修宗甲

（中國(guó)冶金地質(zhì)總局一局五二〇隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

濕法磷酸生產(chǎn)工藝具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用［1］，一般采用硫酸分解磷礦制得磷酸，每生產(chǎn)磷酸1 t約產(chǎn)生磷石膏5 t［2-4］?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

磷石膏屬于Ⅱ類一般工業(yè)固廢，濕法運(yùn)行條件下呈強(qiáng)酸性，含氟化物、磷酸等諸多有害雜質(zhì)，無(wú)害化處理成本高，綜合利用率低，大部分采用筑壩堆存方式處置［5-6］。據(jù)中國(guó)磷復(fù)肥工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2010 年以來(lái)，我國(guó)磷石膏產(chǎn)生量平均約75 Mt/a，還在持續(xù)增長(zhǎng)，堆存占用的土地越來(lái)越多。

磷石膏與尾礦在物理力學(xué)特性等方面存在較大差異，堆存設(shè)計(jì)卻采用了同樣的方法，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大，也存在一定的安全隱患。因此，需對(duì)磷石膏的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究，指導(dǎo)磷石膏庫(kù)的堆存設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理，克服安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為磷石膏的綜合利用提供依據(jù)，提高土地的利用率。

1 磷石膏的化學(xué)組分

磷石膏為灰白色粉末狀物質(zhì)，不同地方磷石膏的主要礦物成分及含量基本類似［7-8］。以國(guó)內(nèi)某知名磷化工企業(yè)生產(chǎn)的磷石膏為研究對(duì)象，通過(guò)X射線衍射（XRD）測(cè)試得知磷石膏的化學(xué)組分見(jiàn)表1。

表1 磷石膏化學(xué)組分 %

由表1 可知，該磷石膏中主要化學(xué)組分為CaSO4·nH2O，有害物質(zhì)主要為磷、氟。

2 磷石膏物理性能

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）的方法，測(cè)得磷石膏的相對(duì)密度為2.41；最大干密度1.557 g/cm3，w（H2O）15.6%（烘干溫度為（40±1）℃）；塑限18.5%，液限30.9%。

2.1 顆粒特性

磷石膏的顆粒特性對(duì)整體堆體的性質(zhì)影響較大，是十分重要的物理指標(biāo)。參考GB/T 50123—2019，采用甲種密度計(jì)法測(cè)定磷石膏的顆粒分布，顆粒粒徑分布曲線見(jiàn)圖1，粒徑參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 磷石膏顆粒粒徑分布曲線

表2 磷石膏粒徑參數(shù)

從磷石膏粒徑分布曲線可以看出，所有顆粒粒徑均位于0.1 mm 以內(nèi)，黏粒約占8%，根據(jù)土的工程粒徑分類，磷石膏屬于細(xì)粒組中的粉粒，因此其可塑性較差。由不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc可知，磷石膏粒徑分布較為均勻，級(jí)配不良。

2.2 滲透性

采用變水頭法，研究不同固結(jié)壓力下磷石膏的滲透系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 磷石膏滲透系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線

由圖2 可知，磷石膏的滲透系數(shù)為10-5～10-2cm/s，不同固結(jié)壓力下，磷石膏的滲透系數(shù)相差較大。壓力越大，磷石膏試樣的固結(jié)程度越高，孔隙率越小，滲透系數(shù)越小。在實(shí)際堆體中，不同堆體高度、不同密度下磷石膏的滲透系數(shù)差異較大。

另外，磷石膏的滲透性還受堆存方式等其他因素的影響，導(dǎo)致部分區(qū)域的試樣滲透系數(shù)有時(shí)相差上百倍。一般濕排方式的磷石膏滲透系數(shù)比干排更低，這主要由兩個(gè)因素導(dǎo)致：（1）濕排時(shí)水溶液攜帶的鹽分會(huì)析出，同時(shí)酸性條件也加速了磷石膏中硫酸鈣晶須形成，使得磷石膏的密實(shí)度更大，孔隙變小，滲透系數(shù)更低；（2）濕排時(shí)磷石膏堆體更加密實(shí)，細(xì)顆粒隨著水在孔隙中流動(dòng)，會(huì)重新分配，填充孔隙，使得滲透系數(shù)相對(duì)更小。

3 磷石膏力學(xué)性質(zhì)

3.1 變形特征

固結(jié)壓縮特性是評(píng)價(jià)土類材料堆積效果的一種方式，固結(jié)壓縮程度影響堆體的穩(wěn)定性、滲流和沉降等。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)磷石膏堆體的堆載高度，施加垂直壓力至1 600 kPa 為止，磷石膏固結(jié)變形參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 磷石膏固結(jié)變形參數(shù)

從表3 可以看出：（1）根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB J7—1989 規(guī)定的壓縮系數(shù)av，磷石膏屬于低壓縮性土；（2）壓縮系數(shù)av隨壓力的增加而逐漸降低，壓縮模量Es隨壓力的增加而逐漸增大；（3）不同固結(jié)壓力下，磷石膏的豎向固結(jié)系數(shù)Cv與水平固結(jié)系數(shù)Ch基本一致。

3.2 強(qiáng)度

強(qiáng)度是分析堆體穩(wěn)定性最重要的指標(biāo)之一，一般散體材料強(qiáng)度主要影響因素有水含量、固結(jié)程度、顆粒組成。采用直剪方法，以磷石膏材料為對(duì)象，分別研究濕法堆存和干法堆存，以及飽和和非飽和狀態(tài)下磷石膏的抗剪強(qiáng)度，不同狀態(tài)下磷石膏抗剪強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖3，強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 磷石膏抗剪強(qiáng)度曲線

從表4可以看出：（1）自然沉積樣的強(qiáng)度最大，說(shuō)明磷石膏濕法堆存時(shí)堆體穩(wěn)定性優(yōu)于干堆；（2）水對(duì)磷石膏堆體的強(qiáng)度有一定影響，會(huì)降低堆體強(qiáng)度。

在實(shí)際堆存中，磷石膏強(qiáng)度除了受以上因素影響外，還受到以下兩個(gè)主要因素的影響：（1）在一定條件下，磷石膏會(huì)慢慢產(chǎn)生一些強(qiáng)度比較高的磷石膏晶須，加強(qiáng)堆體強(qiáng)度；（2）濕排磷石膏由于溶液中鹽分的析出，堆體強(qiáng)度提升明顯。正因如此，經(jīng)常出現(xiàn)磷石膏堆體高度超過(guò)10 m 的近垂直面而不發(fā)生破壞垮塌的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）磷石膏顆粒分布均勻，屬于粉粒組，級(jí)配不良，且黏粒占比少，可塑性較差。

（2）磷石膏滲透系數(shù)為10-5～10-2cm/s，滲透系數(shù)受壓力的影響較大，壓力越大，固結(jié)程度越高，滲透系數(shù)越小。

（3）磷石膏屬于低壓縮性土，且豎向固結(jié)系數(shù)與水平固結(jié)系數(shù)基本一致，壓縮模量隨壓力的增加而逐漸增大。

（4）磷石膏濕法堆存時(shí)堆體穩(wěn)定性優(yōu)于干堆，但是水會(huì)降低磷石膏的強(qiáng)度，因此濕堆時(shí)控制壩體浸潤(rùn)線，對(duì)堆體穩(wěn)定性的提高至關(guān)重要。