磷石膏是磷復(fù)肥工業(yè)的副產(chǎn)物，它的綜合利用對于環(huán)保、節(jié)能以及磷復(fù)肥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重大的現(xiàn)實意義。本文介紹了磷石膏自身的特點及其應(yīng)用的影響因素，綜述了國內(nèi)外磷石膏在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用情況,并指出了磷石膏在建材領(lǐng)域應(yīng)用中存在的一些問題。
　　01、引言
　　磷石膏是生產(chǎn)磷酸、磷肥時排出的固體廢棄物，每生產(chǎn)1噸磷酸約產(chǎn)生4~5噸磷石膏。從全世界范圍來看，磷石膏的年排放量已達(dá)到了280Mt。目前全世界磷石膏的有效利用率僅為4.5%左右，日本、韓國和德國等發(fā)達(dá)國家磷石膏的利用率相對高一些，其他不發(fā)達(dá)國家磷石膏的利用率相對很低，一般以直接排放(拋棄)為主，如我國綜合利用率只有10%左右。我國磷化工行業(yè)每年排放磷石膏量約5000萬噸，占工業(yè)副產(chǎn)石膏的70%以上，而且以每年15%的速率增長，目前全國磷石膏累計堆存量超過1億噸，不僅大量占用土地，而且容易造成環(huán)境污染，成為困擾磷化工業(yè)健康發(fā)展的一大難題。為此，中國磷肥工業(yè)協(xié)會提出，“十一五”期間，磷石膏年處理量要超過1000萬噸，到2010年綜合利用率要提高到20%。磷石膏的資源化對于環(huán)境保護(hù)、節(jié)約資源和磷肥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。
　　利用磷石膏生產(chǎn)石膏建材是磷石膏資源化利用的一個重要的方向。以磷石膏為原材料生產(chǎn)建筑石膏粉及相關(guān)建材制品、水泥緩凝劑等，不僅可化害為利，變廢為寶，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且對保護(hù)耕地、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約建筑能耗有著十分重要的意義。但磷石膏不同于天然石膏，由于它本身含有的雜質(zhì)和顆粒結(jié)構(gòu)的差異，使其不能直接代替天然石膏用于生產(chǎn)石膏建材。
　　本文簡要介紹了磷石膏的組成特點及其應(yīng)用的影響因素，綜述了磷石膏在建材方面的應(yīng)用，并為磷石膏在建材方面的應(yīng)用提出相應(yīng)的建議。
　　02、磷石膏特點及影響因素
　　磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O，pH值約為1.5~4.5，呈酸性，含水率很高，由于含有未分解的磷礦、未洗滌干凈的磷酸、氟化鈣、鐵鋁氧化物、酸不溶物、有機(jī)物等少量雜質(zhì)呈淺灰白色，能溶于酸、銨鹽、甘油，微溶于水，不溶于乙醇，128℃時失水呈半水石膏(CaSO4·1/2H2O)，160℃時失水成無水石膏。此外，用于建材行業(yè)的磷石膏的放射性應(yīng)符合GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》中的規(guī)定。
　　磷石膏中由于含有磷、氟、有機(jī)物等多種雜質(zhì)，使其性能不如天然石膏，不能直接作為石膏建材使用。探明雜質(zhì)對磷石膏性能的影響規(guī)律，對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的預(yù)處理以消除有害雜質(zhì)影響，是磷石膏資源化的關(guān)鍵問題之一。國內(nèi)外對磷石膏中雜質(zhì)及其對性能的影響進(jìn)行了廣泛的研究。磷石膏多種雜質(zhì)中，磷對磷石膏性能影響最大，具體表現(xiàn)為延長磷石膏凝結(jié)時間，降低硬化體強(qiáng)度。磷石膏中磷組分主要有可溶磷、共晶磷、沉淀磷三種形態(tài)，以可溶磷對性能影響最大。有機(jī)物、共晶磷是僅次于可溶磷的有害雜質(zhì)。H.Ölmez等用紅外吸收光譜證實了共晶磷的存在；彭家惠等研究了有機(jī)物的種類、結(jié)構(gòu)以及有機(jī)物和共晶磷在磷石膏中的分布規(guī)律，并證實了它們對磷石膏性能的影響。可溶性氟使建筑石膏凝結(jié)時間縮短。
　　磷石膏因其雜質(zhì)的影響，要直接用于生產(chǎn)石膏建材，應(yīng)進(jìn)行一定的預(yù)處理。常用的預(yù)處理工藝有水洗、石灰中和、球磨、浮選、篩分、煅燒以及陳化等[27]。在實際利用時不僅要考慮磷石膏中存在的雜質(zhì)種類及數(shù)量，還應(yīng)考慮其利用途徑和經(jīng)濟(jì)性，綜合各種因素來選擇經(jīng)濟(jì)而又合理的預(yù)處理方式。
　　03.磷石膏在建材領(lǐng)域的應(yīng)用
　　3.1磷石膏用于生產(chǎn)石膏膠凝材料
　　磷石膏用于生產(chǎn)石膏膠凝材料主要有α型和β型半水石膏。其工藝流程大體上分兩類：一類是利用高壓釜法將二水石膏轉(zhuǎn)換成α型半水石膏，即：磷石膏廢渣→浮選除雜→水熱轉(zhuǎn)化→真空固液分離→成型。如德國的居利尼公司(Gebr，Giulini)，將二水石膏水洗后再用高溫高壓蒸汽處理，將其轉(zhuǎn)化成α型半水石膏。英國ICI公司則先加水將磷石膏制成料漿，洗滌后送入高壓釜中轉(zhuǎn)化。南京化學(xué)工業(yè)公司磷肥廠與上海建筑科學(xué)研究所合作制取的α型半水石膏，其抗拉強(qiáng)度達(dá)40MPa。南京大廠鎮(zhèn)建材廠利用南京化學(xué)工業(yè)公司磷肥廠的副產(chǎn)物磷石膏生產(chǎn)α型半水石膏，產(chǎn)品質(zhì)量超過二級建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)。我國東南大學(xué)也對磷石膏制α半水石膏工藝進(jìn)行了研究與開發(fā)，該法是將磷石膏加水制成料漿，在反應(yīng)釜中反應(yīng)，并加入媒晶劑，使生成的α半水石膏晶形發(fā)育完全、強(qiáng)度高。另一類是利用烘烤法使二水石膏脫水成β型半水石膏，即：磷石膏廢渣→浮選除雜→固液分離→干燥→煅燒→粉磨→成品。法國羅納-普朗克(Rhone-Poulenc)公司將磷石膏初洗，過濾除雜，再加入石灰中和或浮選除雜，于沸騰爐或煅燒窯內(nèi)煅燒生產(chǎn)β型半水石膏。
　　另外，將磷石膏煅燒成無水石膏，同時除去有機(jī)物和共晶磷，在其活性激發(fā)的基礎(chǔ)上，用無機(jī)活性材料改性，可制得無水石膏膠結(jié)料。德國克納夫工藝的SⅡ法、SⅢ法無水石膏膠結(jié)料已在德國和比利時投入工業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)有研究表明，磷石膏基無水石膏膠結(jié)材，除保持了石膏基材料的優(yōu)點外，且耐水性與強(qiáng)度大大優(yōu)于建筑石膏，可用于配制砌筑、抹面砂漿，生產(chǎn)輕質(zhì)砌塊等。
　　發(fā)展中國家石膏膠凝材料占水泥產(chǎn)量的6%~26%，而目前中國石膏膠凝材料占三大膠凝材料的比重僅為0.14%，因此，利用磷石膏開發(fā)石膏膠凝材料發(fā)展?jié)摿�極大。
　　3.2磷石膏在水泥行業(yè)的應(yīng)用
　　3.2.1用作水泥緩凝劑
　　日本早在1955年就著手磷石膏作水泥緩凝劑的開發(fā)工作，1958年建成了第一個工業(yè)規(guī)模的磷石膏廠，開始取代天然石膏。例如，日本日產(chǎn)化學(xué)公司將經(jīng)過干燥的磷石膏用石灰中和后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯煅燒，控制煅燒條件，使其變成半水石膏與無水石膏的混合物，并在盤式�；�器中加水造粒(重新水化成二水石膏)，制成水泥緩凝劑。今天，日本的水泥工業(yè)已幾乎不再采用天然石膏了。除日本以外，世界上其他國家也有類似于日本的煅燒轉(zhuǎn)化法的生產(chǎn)裝置，其中菲律賓有一套150kt/a裝置，韓國有一套200kt/a的裝置。我國磷石膏利用的研究開發(fā)工作起步較晚，特別是利用磷石膏作水泥緩凝劑的研究工作進(jìn)展較慢。目前銅陵化工集團(tuán)磷石膏綜合開發(fā)公司有一套100kt/a水泥緩凝劑生產(chǎn)裝置，該裝置工藝類同于日本的煅燒轉(zhuǎn)化工藝，于1999年8月投產(chǎn)，產(chǎn)品已銷往銅陵水泥廠、海螺集團(tuán)銅陵分廠等單位，用戶反映良好；另外，陜西華縣化工建材廠也建成了一套30kt/a的水泥緩凝劑生產(chǎn)裝置。
　　國內(nèi)外對磷石膏作水泥緩凝劑及其對水泥性能的影響也做了相應(yīng)的研究。如J.H.Potgieter[60]等研究表明磷石膏可以成功的代替天然石膏作為水泥緩凝劑用于普通硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥中。彭家惠等研究指出磷石膏經(jīng)石灰中和后于800℃煅燒的無水石膏作水泥緩凝劑，克服了磷石膏作緩凝劑時水泥早期強(qiáng)度降低的缺陷，其強(qiáng)度性能優(yōu)于采用天然石膏的水泥。鄭建國[62]等研究指出通過加入適量生石灰使磷石膏改性，可有效消除可溶磷對水泥性能的不良影響。
　　3.2.2用磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)硅酸鹽水泥
　　磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥的工藝原理是將磷石膏高溫分解，所得SO3用于生產(chǎn)硫酸，CaO用于生產(chǎn)水泥。20世紀(jì)六七十年代歐洲開發(fā)出轉(zhuǎn)窯法煤還原磷石膏生產(chǎn)硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥的工藝，1986年云南磷肥廠建成國內(nèi)第一套磷石膏生產(chǎn)100kt/a硫酸聯(lián)產(chǎn)100kt/a水泥裝置，1999年山東魯北化工集團(tuán)公司采用自主知識產(chǎn)權(quán)開發(fā)了旋風(fēng)預(yù)熱器窯外分解煅燒技術(shù)，建成600kt/a磷銨裝置副產(chǎn)磷石膏制800kt/a硫酸聯(lián)產(chǎn)1200kt/a水泥裝置。從長遠(yuǎn)來看磷石膏生產(chǎn)硫酸、水泥工藝只要具有一定的規(guī)模并大力降低能耗，是有一定競爭力的，不失為是一條具有前景的出路。
　　3.2.3用磷石膏低堿度水泥和礦渣水泥
　　生產(chǎn)硫鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽水泥等低堿度水泥時，生料配料需要石膏，熟料燒成后，還需要外摻石膏磨制水泥，需要石膏量大，完全可以利用工業(yè)廢渣磷石膏代替天然石膏。李德棟等研究表明：摻入磷石膏可改善水泥生料的易磨性和易澆性，使生料和熟料產(chǎn)量都有提高，并可改善熟料的凝結(jié)特性，隨著磷石膏摻入量的增加，熟料的早期強(qiáng)度有下降的趨勢。
　　用礦渣、無水磷石膏和熟料配制的磷石膏礦渣水泥可用于某些特殊工程，其硫酸鈣含量可達(dá)15%~18%，可防止硫酸鹽侵蝕[46]。
　　3.2.4用作水泥生產(chǎn)中的礦化劑
　　水泥生產(chǎn)中，在生料中加入適量的SO3和F-可起到礦化作用，通過活化二氧化硅來降低液相的形成溫度，改善熟料的礦物組成，在實際生產(chǎn)中通常是加入硫酸鈣和氟化鈣。磷石膏主要成分是二水硫酸鈣及少量的氟化鈣，無需預(yù)處理就可直接作為礦化劑使用，同時還含有少量P2O5，在生產(chǎn)過程中對C3S的形成及游離氧化鈣的吸收有促進(jìn)作用。周志宏等人通過實踐證明，磷石膏的礦化作用略優(yōu)于天然石膏，可達(dá)到提高水泥熟料的質(zhì)量，降低熟料燒成溫度的效果。
　　3.3磷石膏在建材制品方面的應(yīng)用
　　磷石膏經(jīng)預(yù)處理后煅燒生產(chǎn)的建筑石膏，可以用于制造紙面石膏板、纖維石膏板、空心條板、空心砌塊、建筑標(biāo)準(zhǔn)磚以及其他石膏膠結(jié)材，如粉刷石膏、嵌縫石膏和充填石膏等建材制品。這些產(chǎn)品具有良好的絕熱性和溫度調(diào)節(jié)性，易于施工、裝飾效果好，具有很好的市場前景，是磷石膏利用的有效途徑。
　　3.3.1石膏板材
　　處理后的磷石膏可代替天然石膏生產(chǎn)石膏板，這在國外早有成功的經(jīng)驗，如日本、韓國和德國的磷石膏利用率都很高。其中板材的主要形式有紙面石膏板、纖維石膏板、麥草石膏板和石膏隔墻板等。日本每年有2Mt磷石膏制成紙面石膏板，德國和英國每年約有1Mt磷石膏制成紙面石膏板。我國紙面石膏板的開發(fā)始于70年代，通過引進(jìn)、消化和吸收，中國建材集團(tuán)杭州設(shè)計研究院先后開發(fā)了400萬m2/a、2000萬m2/a和3000萬m2/a國產(chǎn)化紙面石膏板生產(chǎn)線；合肥四方磷復(fù)肥有限責(zé)任公司與合肥鴻鵬商貿(mào)有限公司合作開發(fā)了磷石膏生產(chǎn)石膏板等裝飾材料，可處理磷石膏400t/d；銅陵化工集團(tuán)準(zhǔn)備建設(shè)1套4×107m2/a紙面石膏板生產(chǎn)線，以消耗該廠副產(chǎn)的大量磷石膏[68]。據(jù)不完全統(tǒng)計，2005年國內(nèi)紙面石膏板產(chǎn)量約為2×108m2，其中以天然石膏為原料的有(1.4~1.5)×108m2，以磷石膏為原料的為(5~6)×107m2，每年可消耗磷石膏400~500kt；纖維石膏板、麥草石膏板及石膏隔墻板等裝飾石膏板總產(chǎn)量約為2×107m2，主要是以天然石膏為原料，約占到90%；磷石膏為原料的只占到10%，僅消耗磷石膏20kt。
　　3.3.2粉刷石膏
　　粉刷石膏是一種新型的抹灰材料。由于其凝結(jié)硬化快、黏結(jié)力強(qiáng)、防水性能好、體積穩(wěn)定性好、質(zhì)地細(xì)膩光滑，具有一定的保溫、隔熱、吸聲性能，施工方便，因此在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，2005年國內(nèi)粉刷石膏對石膏的需求量約為2Mt，幾乎全部是以天然石膏為原料的，所以利用磷石膏生產(chǎn)粉刷石膏的市場前景相當(dāng)可觀，不僅能夠節(jié)能利廢，保護(hù)環(huán)境，而且還具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)有研究表明，采用石灰中和球磨預(yù)處理工藝，制成優(yōu)等品建筑石膏，在此基礎(chǔ)上，利用復(fù)合緩凝劑、保水劑的超疊效應(yīng)，配制出性能良好的磷石膏基粉刷材料，中試和工程試用表明，它的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)粉刷材料，是市場前景廣闊的新型粉刷材料。
　　3.3.3墻體材料
　　歐洲等發(fā)達(dá)國家石膏墻體材料占全部墻體材料的50%以上，美國更高達(dá)70%。據(jù)不完全統(tǒng)計，2005年國內(nèi)石膏墻體材料產(chǎn)量為60Mt，其中以天然石膏為原料的約55Mt，約占到91.7%；磷石膏為原料的僅占到8.3%，約消耗磷石膏250kt。由于現(xiàn)有的黏土磚耗用大量耕地而被國家明令限制，而燒結(jié)類墻材也因為耗能大逐漸被非燒結(jié)類墻材所代替，所以利用磷石膏生產(chǎn)非燒結(jié)磚和砌塊前景相當(dāng)可觀。俞波和陳吉春研究了非煅燒磷石膏磚，通過試驗確定了生產(chǎn)高強(qiáng)磷石膏磚原料的配合比及成型壓力。趙建華等[72]利用磷石膏研制了耐水性石膏砌塊，在實驗室進(jìn)行了工藝配方的研究，并投入實踐。2001年，北京力博特爾科技有限公司開發(fā)出年產(chǎn)(5~150)×104m2石膏空心砌塊智能化控制生產(chǎn)流水線，投資僅為國外的1/10，目前該裝置生產(chǎn)的石膏空心砌塊已在建筑行業(yè)投入使用。目前，國內(nèi)石膏砌塊的發(fā)展較快，山東省建成或擬建40~60萬噸的生產(chǎn)線有4~6條，預(yù)計2010年國內(nèi)石膏砌塊的年產(chǎn)量將達(dá)到2000萬m2。
　　3.4磷石膏生產(chǎn)筑路材料
　　用磷石膏對二灰土(用石灰、粉煤灰作固化劑穩(wěn)定土料)進(jìn)行增強(qiáng)改性，生產(chǎn)出一種“高性能的磷石膏二灰穩(wěn)定土半干性基層材料”，可有效避免二灰土作路面基層其早期強(qiáng)度低的缺點，還能進(jìn)一步改善二灰土的抗裂性，該筑路材料的推廣應(yīng)用可大量消耗磷石膏。法國、比利時、印度、前蘇聯(lián)、美國等都在用磷石膏作筑路材料。美國佛羅里達(dá)磷酸鹽研究所將磷石膏用于停車場路面，以及將磷石膏用作公路路基，均取得良好效果。
　　3.5其他方面
　　磷石膏還可以用于生產(chǎn)新型建筑材料，如新型石膏陶瓷裝飾材料、石膏基導(dǎo)電材料、石膏基磁性材料、新型隔熱材料、新型磷石膏基聚氯乙烯型材、高水速凝固材料——礦山填充劑、自流平材料等。
　　04、結(jié)語
　　隨著我國城市化進(jìn)程加快，對建材的需求量持續(xù)增長，其中石膏建材作為綠色生態(tài)建材以其優(yōu)異的性能而越來越受關(guān)注。目前，磷石膏的排放量已經(jīng)給環(huán)境、企業(yè)等造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，其資源化利用迫在眉睫。磷石膏的資源化利用應(yīng)重點著眼于生產(chǎn)水泥緩凝劑和建筑石膏膠凝材料。我國水泥工業(yè)每年需作緩凝劑的石膏量約5000萬噸，這是一個及其廣闊的市場，如果利用磷石膏代替天然石膏，既能減少天然石膏資源的消耗，又可大量消耗磷石膏，降低環(huán)境負(fù)荷。我國石膏膠凝材料的比重還很低，但是隨著國家節(jié)能減排政策的推廣，利用磷石膏生產(chǎn)出來的建筑石膏膠凝材料必將在建材領(lǐng)域扮演重要角色。在此基礎(chǔ)上，利用磷建筑石膏生產(chǎn)出來的各種石膏制品如粉刷石膏等也將得到廣泛的應(yīng)用。
　　目前，雖然國內(nèi)磷石膏的綜合利用雖然取得一些可喜的成果，但是仍然存在一些急需解決的問題，如磷石膏的雜質(zhì)成分波動不定，預(yù)處理成本偏高以及其他化學(xué)石膏的沖擊等，因而必須加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,盡快摸索磷石膏雜質(zhì)對水泥緩凝劑和建筑石膏板等制品性能的影響規(guī)律，加快區(qū)域企業(yè)的合作力度，完善產(chǎn)業(yè)政策以及稅收財政政策。