā)［2016］74號(hào)）［8］中指出：到2020 年，工業(yè)固體廢物綜合利用率需要達(dá)到73%以上。 2018 年，貴州省人民政府［9］提出：貴州省將全面實(shí)施磷石膏“以渣定產(chǎn)”，實(shí)現(xiàn)磷石膏產(chǎn)消平衡。 2019 年，生態(tài)環(huán)境部將重點(diǎn)整治磷石膏庫存以及加強(qiáng)磷石膏的綜合利用。 2020 年，全國人大代表在“兩會(huì)”中建議將磷石膏“以渣定產(chǎn)”在全國范圍內(nèi)循序推進(jìn)，加快中國磷化工生態(tài)綠色、高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程。 同時(shí)，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(dá)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(yīng)運(yùn)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(gè)方面。 而中國2020 年建筑節(jié)能目標(biāo)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(shì)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(chǎng)需求有限，產(chǎn)地到市場(chǎng)的運(yùn)輸距離遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)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(diǎn)［15］，普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為2.00 W/（m·K）， 而石膏的導(dǎo)熱系數(shù)為0.30 W/（m·K）；并且磷石膏能調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度［16］，當(dāng)環(huán)境潮濕時(shí)，會(huì)自動(dòng)吸收空氣中的水分，當(dāng)環(huán)境干燥時(shí)，又會(huì)釋放儲(chǔ)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(zhì)，若直接加工成石膏建材不僅對(duì)人體有害，還會(huì)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(zhuǎn)晶，從而影響磷石膏建筑制品的強(qiáng)度［3］。 所以必須對(duì)磷石膏進(jìn)行低成本、大規(guī)模、無害化預(yù)處理，從而達(dá)到固廢利用、建材革新及高效節(jié)能的目的。目前中國對(duì)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(jī)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(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，廢水的處理將會(huì)升高成本［22］。各個(gè)工廠生產(chǎn)的磷石膏成分有差別，所以在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)磷石膏的特點(diǎn)選擇多種工藝組合的處理方式［22］。 磷石膏經(jīng)過預(yù)處理后可改善石膏制品凝結(jié)時(shí)間、 結(jié)構(gòu)松散度及強(qiáng)度等性能，有利于在工程結(jié)構(gòu)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(qiáng)石膏，因其良好的力學(xué)性能、 生物相容性及環(huán)保性能廣泛應(yīng)用于高端陶瓷、精密鑄造、醫(yī)療及功能填料等領(lǐng)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(jié)構(gòu)疏松、結(jié)晶度差等原因廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)建筑砌塊、板材。日本、德國等發(fā)達(dá)國家石膏建材中磷石膏利用率可達(dá)60%， 而中國磷石膏建材應(yīng)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(dǎo)致磷石膏的強(qiáng)度大大降低［25］。 有學(xué)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(yīng)中形成新物質(zhì)填充磷石膏的孔隙， 并且改變了二水石膏的結(jié)晶接觸點(diǎn)［28］，研究出了摻和劑的最佳配合比，得出了復(fù)合憎水劑使磷石膏砌塊防水的過程， 形成了一個(gè)協(xié)同作用的整體的結(jié)論， 可溶性磷對(duì)磷石膏性能的影響如表1 所示。

表1 可溶性磷對(duì)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(xué)多名學(xué)者通過9 組設(shè)計(jì)配合比［29］研究了磷石膏砌體的基本性能， 并給出了可供實(shí)際參考的彈性模量和泊松比。試驗(yàn)結(jié)果表明，砌體軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)9.0 MPa，可用作框架填充墻，但是緩凝劑的用量對(duì)砌體強(qiáng)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(dǎo)致破壞的表面上有明顯的空洞和石灰粉團(tuán)。

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

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

采用油壓千斤頂控制加速度對(duì)38 個(gè)磷石膏砌體進(jìn)行加載，依照實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，學(xué)者［37］提出了材料的3 段式本構(gòu)方程：

本構(gòu)關(guān)系擬合曲線如圖3 所示。

圖3 本構(gòu)關(guān)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(jié)時(shí)間短［38］，現(xiàn)澆磷石膏填充墻脫模很快，但其流動(dòng)性差，墻體內(nèi)外干燥時(shí)間有差異，表面干燥后，內(nèi)部水分的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(qiáng)了防水性能，半水磷石膏硬化的時(shí)間延長， 從而導(dǎo)致流動(dòng)性能增強(qiáng)， 凝結(jié)時(shí)間延長，但卻降低了墻體的早期強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)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(zhì)量并且提高石膏的性能［41-42］。

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

當(dāng)現(xiàn)澆磷石膏填充墻局部受壓時(shí)， 呈脆性破壞模式，應(yīng)力擴(kuò)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(qiáng)度可達(dá)4.2 MPa，墻在自然狀態(tài)下5 d 基本能達(dá)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(xué)空間結(jié)構(gòu)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(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析發(fā)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)承受水平荷載作用， 建立了等效剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度折算公式［48］。對(duì)比分析了網(wǎng)格式框架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的性能， 發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格式框架結(jié)構(gòu)相比于框架結(jié)構(gòu)有更大的結(jié)構(gòu)剛度， 相比于剪力墻結(jié)構(gòu)有更輕的結(jié)構(gòu)自重，減弱了地震作用［49］。

對(duì)于磷石膏填充墻的抗震性能， 還有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合［34］，對(duì)比了磷石膏填充墻鋼筋混凝土（RC）框架結(jié)構(gòu)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(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及分析建議

磷石膏填充墻實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)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(shè)計(jì)后，能替代傳統(tǒng)填充墻用于建筑結(jié)構(gòu)中。目前已有許多將磷石膏填充墻投入工程的實(shí)例。

3.1 應(yīng)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(shù)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(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(shù)為基礎(chǔ)，推出了3 種新型結(jié)構(gòu)體系［54］，將石膏混凝土網(wǎng)格式框架結(jié)構(gòu)新型結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于貴州甕福集團(tuán)職工倒班宿舍［44］。采用分層澆筑的方法，與傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)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(jià)［53］。同年，貴州開磷集團(tuán)開發(fā)了磷石膏-黃磷爐渣生產(chǎn)新型高強(qiáng)耐水磷石膏磚。

2010 年對(duì)《石膏空心條板》［55］以及《石膏砌塊砌體技術(shù)規(guī)程》［56］進(jìn)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(yù)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(nóng)村兩層小開間住宅建筑， 既減少了混凝土的使用，又達(dá)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(nèi)膜自保溫復(fù)合墻體，是以輕鋼龍骨為支撐結(jié)構(gòu)、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(hù)層做成的實(shí)心墻體，如圖6 所示。

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

新型復(fù)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(jié)構(gòu)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(shè)廳發(fā)布了《磷石膏建筑材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》［57］；同年貴州開磷集團(tuán)發(fā)布《輕鋼龍骨-磷石膏噴筑砂漿復(fù)合隔墻技術(shù)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(shù)， 如安徽銅化集團(tuán)用磷石膏制墻體磚； 山東奧寶集團(tuán)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(shí)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(shí)際應(yīng)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(shí)為了達(dá)到強(qiáng)度要求， 向其中添加了大量的黃磷礦粉等摻和劑， 不僅達(dá)不到“工業(yè)固廢利用”的最終目標(biāo)［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(jí)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(dǎo)致了它的抗剪強(qiáng)度極低［53］；而磷石膏相比普通石膏，質(zhì)量更大，需要專門的起重機(jī)；它的工藝特點(diǎn)還需特定的加工車間、切割機(jī)器，在運(yùn)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(qiáng)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(shì)，而磷石膏填充墻目前只能適用于農(nóng)村低（多）層、小開間的建筑。

在今后的研究中， 可以從材料與結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)磷石膏填充墻進(jìn)行改進(jìn)。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(dá)到輕質(zhì)的目的?！八俪蓧Α边m應(yīng)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(qiáng)度，還能使其在運(yùn)輸途中不易破壞，降低運(yùn)輸難度。要實(shí)現(xiàn)磷石膏的資源化利用，提高磷石膏的品質(zhì)、減少雜質(zhì)含量是基礎(chǔ)，磷肥企業(yè)要根據(jù)所使用的磷礦質(zhì)量，選擇合適的工藝技術(shù)方案，加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)全過程管理。

3.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(yīng)用價(jià)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(chǎng)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(yùn)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(yuǎn)低于碎石、頁巖陶粒每立方米成本，性價(jià)比高；當(dāng)使用磷石膏澆筑成10 cm厚的填充墻時(shí)，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(tuán)自主研發(fā)的高強(qiáng)耐水磷石膏磚累計(jì)利潤達(dá)到了2 000 萬元。 在實(shí)際工程中，也因磷石膏保溫隔熱隔音的優(yōu)點(diǎn)，代替了其余節(jié)能材料，工程造價(jià)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(jié)構(gòu)，鋼筋節(jié)約了30%，單位預(yù)算價(jià)下降了90 元/m2，總造價(jià)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(dāng)于毀壞良田333 km2。截至2015 年，中國新型墻材應(yīng)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(yīng)用有利于建筑節(jié)能減排。

4 結(jié)論與展望

本文基于國內(nèi)外磷石膏的發(fā)展現(xiàn)狀， 總結(jié)了磷石膏的優(yōu)缺點(diǎn)，探究了磷石膏填充墻的發(fā)展?jié)摿?，最后?duì)磷石膏填充墻得到如下結(jié)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(dá)到保溫隔熱隔音的節(jié)能目的，還能帶來經(jīng)濟(jì)收益，是一種可持續(xù)發(fā)展的新型填充墻。2）研究結(jié)果表明，磷石膏中含有的雜質(zhì)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(shè)計(jì)下，磷石膏強(qiáng)度等方面能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于建筑結(jié)構(gòu)中。3）為了更好地推廣磷石膏填充墻的應(yīng)用，應(yīng)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(cè)和修復(fù)的辦法。4）從材料上對(duì)磷石膏進(jìn)行改性，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，為磷石膏填充墻裝配式化提供參考。