磷石膏用作建筑材料的瓶颈与关键技术

夏举佩 教授

昆明理工大学化学工程学院 云南省磷化工节能与新材料重点实验室 云南省高校磷化工重点实验室

磷石膏是湿法磷酸生产副产物，主要成分为CaSO4·2H2O，每生产磷酸1 t副产磷石膏约5 t。随着磷矿品位的降低，产出率也随之增加，磷石膏中的CaSO4·2H2O含量不断下降，甚至低于70%。目前，我国磷石膏堆存量已经超过6亿t，资源化率约40%，占用了大量土地，不仅关乎国家的环保安全，也制约了磷化工行业和企业的可持续发展。

磷石膏资源化利用是世界性的研究热点和难点。石膏基建筑材料在欧美发达国家因其良好的性能成为主要的墙体材料及装饰材料，我国则受传统习惯的影响，墙体材料应用较少，主要用于装饰及墙体粉刷，但随着国家建筑节约化及装配式建筑材料的强制推广，石膏制品的巨大优势日益凸显，市场空间发展潜力巨大。用磷石膏替代天然石膏制备建材产品是发展趋势。

磷石膏中所含杂质，特别是共晶磷是导致其作为建筑石膏性能不佳的主要因素。磷石膏中残留的磷、氟、有机物等杂质及二氧化硅，严重影响石膏基建筑材料的力学性能及环境适应性，致使其在建筑领域应用困难重重。为了消除磷石膏中杂质的影响，通常采用水洗、化学改性、提质等方式对磷石膏进行预处理，这些方法在一定程度上提高了磷石膏产品物理力学性能，但因磷硫为同族元素，磷酸根替换硫酸根的共晶磷在石膏中以化学键结合形式存在，难以将其分离或消除，这是磷石膏在建材领域难以有效资源化利用的问题所在。结合水硬性胶结料特性，构建新的胶结体系，发挥各类矿物优势，多形式、系列化设置产品结构是磷石膏作为建筑石膏的发展方向。

1 磷石膏生产高性能建筑石膏

基于磷石膏生产的β-半水石膏物理力学性能差、α-半水石膏成本高的问题，在磷石膏中加入晶媒剂与转晶剂，在w（H2O）15%左右，利用半干法及焙烧法联合制备α、β复相石膏，可降低单一生产α-半水石膏的成本，提高磷建筑石膏力学性能，2 h抗折强度、抗压强度分别大于4 MPa、10 MPa，大于建筑石膏GB/T 9776—2008中规定3.0级要求。

2 磷石膏基建筑材料

磷石膏基建筑材料是以磷石膏为主、矿物活性材料为辅的一种复合胶凝材料。建筑行业传统胶凝材料分水硬性和气硬性两种，即水泥和石膏，另一种水硬性胶凝材料则是以水为介质、通过联合激发具有潜在活性物质产生类陶瓷结构的地聚物材料。石膏与这两类水硬性胶凝材料的胶结过程存在根本性矛盾，能否利用各自优势，达到协同效果，提高制品性能，衍生多用途产品，开发研究适合“气硬”、“水硬”的“媒介剂”则是技术难点。

（1）二水磷石膏基胶凝材料

磷石膏不经任何处理直接使用，外加一定比例水硬性材料，选择适宜“媒介剂”，强化水硬性材料胶结过程，重构石膏溶解-结晶平衡体系，提高石膏结晶完整度，制备二水磷石膏基胶凝材料。以此胶凝材料为基础，根据实际用途调整配料比，开发系列产品：井下充填材料，磷石膏用量≥90%，水灰比0.4，固结体28 d抗折强度、抗压强度分别大于1.5 MPa、4.5 MPa；边坡防护和植被修复材料，磷石膏用量＞70%，配合机械发泡技术，制备干密度＜1.0 g/cm3、28 d抗压强度＞2.5 MPa、软化系数大于0.4的泡沫材料，在其具备防护功能同时方便种子发芽扎根；系列砂浆，磷石膏用量≥60%，选用适宜的骨料和胶骨比，制备强度满足M2.5至M20的各类室内外砌筑、抹灰等系列砂浆产品。

（2）复相磷石膏基建筑材料

在磷石膏干燥过程中，通过提高干燥温度或延长停留时间，生产二水-β半水复合石膏。以复相石膏为主，水硬材料为辅，在“媒介剂”、“石化剂”的协同作用下，促进配料体系的胶结-石质化过程，提高制品软化系数，弥补二水基建筑材料凝固慢的不足，生产人行道地砖、路沿石、石膏砌块、板材等建筑材料。砌块及板材，复相石膏用量≥90%，产品软化系数＞0.7，28 d抗折强度、抗压强度分别大于5.0 MPa、12 MPa；地砖及路沿石，复相石膏用量≥70%，产品软化系数＞0.85，28 d抗压强度≥30 MPa。

3 磷石膏制硫酸联产活性材料

磷石膏制硫酸联产水泥曾被列入国家重点攻关课题，但单一使用磷石膏作为钙源，难以满足熟料化学组成要求，致使熟料生产不稳定，硫酸成本高，特别是随着磷石膏中硅含量不断升高，磷石膏制硫酸联产水泥更难于推进。结合窑外分解技术，以磷石膏制硫酸为主线，副产硅酸二钙、铁铝酸钙等多种活性矿物，借助地聚物技术，直接生产建筑材料制品或配制不同活性的混凝土掺合料，降低系统生产成本，实现硫资源循环利用。