磷石膏填充墙研究现状与应用进展

袁书成，刘香玲，梁 危，邹祖银

（四川农业大学土木工程学院，四川都江堰611830）

磷石膏是用硫酸分解磷矿石萃取磷酸后生产高集团磷石膏产生量达到1 700 万t，中国累计堆放量达到3 亿t［5］。

目前磷石膏的处理方式主要为露天堆放，每1 万t 磷石膏约占地4 000 m2［6］。 不仅占用大量的土地资源，而且增加场地维护成本，其中可溶性的磷、氟、有机物等在雨水冲刷下浸入土壤和地下水，给生态环境造成巨大的压力［7］，严重制约了中国磷化工行业的可持续化战略。浓度磷复肥时产生的一种工业副产石膏， 为大宗工业固体废弃物［1］，每生产1 t 磷酸将产生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］。随着中国磷化工行业飞速发展， 磷石膏堆放量不断累积［3］。据不完全统计，2017 年中国磷石膏产生量达7 500 万t， 综合利用率为38%［4］，2018 年贵州磷化

磷石膏已成为政府现在高度关注的问题，《“十三五”节能减排综合工作方案》（国发［2016］74号）［8］中指出：到2020 年，工业固体废物综合利用率需要达到73%以上。 2018 年，贵州省人民政府［9］提出：贵州省将全面实施磷石膏“以渣定产”，实现磷石膏产消平衡。 2019 年，生态环境部将重点整治磷石膏库存以及加强磷石膏的综合利用。 2020 年，全国人大代表在“两会”中建议将磷石膏“以渣定产”在全国范围内循序推进，加快中国磷化工生态绿色、高质量发展进程。 同时，国家已发布文件禁止使用黏土砖［10］，发展磷石膏等新型墙体材料不仅能达到节约土地、变废为宝等目的，还有助于解决磷石膏大量堆放的污染问题［11］。

随着中国城镇居住建筑面积不断增加， 建筑能耗也随之增长，建筑节能的概念应运而生。 建筑节能［12］主要分为节省建筑中的能源、保持建筑中的能源以及提高建筑中的能源利用率3 个方面。 而中国2020 年建筑节能目标为提高建筑中能源利用率到65%［13］。磷石膏有着保温隔热的性能，所以研究磷石膏填充墙势在必行。

1 磷石膏

中国磷石膏产地主要集中于云贵川等省份，主要用于建筑制品［14］，利用途径如图1 所示。由于地区和周边市场需求有限，产地到市场的运输距离远大于经济合理半径［3］。

图1 中国磷石膏利用途径及利用量占比［14］Fig.1 Utilization way and utilization ratio of phosphogypsum in China［14］

磷石膏有着保温、隔热的优点［15］，普通混凝土的导热系数为2.00 W/（m·K）， 而石膏的导热系数为0.30 W/（m·K）；并且磷石膏能调节室内湿度［16］，当环境潮湿时，会自动吸收空气中的水分，当环境干燥时，又会释放储存的多余水分，是很好的节能材料。相比于天然石膏，磷石膏中含有大量的磷、氟等有害物质，若直接加工成石膏建材不仅对人体有害，还会影响半水石膏水化生成二水石膏晶体的形貌以及干扰α 型半水石膏晶体的转晶，从而影响磷石膏建筑制品的强度［3］。 所以必须对磷石膏进行低成本、大规模、无害化预处理，从而达到固废利用、建材革新及高效节能的目的。目前中国对磷石膏的处理方法有：酸碱中和改性法［17］、水洗法［18］、浮选法、筛分法［19］、陈化法、煅烧法［20］。酸碱中和改性法成本低、工艺简单，但是只适用于有机物含量低的磷石膏［21］；其中水洗法最为有效， 但是直接排泄洗涤废水会对环境造成污染，废水的处理将会升高成本［22］。各个工厂生产的磷石膏成分有差别，所以在实际应用中，需根据磷石膏的特点选择多种工艺组合的处理方式［22］。 磷石膏经过预处理后可改善石膏制品凝结时间、 结构松散度及强度等性能，有利于在工程结构中推广。

工程中常以磷石膏为原材料制备α 半水石膏及β 半水石膏，α 半水石膏又称高强石膏，因其良好的力学性能、 生物相容性及环保性能广泛应用于高端陶瓷、精密铸造、医疗及功能填料等领域［23］。 β 半水石膏又称建筑石膏，因其晶体呈不规则纤维状、结构疏松、结晶度差等原因广泛应用于生产建筑砌块、板材。日本、德国等发达国家石膏建材中磷石膏利用率可达60%， 而中国磷石膏建材应用开发较晚，2016 年中国石膏建材产量仅为782.1 万t［24］。

2 磷石膏研究现状

2.1 磷石膏砌体

磷石膏多孔、易吸水，且其水化产物二水硫酸钙易溶于水，导致磷石膏的强度大大降低［25］。 有学者［26-27］在磷石膏砌体中掺入磷酸或防水性材料，发现其中一些引入的新材料能在水化反应中形成新物质填充磷石膏的孔隙， 并且改变了二水石膏的结晶接触点［28］，研究出了掺和剂的最佳配合比，得出了复合憎水剂使磷石膏砌块防水的过程， 形成了一个协同作用的整体的结论， 可溶性磷对磷石膏性能的影响如表1 所示。

表1 可溶性磷对磷石膏性能的影响［27］Table 1 Effect of soluble phosphorus on the performance of phosphogypsum［27］

贵州大学多名学者通过9 组设计配合比［29］研究了磷石膏砌体的基本性能， 并给出了可供实际参考的弹性模量和泊松比。试验结果表明，砌体轴心抗压强度标准值可达9.0 MPa，可用作框架填充墙，但是缓凝剂的用量对砌体强度影响很大［30］且伴随着表面泛霜现象，影响墙体外观［31］。试件主要成锥形破坏和劈裂破坏，如图2 所示［32］。由于试件材料搅拌发热产生气泡和搅拌不均匀， 导致破坏的表面上有明显的空洞和石灰粉团。

还有学者［33］通过试验，提出了一套提高磷石膏砌块耐水性和强度的工艺， 加工后的性能指标优于JC/T 698—2010 标准中合格品的要求，如表2 所示。国外学者［34-36］制作的磷石膏砌块强度等均达到标准，可用于建筑填充墙。

表2 耐水石膏砌块的性能指标［33］Table 2 Properties indicators of water-resistant gypsum blocks［33］

采用油压千斤顶控制加速度对38 个磷石膏砌体进行加载，依照实测应力-应变曲线，学者［37］提出了材料的3 段式本构方程：

本构关系拟合曲线如图3 所示。

图3 本构关系拟合曲线［37］Fig.3 Fit curve for the constitutive relationship［37］

2.2 磷石膏填充墙

相比于传统材料，由于凝结时间短［38］，现浇磷石膏填充墙脱模很快，但其流动性差，墙体内外干燥时间有差异，表面干燥后，内部水分的蒸发会导致墙皮鼓包、剥落，外墙防水性能差［31］。研究发现，磷石膏掺入外加剂后， 完全可以像混凝土一样现浇用于结构墙体［39］。向现浇磷石膏中掺入磷渣微粉，粒径较小的磷渣粉颗粒充分填充在制品水化硬化的空隙中，降低了磷石膏填充墙的吸水率，缓解了水的侵蚀作用，提高了软化系数，增强了防水性能，半水磷石膏硬化的时间延长， 从而导致流动性能增强， 凝结时间延长，但却降低了墙体的早期强度，试验结果如图4 所示［40］。 在石膏中掺入聚苯乙烯泡沫（EPS）可以减轻石膏的质量并且提高石膏的性能［41-42］。

图4 不同形态可溶性P2O5 对建筑石膏初凝时间的影响［40］Fig.4 Effect of different forms of soluble P2O5 on the initial setting time of building plaster［40］

当现浇磷石膏填充墙局部受压时， 呈脆性破坏模式，应力扩散角可取40°［43］。 研究还发现［31］在大开间住宅或者低层小开间住宅的承重墙中使用现浇磷石膏填充墙，抗压强度可达4.2 MPa，墙在自然状态下5 d 基本能达到干燥状态，脱水良好，是一种直接有效利用工业废渣磷石膏的途径。

贵州大学空间结构专家马克俭院士［44］提出了一种现浇磷石膏网格式框架组合墙新型墙体体系，以混凝土框架为主要承重骨架， 现浇浇筑磷石膏填充墙。 研究发现［45］磷石膏填充网格式填充墙轴心承载力明显优于无填充框架网格墙， 且具有良好的抗震性能［46］；通过对该结构进行动力分析发现框架结构底部呈弯曲型，上部变形呈剪切型，主要以弯矩控制为主［47］；最后通过考虑高层磷石膏墙体网格式框架结构承受水平荷载作用， 建立了等效剪力墙结构的厚度折算公式［48］。对比分析了网格式框架结构、框架结构与剪力墙结构的性能， 发现网格式框架结构相比于框架结构有更大的结构刚度， 相比于剪力墙结构有更轻的结构自重，减弱了地震作用［49］。

对于磷石膏填充墙的抗震性能， 还有学者对其进行了数值模拟，模拟计算结果与试验结果吻合［34］，对比了磷石膏填充墙钢筋混凝土（RC）框架结构和传统砌体填充墙框架的抗震性能， 发现前者比后者耗能更好，延性更高，承载力更高，有着很好的抗震性能［50］。

3 磷石膏填充墙国内外应用现状及分析建议

磷石膏填充墙实现了轻质化、保温隔音性能好、耐火性能高［51］，研究表明磷石膏填充墙经过合理的设计后，能替代传统填充墙用于建筑结构中。目前已有许多将磷石膏填充墙投入工程的实例。

3.1 应用现状

图5 速成墙剖面图［53］Fig.5 Cross-section of a quick-form wall［53］

1992 年澳大利亚速成墙有限公司开发出了以磷石膏为原材料的速成墙建筑体系， 该技术是将磷石膏等原材料在工厂中制成墙板， 并将墙板加工成房屋组件运输至施工现场进行拼装［52］，速成墙剖面图如图5 所示。2008 年， 马克俭院士以速成墙技术为基础，推出了3 种新型结构体系［54］，将石膏混凝土网格式框架结构新型结构体系应用于贵州瓮福集团职工倒班宿舍［44］。采用分层浇筑的方法，与传统剪力墙结构相比，石膏用量大幅增加，钢筋、保温材料等用量减少，降低了工程造价［53］。同年，贵州开磷集团开发了磷石膏-黄磷炉渣生产新型高强耐水磷石膏砖。

2010 年对《石膏空心条板》［55］以及《石膏砌块砌体技术规程》［56］进行了修订。2013 年，张华刚［44］用改性磷石膏现浇墙体代替了传统砖砌体墙， 并采用预制磷石膏模块制作低肋混凝土网格底板， 用其来修建了一栋农村两层小开间住宅建筑， 既减少了混凝土的使用，又达到了保温、隔热、隔音的节能作用。

2017 年，中晟石膏钢板网内膜自保温复合墙体，是以轻钢龙骨为支撑结构、钢板网或其他隔断材料为底板、“晋马”改性石膏新材料填充保温层、面层和防护层做成的实心墙体，如图6 所示。

图6 中晟石膏钢板网内膜自保温复合墙体Fig.6 Self-insulating composite wall with Zhongsheng gypsum steel plate net as inner membrane

新型复合墙体隔音性和保暖性都优于其他墙体， 彻底解决了钢结构建筑两板一夹心带来的空心墙问题，解决了墙体容易出现开裂、空鼓、拼装离缝、冷热桥过度等系列问题。2019 年贵州省住房和城乡建设厅发布了《磷石膏建筑材料应用统一技术规范》［57］；同年贵州开磷集团发布《轻钢龙骨-磷石膏喷筑砂浆复合隔墙技术规程》的征求意见稿。目前还有许多企业都开发了磷石膏综合利用技术， 如安徽铜化集团用磷石膏制墙体砖； 山东奥宝集团公司一年可生产300 万m2的石膏板［58］。

3.2 分析建议

理论和实践表明， 制作磷石膏填充墙是提高磷石膏利用率的一种重要途径。分析以上的实际应用，磷石膏填充墙主要分为装配式、砌体、现浇3 种建筑方式，但用磷石膏制作填充墙仍然存在许多问题。制作磷石膏砖时为了达到强度要求， 向其中添加了大量的黄磷矿粉等掺和剂， 不仅达不到“工业固废利用”的最终目标［53］，而且大大削弱了磷石膏本身的保温隔热性能。 “速成墙”是磷石膏填充墙装配式化的初级阶段，它由密集的钢筋混凝土立柱组成，立柱之间仅用磷石膏填充，这导致了它的抗剪强度极低［53］；而磷石膏相比普通石膏，质量更大，需要专门的起重机；它的工艺特点还需特定的加工车间、切割机器，在运输上也造成了一定的麻烦，加大了成本。无论哪种建筑方式， 磷石膏填充墙的强度都是制约它发展的一大重要因素，小高层、大开间是城市建筑群的大趋势，而磷石膏填充墙目前只能适用于农村低（多）层、小开间的建筑。

在今后的研究中， 可以从材料与结构两方面对磷石膏填充墙进行改进。磷石膏材料的软化系数大，可以采用掺加外加剂的方法提高磷石膏的防水性能；向磷石膏中加入发泡剂、泡沫等减小它的密度，达到轻质的目的。“速成墙”适应于现代的发展方向，在其中加钢筋网、玄武岩纤维等，不仅能增大抗折、抗剪强度，还能使其在运输途中不易破坏，降低运输难度。要实现磷石膏的资源化利用，提高磷石膏的品质、减少杂质含量是基础，磷肥企业要根据所使用的磷矿质量，选择合适的工艺技术方案，加强对生产全过程管理。

3.3 社会经济效益

基于固体废弃物再生利用、 新型建筑填充墙材料革新以及建筑节能理念， 磷石膏填充墙具有以下应用价值。

1）固废利用，绿色可持续。 每消耗2 500 万～3 000 万m3磷石膏可解放1 km2的堆场土地资源，允许年产50 万t 的磷酸厂（磷石膏年产量约250 万t）运行10～12 a，有利于磷化工行业可持续发展。

2）高效省钱，需求量高。制品用磷石膏轻集料每立方米成本约为101.7 元，远低于碎石、页岩陶粒每立方米成本，性价比高；当使用磷石膏浇筑成10 cm厚的填充墙时，10 万m2的小区就可消耗3 万t 的磷渣，需求量高。 2008 年开磷集团自主研发的高强耐水磷石膏砖累计利润达到了2 000 万元。 在实际工程中，也因磷石膏保温隔热隔音的优点，代替了其余节能材料，工程造价总体降低。贵州宏福公司职工住宅小区使用了磷石膏填充墙，相比于传统结构，钢筋节约了30%，单位预算价下降了90 元/m2，总造价节约了518.5 万元［53］。

3）墙材革新，节能减排。中国每年生产粘土砖消耗粘土资源约10 亿m3， 相当于毁坏良田333 km2。截至2015 年，中国新型墙材应用量超过了75%，但粘土砖仍占较大比例， 难以满足建筑节能与绿色建筑的要求， 现浇磷石膏填充墙的应用有利于建筑节能减排。

4 结论与展望

本文基于国内外磷石膏的发展现状， 总结了磷石膏的优缺点，探究了磷石膏填充墙的发展潜力，最后对磷石膏填充墙得到如下结论和展望：

1）磷石膏填充墙能够从根本上解决磷石膏的处理问题，既能减少磷石膏堆存带来的环境污染，又能达到保温隔热隔音的节能目的，还能带来经济收益，是一种可持续发展的新型填充墙。2）研究结果表明，磷石膏中含有的杂质使它和传统墙体材料在性能上有很大的差异，在合理的配合比设计下，磷石膏强度等方面能够达到标准要求，可以用于建筑结构中。3）为了更好地推广磷石膏填充墙的应用，应该着重研究磷石膏填充墙的抗弯、 抗剪、 抗冲切和抗震性能，研究使用过程中的检测和修复的办法。4）从材料上对磷石膏进行改性，从结构上进行优化，为磷石膏填充墙装配式化提供参考。