磷石膏物理力学特性分析

修宗甲

（中国冶金地质总局一局五二〇队，河北 邢台 054000）

湿法磷酸生产工艺具有明显的成本优势，被国内外广泛应用［1］，一般采用硫酸分解磷矿制得磷酸，每生产磷酸1 t约产生磷石膏5 t［2-4］。化学反应式如下：

磷石膏属于Ⅱ类一般工业固废，湿法运行条件下呈强酸性，含氟化物、磷酸等诸多有害杂质，无害化处理成本高，综合利用率低，大部分采用筑坝堆存方式处置［5-6］。据中国磷复肥工业协会统计，2010 年以来，我国磷石膏产生量平均约75 Mt/a，还在持续增长，堆存占用的土地越来越多。

磷石膏与尾矿在物理力学特性等方面存在较大差异，堆存设计却采用了同样的方法，环境风险较大，也存在一定的安全隐患。因此，需对磷石膏的物理力学特性进行研究，指导磷石膏库的堆存设计和运行管理，克服安全和环境风险，同时为磷石膏的综合利用提供依据，提高土地的利用率。

1 磷石膏的化学组分

磷石膏为灰白色粉末状物质，不同地方磷石膏的主要矿物成分及含量基本类似［7-8］。以国内某知名磷化工企业生产的磷石膏为研究对象，通过X射线衍射（XRD）测试得知磷石膏的化学组分见表1。

表1 磷石膏化学组分 %

由表1 可知，该磷石膏中主要化学组分为CaSO4·nH2O，有害物质主要为磷、氟。

2 磷石膏物理性能

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）的方法，测得磷石膏的相对密度为2.41；最大干密度1.557 g/cm3，w（H2O）15.6%（烘干温度为（40±1）℃）；塑限18.5%，液限30.9%。

2.1 颗粒特性

磷石膏的颗粒特性对整体堆体的性质影响较大，是十分重要的物理指标。参考GB/T 50123—2019，采用甲种密度计法测定磷石膏的颗粒分布，颗粒粒径分布曲线见图1，粒径参数见表2。

图1 磷石膏颗粒粒径分布曲线

表2 磷石膏粒径参数

从磷石膏粒径分布曲线可以看出，所有颗粒粒径均位于0.1 mm 以内，黏粒约占8%，根据土的工程粒径分类，磷石膏属于细粒组中的粉粒，因此其可塑性较差。由不均匀系数Cu和曲率系数Cc可知，磷石膏粒径分布较为均匀，级配不良。

2.2 渗透性

采用变水头法，研究不同固结压力下磷石膏的渗透系数，结果见图2。

图2 磷石膏渗透系数与固结压力的关系曲线

由图2 可知，磷石膏的渗透系数为10-5～10-2cm/s，不同固结压力下，磷石膏的渗透系数相差较大。压力越大，磷石膏试样的固结程度越高，孔隙率越小，渗透系数越小。在实际堆体中，不同堆体高度、不同密度下磷石膏的渗透系数差异较大。

另外，磷石膏的渗透性还受堆存方式等其他因素的影响，导致部分区域的试样渗透系数有时相差上百倍。一般湿排方式的磷石膏渗透系数比干排更低，这主要由两个因素导致：（1）湿排时水溶液携带的盐分会析出，同时酸性条件也加速了磷石膏中硫酸钙晶须形成，使得磷石膏的密实度更大，孔隙变小，渗透系数更低；（2）湿排时磷石膏堆体更加密实，细颗粒随着水在孔隙中流动，会重新分配，填充孔隙，使得渗透系数相对更小。

3 磷石膏力学性质

3.1 变形特征

固结压缩特性是评价土类材料堆积效果的一种方式，固结压缩程度影响堆体的稳定性、渗流和沉降等。根据目前国内磷石膏堆体的堆载高度，施加垂直压力至1 600 kPa 为止，磷石膏固结变形参数见表3。

表3 磷石膏固结变形参数

从表3 可以看出：（1）根据《建筑地基基础设计规范》GB J7—1989 规定的压缩系数av，磷石膏属于低压缩性土；（2）压缩系数av随压力的增加而逐渐降低，压缩模量Es随压力的增加而逐渐增大；（3）不同固结压力下，磷石膏的竖向固结系数Cv与水平固结系数Ch基本一致。

3.2 强度

强度是分析堆体稳定性最重要的指标之一，一般散体材料强度主要影响因素有水含量、固结程度、颗粒组成。采用直剪方法，以磷石膏材料为对象，分别研究湿法堆存和干法堆存，以及饱和和非饱和状态下磷石膏的抗剪强度，不同状态下磷石膏抗剪强度曲线见图3，强度参数见表4。

图3 磷石膏抗剪强度曲线

从表4可以看出：（1）自然沉积样的强度最大，说明磷石膏湿法堆存时堆体稳定性优于干堆；（2）水对磷石膏堆体的强度有一定影响，会降低堆体强度。

在实际堆存中，磷石膏强度除了受以上因素影响外，还受到以下两个主要因素的影响：（1）在一定条件下，磷石膏会慢慢产生一些强度比较高的磷石膏晶须，加强堆体强度；（2）湿排磷石膏由于溶液中盐分的析出，堆体强度提升明显。正因如此，经常出现磷石膏堆体高度超过10 m 的近垂直面而不发生破坏垮塌的现象。

4 结论

（1）磷石膏颗粒分布均匀，属于粉粒组，级配不良，且黏粒占比少，可塑性较差。

（2）磷石膏渗透系数为10-5～10-2cm/s，渗透系数受压力的影响较大，压力越大，固结程度越高，渗透系数越小。

（3）磷石膏属于低压缩性土，且竖向固结系数与水平固结系数基本一致，压缩模量随压力的增加而逐渐增大。

（4）磷石膏湿法堆存时堆体稳定性优于干堆，但是水会降低磷石膏的强度，因此湿堆时控制坝体浸润线，对堆体稳定性的提高至关重要。