磷石膏轻集料在建材领域开启新篇章

       混凝土材料是现代建筑行业用途最广、使用量最大的建筑材料之一。中国作为基建大国，每年混凝土的使用量高达25亿m'。

       天然砂石是混凝土材料中重要的组成部分，根据统计数据，中国建材行业每年消耗的砂石用量超过90亿t。而砂石作为不可回收的天然资源，大量的开发必然会造成环境恶化和能源消耗等问题，因此需要考虑用一种低附加值的产品来替代这些天然资源。

       磷石膏是化工企业湿法生产磷酸的工业副产品，也是中国湖北地区主要工业固体废弃物之一。根据统计数据，湖北地区当前有上百家大、中、小型化工企业，在化肥、硫酸、氨水、磷酸盐等的生产过程中，磷石膏工业固体废弃物的产量巨大，截至2020年底，湖北省磷石膏的堆存量已达2.96亿t，目前全省共有磷石膏库37座，总占地面积15.8km。未经处理的磷石膏堆放，不仅占用了大量的土地，而且对周边的生态环境（如地下水、大气、土壤等）造成严重污染，给当地居民带来巨大的生命财产损失。

       针对上述突出的民生问题，研究人员已经开展了关于磷石膏工业废渣资源化利用的研究，主要处理方式是利用磷石膏制造建筑石膏板材、改良碱性土壤，但是，这些处理技术对磷石膏工业废渣的消耗量远远不够，生产的附加值也很低，很难突破磷石膏工业废渣综合利用的技术瓶颈。

       因此，为解决这一突出矛盾和问题，研究人员利用磷石膏来制备轻质高强集料，然后将其纳入到应用最广的混凝土材料中，这既可以缓解天然资源的消耗，降低混凝土的成本，又可以大量减少磷石膏的堆积，提高磷石膏工业固体废弃物的资源化利用水平。

       当前，已有研究人员开展了以磷石膏工业固体废弃物制备轻集料以及将其用于生产混凝土材料的研究。

       水中和等研制出磷石膏掺量达80%及以上的轻质集料，并将该集料应用于道路基层。所制得的磷石膏轻集料固化时间短、吸水率低、养护龄期短且强度高。

       其中研究人员以含量（质量分数，%）80%以上的磷石膏和少量矿渣、水泥制备了一种新型人造集料，并探究了在不同暴露环境下，水化龄期达到1年的磷石膏轻集料中水化产物形态和微结构发展。研究结果表明，集料内部石膏颗粒呈现出以长条状颗粒形状为主的交错紧密堆积形态，占据集料大部分空间；大小不等的孔洞分布于集料内部。2、将改性的磷石膏轻集料应用到混凝土中。研究结果显示，改性的磷石膏轻集料混凝土在水化龄期28d可以达到C30混凝土强度标准。3、利用磷石膏轻集料制备了一种高性能巷道混凝土充填层材料，其成本低廉、强度可靠、流动性好、耐水性好；4、采用45%的磷石膏、49%的矿渣、2%的钢渣和4%的硅酸水泥熟料，经混合、粉磨制备了一种磷石膏矿渣基水泥。利用该水泥制备的混凝土强度等级，可以达到C40混凝土强度要求。

       从上述研究可以看出，当前磷石膏工业固体废弃物主要应用在低强度等级的混凝土中，这大大限制了磷石膏工业固体废弃物的应用范围。因此，可以考虑开发一种高强磷石膏基混凝土，来拓宽磷石膏基混凝土在实际工程中的应用，进而提高磷石膏的资源化利用水平。

       高强混凝土是一种新型水泥基复合材料，具有优异的力学性能以及高耐久性，已经应用于大跨度桥梁工程、建筑交通工程以及海洋工程等。虽然高强混凝土具有上述优点，但是由于高强混凝土高掺量水泥和极低的水胶比的特点，导致高强混凝土自收缩性较大，开裂风险很高。有研究表明，粗集料的加入可以改善高强混凝土体积稳定性，限制内部毛细应力的发展，有效降低高强混凝土的收缩开裂风险。因此，利用轻质磷石膏轻集料制备高强混凝土，不仅实现了磷石膏的高质化应用，大量减少磷石膏的堆积，还保证了高强混凝土良好的体积稳定性，降低了它的收缩开裂风险，为绿色生态磷石膏基高强混凝土的生产、制备、应用提供了理论支撑。