磷石膏（PG）在路面基层与路基中的应用研究与进展：一篇综述

《Applied Research》：Research and Advances in the Application of Phosphogypsum in Pavement Base Course and Subgrade: A Review

　　

中文摘要翻译 磷石膏（phosphogypsum, PG）是磷酸生产过程中产生的副产品。随着磷化工产业的持续扩张，PG的产生量稳步上升。因此，不断增加的PG堆存量带来了显著的环境管理挑战。与此同时，道路建设行业迫切需要可持续、低环境影响的矿产资源。本综述通过考察PG资源化利用的综合策略，将这两个关注点联系起来。首先评估了PG的物理化学特性及常见的杂质去除技术。接着，考察了PG在路面基层和路基中的应用，重点关注PG与无机胶凝材料（如水泥或石灰）混合或与其他工业固体残渣协同利用的复合体系。此外，还涉及了其他应用，包括土壤改良、强度发展机制以及有害成分的固定化途径。对现有文献的综合分析表明，PG的功能性能并非取决于单一变量，而是依赖于预处理方法、胶凝材料类型、颗粒级配和使用条件的整体集成。证据表明，PG可通过硫酸根释放、二次水化产物形成和孔结构细化来增强混合料强度；然而，这一益处对原始PG的固有组成和最终配方的设计均高度敏感。为了实现环境友好的再利用，必须严格控制可溶性磷、氟化物、重金属和天然放射性核素。此外，性能验证必须涵盖真实的应力条件，包括车辆荷载、干湿交替环境和淋溶场景，同时在研究的每个阶段都嵌入环境保障措施。通过协调材料加工、结构功能和生态风险缓解，本文界定了PG在基础设施中可持续部署的边界条件。未来工作的优先领域包括可规模化且经济的预处理方法、标准化的耐久性测试规程、长期现场性能监测框架，以及明确定义的、基于科学的环境验收标准。

论文主体内容总结

1 引言

磷石膏（PG）是湿法磷酸生产过程中的副产品，每生产1吨磷酸约产生4至6吨PG。全球每年PG产量超过3亿吨，累积堆存量约60亿吨。大量堆存不仅占用土地，还可能因雨水入渗导致重金属、氟化物和天然放射性核素迁移，污染周围土壤和地下水。由于PG的主要成分为二水硫酸钙（CaSO₄·2H₂O），在一定条件下可参与凝胶反应，因此可作为建筑材料，部分替代路面基层中的胶凝材料或作为路基的稳定组分。但杂质会降低其强度发展和耐久性，因此适当的预处理是实现大规模工程利用的前提。使用PG基材料部分替代传统胶凝材料，可在保证力学性能和环境安全的前提下，缓解堆存压力并减少对传统材料的依赖。例如，中国重庆綦江的一个试验路段中PG掺量高达94%，两年监测期内未发现不良环境影响。

2 基本理化性质与预处理

2.1 原状PG的组成与固有缺陷

原始PG通常含有多种杂质，其种类和含量受地质来源、加工条件和酸浓度影响。PG的比重一般为2.3-2.6，粒径分布以细颗粒为主，约50%-75%的颗粒小于0.075 mm，含水量通常在8%-30%之间波动。由于粗颗粒含量少，难以形成天然集料的嵌挤骨架结构，内摩擦角和承载力受限。高含水率时易呈粘稠糊状，附着于运输设备或堵塞施工机械。化学成分方面，PG含四类主要杂质：含磷物质（包括可溶性五氧化二磷、磷酸二钙等）、氟化物（主要为氟化钠和氟化钙）、重金属和放射性核素以及有机质。可溶性磷会在颗粒表面形成薄膜，延缓凝胶反应；可溶性氟化物可能与氢氧化钙反应生成膨胀性晶相导致材料破坏；有机质会削弱颗粒间结合力，降低材料强度。

2.2 预处理技术与技术经济评价

目前PG的预处理技术可分为物理法、化学法和热力法三类。物理法中水洗最为常用，可洗脱磷酸盐和氟化物，去除率达80%以上；浮选和水力旋流分离可去除粗杂质，将PG纯度提高至95%以上，但会产生大量含磷含氟酸性废水。化学法通过添加试剂去除或稳定杂质，中和处理可用石灰或氢氧化钠调节pH至8-10，氟化物去除率可达90%以上；酸浸可采用硫酸、盐酸、柠檬酸等溶解去除磷、氟和有机物，柠檬酸还可去除重金属，去除率为70%-90%，但可能腐蚀设备并产生二次废物。热力法涉及高温煅烧（通常200°C-800°C），200°C-400°C可完全氧化有机污染物，400°C-800°C可将可溶性磷转化为稳定的焦磷酸钙（CaP₂O₇），同时使放射性核素迁移率降低30%-50%，并能促进PG向半水或无水相转变，增强胶凝活性，使后续复合材料强度提高15%-40%，但能耗高，成本约为物理法的2-3倍。联合预处理工艺（如水洗后煅烧）可提高整体处理效率约40%。聚合物稳定技术（如聚乙烯醇处理）可将重金属浸出量降低50%以上。

3 PG在道路结构中的工程应用

3.1 在路面基层中的应用

PG单独使用一般不足以满足承载要求，常需与无机胶凝材料稳定化或与工业副产品复合使用。水泥和石灰是最常用的稳定剂。研究表明，水泥掺量从4%增至10%时，无侧限抗压强度（UCS）呈显著线性增长。水泥与固化剂联用时，7天UCS可达约3.5 MPa，并可减轻收缩开裂。掺加6%-8%石灰可使7天UCS提高至未处理PG的八倍以上，回弹模量软化系数保持在0.8以上。PG还可与粉煤灰（FA）、矿渣等工业副产品配合使用。研究表明，最佳配比（PG:水泥:固化剂为92:8:0.4）下7天UCS达3.65 MPa，90天劈裂强度达0.68 MPa。石灰-FA-PG胶结料中，PG作为化学活化剂加速石灰与FA的反应，可获得比传统石灰-FA或石灰/水泥稳定土更高的早期强度和更好的长期力学性能。PG、FA和钢渣的复合混合料（比例2.4%:48.8%:48.8%）7天UCS为1.86 MPa，28天增至8.27 MPa，满足中轻交通荷载路面基层的7天强度要求，且经50次干湿循环后强度保持率超过85%。

3.2 在路基、不良土体及工程废弃物中的应用

PG可作为路基填筑材料或用于改良不良土体。石灰稳定PG的研究表明，掺加6%-8%石灰后试件承载比（CBR）提高至35%-45%，为未处理PG的三倍以上，回弹模量从约150 MPa提升至370 MPa，抗剪强度也得到改善。PG与水泥及工业副产品混合用于路基工程时，45%-70% PG掺量下28天弹性模量可达1098-1861 MPa，50% PG掺量时CBR维持在约60%，干燥收缩系数降低25%。硫磺聚合物水泥（SPC）改性PG-FA集料后，最大干密度从1.07增至1.53 g/cm³，孔隙率降低30%以上，浸水CBR从23%增至76%。PG在改良膨胀土方面也显示出潜力，掺入2%-6% PG后28天UCS从75 kPa增至162 kPa，自由膨胀率从45%降至15%-20%。石灰-PG稳定红粘土7天UCS达1.2 MPa，经25次冻融循环后强度保持率超过80%。PG还可用于改良盾构隧道弃渣等工程废弃物，10% PG与5%石灰复合改良盾构渣土的7天UCS为0.8 MPa，CBR为15%。

4 PG基胶结料的微观增强机理

4.1 水化动力学与火山灰反应

PG基复合材料的强度主要通过碱激发和硫酸盐激发两种反应机制获得。水泥或石灰提供碱性环境，氢氧化钙（Ca(OH)₂）提高体系pH值，促进粉煤灰和矿渣中活性二氧化硅（SiO₂）和三氧化二铝（Al₂O₃）的溶解，进而参与火山灰反应形成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶和水化铝酸钙（C-A-H）凝胶。同时，PG作为硫酸盐源释放硫酸根离子，与钙和铝酸盐反应生成钙矾石（AFt）。针状AFt晶体交织形成刚性承重骨架，而C-S-H和C-A-H凝胶持续填充孔隙并将颗粒粘结在一起，使松散粒状结构变得致密，孔隙率降低，材料获得抗压强度和抵抗干湿或冻融劣化的能力。煅烧后的改性PG表现出更高反应活性，可进一步加速水化动力学并改善早期强度发展。然而，PG掺量需要优化而非最大化，过量的膨胀相生成可能损害长期稳定性。

4.2 有害杂质的固定化机制

在水化过程中，物理和化学作用可固定PG中的有害杂质。碱性环境中，重金属可形成不溶性氢氧化物；可溶性氟化物可转化为稳定的氟化钙；磷可形成磷酸钙化合物。物理层面，水化硅酸钙凝胶具有高比表面积，可为重金属提供大量吸附位点，同时钙矾石和凝胶相形成致密网络结构，包裹未反应颗粒和有害物质，有效降低渗透性并遏制污染物迁移。化学沉淀、吸附和孔结构细化可共同降低稳定化PG中污染物的浸出风险。但道路材料在使用过程中会经历碳化、冻融循环和干湿循环，这些条件可能影响沉淀或吸附的污染物稳定性，后续研究应结合常规浸出试验和耐久性循环后的浸出试验进行分析。

5 环境影响与生命周期评估

在道路工程中大规模使用PG需要进行全生命周期环境评估。PG的资源化利用可实现废物减量和碳排放降低，水泥生产消耗大量能源并排放二氧化碳，PG基基层材料有望减少约20%-40%的二氧化碳排放。同时，将PG应用于道路工程可将部分废物处置问题转化为可利用的建筑材料。然而，PG仍存在环境风险，降雨、干湿循环和地下水接触可能促使可溶性磷、氟化物、重金属和放射性核素向周围生态系统迁移。研究表明，经过处理的PG在复合材料中可使有害元素含量保持在规范限值以下。石灰石有助于通过吸附和稀释作用稳定PG并降低放射性核素含量。工程设计中采用表面密封、排水控制和设置不透水层等措施可限制水分入渗和污染物迁移。试点项目的长期监测结果表明，使用PG材料修建的路段可在数年内保持环境稳定性。