绪论
1.1研究背景及意义
如今，资源短缺，环境污染，发展绿色环保的建筑成为了全世界关注的焦点。2019 年《政府工作报告》中指出：要防治污染，保障生态环境具有良好的质量。磷石膏（Phosphogypsum，PG）是通过湿法生产磷酸产生的副产物，每生产 1 吨磷酸可产生 4-5 吨 PG(Rashad, 2017)。2019 年 4 月生态环境部印发《长江“三磷”专项排查整治行动实施方案》，其中提出“争取利用两年左右时间，重点解决磷矿、磷化工和 PG 库等突出生态环境问题。而长江上游大量不规范的 PG 堆存将成为土地和水体污染的重大污染源，同时由于占用大量土地产生大量维护费用(吴琼慧等,2020)。目前，全世界 PG 年产生量超过 3 亿吨，然而，只有 15%的生产材料被回收利用(Haridasan,2013)。中国 PG 年排放量近 7500 万吨，累计堆存超过5 亿吨，综合利用率为 40%(叶学东,2020)。如图 1-1，给出了中国近十年 PG消存量及利用比率，虽然 PG 利用率有所增长，但 PG 利用量与产生量差依然较大。
图1-1 PG 利用率及产消量
目前，PG 主要用于建筑行业，特别是作为水泥缓凝剂(Huangetal.,2011;Shenet al., 2012; Shen et al., 2014)或制作成石膏制品，如石膏板(Zhou et al., 2020;Thomas 2002)、石膏砖(Yang et al., 2009; Zhou et al., 2012)及外销进入其他国家，图1-2给出了中国近十年 PG 的利用途径占比。由图可知，PG 的利用率依然较低，因此寻找一条大规模、低成本、无害化的处理工艺，解决终端市场消纳问题，成为企业、科研院所科研创新的方向，也是当前 PG 综合利用最为关键的技术之一。而装配式磷石膏-混凝土组合墙板（Phosphogypsum-concretecompositewallboard，PCCW）有望成为处理 PG 的优化选择方案之一。以钢筋混凝土为框架，PGCM 为填充物的装配式 PCCW 可以充分利用 PG，缓解 PG 堆存问题，减少环境污染。同时，PG 制作建材具有易于施工、质量轻和美观、耐火等级高、无腐蚀性、无毒无味等特点(Yuetal.,2009; 李金叶,2019)，若将其作为墙体填充材料不仅可以增加 PG 的综合利用途径，同时增加墙体的耐火与隔声性能，是一种优异的绿色环保的材料，而预制的装配式 PCCW 质轻、易于安装，能有效加快施工速度，因此，有必要开展 PCCW 的性能的研究。
图1-2 PG 的利用途径
由于当前国家提出了节能、减排、降耗的经济发展方向， 所以目前低碳混凝土体系被广为研究。在建材行业，耐久性作为高性能混凝土的首要内涵已经获得众多学者的广泛认可。混凝土材料的耐久性也是绿色建筑物的重要内涵之一。在低碳发展经济模式的要求下，混凝土的耐久性对于积极推进绿色建材和绿色建筑理念的贯彻和实施，促进了经济社会的可持续发展，具有更重要的战略意义。
磷石膏是一种较难处理的工业固废，由于我国磷矿资源储量丰富，磷化工产业快速发展，产生极大的经济效益，但也因此排放了大量的磷石膏废渣。磷石膏最开始的处置方法是露天堆存，但随着磷石膏排放量逐年递增，堆存处理的磷石膏开始造成严重的环境污染问题，危害土地安全，造成环境污染和资源浪费。因此国家大力发展副产石膏产业化，资源化利用，鼓励加大包括磷石膏在内的多种副产石膏的综合利用，相关部门发布关于大宗固体废弃物综合利用的指示文件指出要积极制定引导、扩大工业副产石膏应用市场的鼓励政策。目前已有许多学者为了提高磷石膏的利用率，对磷石膏资源利用的方法进行了大量研究。本文在前人的研究基础上，把磷石膏作为一种原材料用于混凝土建材产品中，探寻较为高效、经济且可行的磷石膏处理方法，为解决磷石膏排放问题，加快磷石膏综合利用提供一定参考。
磷石膏是磷化工企业湿法生产磷酸的工业副产品。制取1 吨磷酸（以 100%P2O5 计）将产生 4.8～5.0 吨磷石膏就国内而言，磷石膏的产量由 2000 年的 1100 万吨增加到 2008年的 4000 多万吨，累计堆存量超过 1 亿吨。由于磷石膏长期以来没有得到很好应用，目前综合利用率仅 10%左右，年利用量在 400～500 万吨，并且每年都会逐步增长。磷石膏的排放和堆积，不但占用了大量的土地，而且造成了严重的环境污染和社会问题，因此磷石膏的资源化利用，一直是国内外学者的研究热点。磷石膏混凝土就是将把一定比例的磷石膏代替天然粗骨料制成的混凝土，因此磷石膏混凝土的对磷石膏的综合利用发挥到了极致。
7 结论与展望
7.1 结论
（1）在水泥胶砂单掺磷石膏试验中，分别选用 2%、4%、6%、8%、10%的磷石膏掺量来替代部分水泥测定水泥胶砂试件的抗压、抗折强度，实验表明当磷石膏掺量为 4%时，水泥胶砂的抗压、抗折强度均为最大，磷石膏掺量从 4%-10%时，水泥胶砂的抗压、抗折强度呈现线性下降趋势。
（2）对于双掺磷石膏、粉煤灰时，发现抗压、抗折性能最好的配合比是磷石膏掺量为2%，粉煤灰掺量为 15%，说明少量磷石膏与粉煤灰共同反应可提高水泥胶砂的力学性能。
（3）对于双掺磷石膏、矿粉时，通过实验数据分析表明，力学性能最好的组别是 K6组，即磷石膏掺量为 2%，矿粉掺量为 20%，对比发现矿粉相较于粉煤灰更利于水泥胶砂的强度增长。
（4）研究了磷石膏取代砾石集料制作预制混凝土和路基水稳材料的可行性。采用控制变量法，研究了不同磷石膏掺量，不同材料配比下磷石膏基预制混凝土的力学强度，微观形貌以及磷元素溶出情况。研究了在不同磷石膏掺量下，磷石膏基路基水稳材料的力学强度、多次干燥湿润循环后试件的稳定性。
（5）研究表明，随着磷石膏掺量的增加，预制混凝土砌块试件的性能会逐渐降低。将磷石膏仅作为集料掺入混凝土产品中对其性能影响较大，但是掺加粉煤灰、矿渣粉、偏高岭土等其他矿物掺和料后，在少量激发剂的激发下可以有效提高预制混凝土的力学性能，甚至减少水泥的掺量后仍然可以达到 Cc25 的设计强度。抗压强度最好的配比为磷石膏：水泥：偏高岭土：粉煤灰：粗砾石：细砾石：减水剂：水玻璃=40：10：4.32：3.68：42：0.18：0.18，其 28 d 抗压强度可以达到 30.71MPa。取一定量的样品浸泡在水中进行溶出实验，检测后发现被破坏的试件样品中磷元素溶出量很少，这说明该试件对有害元素的固定效果很好，安全系数较高，对环境不会造成二次污染。
7.2 展望
本文以提高磷石膏的利用率为目的，结合已有的研究成果和文献，研究设计了两种大掺量的磷石膏基混凝土建材产品，得到一定的研究成果，其基本力学性能能够满足一般的工程使用要求，但是仍有一些问题需要进一步进行研究：
（1）磷石膏基预制混凝土砌块的基本力学性能可以满足一般的使用要求，但是由于预制混凝土砌块相关标准制定仍不够完善，对其耐久性例如抗冻融性、耐腐蚀性等混凝土产品性能仍需要进行进一步的研究和规范。由于预制混凝土砌块在我国的发展较晚，相关技术也不够成熟，想要将其推广至市场并得到大众的认可仍需努力。
（2）本文中设计的磷石膏基路面基层无机结合料虽然可以达到公路路面的一般使用标准，但是在不使用激发剂的情况下，其强度仅能达到最低标准，而使用激发剂后，成本依旧会提高，相较于传统的半刚性无机结合料而言，优势并不明显。此外，对于大量使用磷石膏的新无机结合料，其实际使用寿命、抗风化作用、水对路基长期浸泡影响等要素尚需进一步研究。
参考文献 略
