磷石膏在公路建设中的循环利用研究现状

宗 炜，张厚记，林小玉，区 桦，廖俊旭

(中南安全环境技术研究院股份有限公司，武汉 430071)

磷石膏是工业上湿法制备磷酸的副产物，湿法制备磷酸是以硫酸和磷矿石为原料生产磷酸的主流工艺。湿法制备磷酸过程中，磷石膏与磷酸产量比率大致在4.5～5.5∶1之间，截至2020年中国磷石膏总堆存近6亿t，年排放量约8 000万t。目前全国超过60%的磷石膏采用谷底堆放，磷石膏中残留的酸、磷、氟、有机物等杂质可能随着雨水污染土地、地下水。据公开资料统计，截至2019年底，国内磷石膏利用率不足40%[1]。公路建设由于点多、线长、面广的特点需要消耗大量原材料，如果能够将磷石膏作为道路材料使用，既能快速大量消纳磷石膏，提高磷石膏循环利用率，又能推动公路基础设施建设的绿色可持续发展，具有十分重要的现实意义。

1 磷石膏在公路建设中的循环利用应用研究现状

1.1 磷石膏制备胶凝材料

1.1.1 制备磷石膏基胶凝材料

磷石膏经100～150 ℃高温脱水形成半水石膏可用于制备石膏胶凝材料，也可与粉煤灰、水泥和石灰等制备复合胶凝材料，是磷石膏资源化利用的一个重要途径。目前磷石膏基胶凝材料制备存在的一个主要问题是，磷石膏含有的磷和氟杂质会导致胶凝材料性能降低，实际生产中要对磷石膏进行预处理，以消减其中的可溶磷和氟杂质。

日本磷酸株式会社的千叶磷酸厂和法国Rhone-Poulenc公司研究实现了磷石膏制备石膏胶凝材料的工业化生产[2]。通过石灰中和法，将磷石膏70%～80%的可溶性磷和氟杂质转化为不可溶性磷和氟，制备的石膏胶凝材料表现出较好的性能。

武汉理工大学林宗寿等进行了磷石膏基水泥开发[3]，通过大量试验，以未经锻烧处理的磷石膏为主要原料，通过添加矿渣、熟料、钢渣等，制备出新型低能耗的过硫磷石膏基矿渣水泥。

魏兴等[4]以磷石膏、无水石膏、钢渣和水泥熟料为原材料，通过复配制备磷石膏复合胶凝材料。结果表明，当磷石膏掺量35%、无水石膏掺量5%、钢渣掺量10%、熟料掺量50%时，制备出的胶凝材料满足 PO42.5R等级要求。

杨敏[5]等制备了磷石膏-水泥-粉煤灰-石灰复合胶凝材料，并向复合胶凝材料中掺加0～15%的锻烧磷石膏，认为锻烧磷石膏的掺量为8%时，复合胶凝材料强度最高。

现阶段，磷石膏基胶凝材料的开发是国内学者的重点研究方向。

1.1.2 磷石膏制取硫酸联产水泥

磷石膏高温分解后可产生CaO和SO2，其中CaO可为硅酸盐水泥熟料矿物的形成提供钙质，SO2可以收集制备硫酸，制取硫酸联产硅酸盐水泥是目前磷石膏循环利用的重要途径之一。

重庆大学黄永波利用磷石膏制备了硫硅酸钙-硫铝酸钙水泥[6]。研究表明，直接利用磷石膏制1 t硫硅酸钙-硫铝酸盐水泥熟料可消耗磷石膏0.39 t；利用磷石膏分解制备1 t熟料可消耗磷石膏1.61 t。从单位质量的水泥熟料磷石膏消耗量的角度来看，该技术能够实现磷石膏的有效资源化利用。

与此同时，磷石膏制取硫酸联产水泥的规模化、工业化生产方面，鲁北集团已开发石膏制硫酸副产水泥协同处理废硫酸综合利用技术，形成磷铵配套硫酸、水泥生产共生模式。用磷石膏生产熟料，水泥熟料再与锅炉灰渣、磷石膏等共同生产成品水泥；磷石膏分解产生的二氧化硫窑气制硫酸，硫酸返回用于生产磷铵。上一道产品的废弃物成为下一道产品的原料，硫酸在装置中循环使用，资源在生产全过程得到循环、持续利用，整体效果较好，但仍然存在能耗高、水泥熟料煅烧过程中磷石膏分解稳定性差、性能有待进一步提升、设备腐蚀和粉尘堵塞等技术瓶颈。

1.2 磷石膏在公路路基/基层材料中的应用现状

1.2.1 磷石膏应用于公路路基填料

将磷石膏用于填筑路基，国内学者做过一些尝试性探索。凌天清等[7]通过室内和野外试验，就磷石膏应用于路基工程的可行性、力学性能进行研究，并修建了试验路。施工中发现磷石膏对水很敏感，未碾压的磷石膏遇雨水后性质类似弹簧土无法压实，施工时必须严格控制含水率。

克高果等人提出将磷石膏在受控温度和时间下进行煅烧作为改性剂，与磷石膏废料混合后作为路基填料的方法，并通过室内试验和试验路验证了其可行性，认为煅烧磷石膏的活性可以促进硅铝质原料水化反应，加7%～9%煅烧磷石膏能明显提高磷石膏的路用性能[8]。

李章锋[9]等对不同配合比磷石膏改良土进行击实、CBR和无侧限试验，研究认为：纯磷石膏水稳定性差，具有较强的亲水性，压实以后会吸收水分而变软，强度大幅度降低引起路基的变形，不适宜用作路基填料。

陶松[10]等通过添加适量稳定剂验证了磷石膏-粉煤灰结合料用作道路填料的可行性。

总体来看，由于采用磷石膏填筑路基施工难度大、质量不稳定、路基干湿循环作用下容易产生膨胀开裂等问题，国内外对磷石膏及其改良土做路基填料的研究较少，成功案例并不多。

1.2.2 磷石膏应用于公路基层材料

从2008年开始(包括在公路基层中的研究)磷石膏的相关研究出现稳步增长趋势，特别是2017-2019年，相关文献出现爆发式增长[1]成为近年来的研究热点。

对于磷石膏在公路基层中的应用，早期工程实践表明，磷石膏基层材料存在强度不足和水稳定性较差等问题，限制了其规模化应用。近年来国内外研究人员通过加入水泥、粉煤灰等其他胶凝材料或者加入固化剂、激发剂等来改善磷石膏基层材料早期强度，取得了一定的进展。

赵艳等进行了磷石膏二灰混合料性能研究，认为磷石膏可以提高二灰混合料的早期强度，但磷石膏含量过大会导致混合料膨胀，甚至丧失强度[11]。

丁建文等以道路实体工程建设为背景，指出磷石膏直接取代二灰土中的粉煤灰大剂量应用于道路底基层，在富水环境下引发吸水膨胀是导致工程病害的根本原因[12]。

余建伟[13]等进行不同配合比的磷石膏-二灰混合料性能试验，研究认为在二灰中掺入磷石膏取代部分粉煤灰可提高其强度、回弹模量、抗冲刷性和水稳定性，但磷石膏与粉煤灰的比例超过1∶3～1∶1反而会影响上述性质。

周明凯等[14]探讨了水泥磷石膏稳定碎石强度的影响因素，认为水泥磷石膏稳定碎石是一种整体性能优异的路用基层材料，磷石膏掺量8%时材料强度达到峰值。杜婷婷等[15]采用不同掺量的固化剂改良水泥磷石膏稳定材料，明显提高材料的无侧限抗压强度，且具有较好的水稳定性。

总体而言，目前普遍认为适宜配比的磷石膏和石灰、粉煤灰、水泥等复配作为基层材料具有较好路用性能；但是磷石膏的吸水膨胀、软化特性是阻碍大掺量磷石膏复合基层应用的重要原因。

1.3 磷石膏在公路建设中综合利用存在的问题及研究发展方向

1.3.1 磷石膏在公路建设中综合利用存在的问题

1)成分复杂。我国磷资源分布比较分散，且各地磷矿石成分相差较大，同时，由于生产工艺、原料不同造成磷石膏的成分、杂质含量不同，加工处理成本高、难度大。

2)潜在环境污染风险。磷石膏通常含有重金属元素，部分产地磷石膏还含有放射性物质，未经处理的磷石膏在公路建设使用过程中可能面临土壤、地下水、地表水环境污染。

3)循环利用率偏低。现有研究表明，低掺量磷石膏公路基层的路用性能较容易得到保证，满足环境安全性和综合路用性能的大掺量磷石膏基层需要进一步进行系统性研究。

4)产品成本高。受限于磷石膏自身的物理化学性质，部分产品生产工艺复杂、能耗高(如制硫酸联产水泥生产线)，生产成本高于目前主流成熟工艺，市场竞争力较弱。同时，磷石膏具有很强的地域特性，辐射半径小。我国磷石膏产地主要分布在湖北、云南和贵州的偏远地区，磷石膏材料一旦外运，还面临地区间环保政策阻碍和增加运输成本的问题，限制了磷石膏产品的进一步开发应用。

1.3.2 磷石膏在公路建设中综合利用研究发展方向

基于磷石膏物理化学特性及国内外研究应用过程中存在的问题，论文认为磷石膏在公路建设中综合利用发展方向有以下几点。

1)低成本的前端无害化处理技术。环境安全性是环保、交通主管部门在推动磷石膏规模化应用过程中重点关注的问题，研发低成本的前端无害化处理装置、专用固化剂、高分子包覆材料等将是解决这一痛点的重要手段。

2)满足环境安全性和公路路用性能要求的大掺量磷石膏复合稳定路基/基层材料。大掺量磷石膏复合稳定材料是可行且较好的磷石膏消纳途径，可以就近消耗大量磷石膏﹐对进一步提高磷石膏循环利用率，促进公路建设绿色可持续发展具有重要意义。

3)磷石膏复合稳定材料设计、施工一体化成套技术。目前磷石膏在公路建设中应用时面临无国家标准、无公路行业标准的困境，急需制定相关标准加以规范，并有效指导工程设计；同时，国内外许多磷石膏综合利用技术在研究过程中普遍侧重材料研发和试验室研究，忽视配套装备开发与施工工艺研究，导致实体工程应用时效果不良，因此急需形成一体化成套设计、施工技术。

3 结 论

a.截至2020年中国磷石膏总堆存近6亿t，年排放量约8 000万t，年均综合利用率不足40%。如何将磷石膏安全、有效的在公路建设中循环利用，已经成为近年来国内外研究的热点。

b.磷石膏由于其液限、塑性指数偏高并具有一定吸水膨胀特性，不宜直接做路堤填料，需要改良处置后才可用于路基施工。

c.现阶段，磷石膏基胶凝材料开发、制备硫酸联产水泥等技术是国内学者的重点研究方向，并取得了一系列科研成果，已成为磷石膏的多元化循环利用的重要途径之一。

d.满足环境安全性和公路路用性能要求的大掺量磷石膏路基/基层材料研发及其设计、施工一体化成套技术将是未来磷石膏在公路建设中大规模消纳的重要突破点。