曹林濤，王江濤

(1. 湖北文理學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.襄陽(yáng)市公路管理局樊城公路段，湖北 襄陽(yáng) 441003)

1 引言

中國(guó)磷礦資源豐富，磷化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，伴生大量的磷石膏固體廢棄物。除了少量被建材企業(yè)與肥料企業(yè)利用外，目前主要是堆場(chǎng)存放。湖北省是磷石膏固廢主要源頭，主要集中在宜昌與襄陽(yáng)；具體以襄陽(yáng)市為例，澤東化工年產(chǎn)磷石膏120萬(wàn)t，目前堆場(chǎng)儲(chǔ)量已經(jīng)達(dá)到500萬(wàn)t。磷石膏固廢用于工業(yè)生產(chǎn)的聯(lián)產(chǎn)水泥和水泥緩凝劑[1,2]以及農(nóng)業(yè)發(fā)展的土壤改良劑[3,4]已經(jīng)成為綠色發(fā)展中的重要措施。磷石膏替代天然石膏用作建筑石膏[5]一直備受推崇，但是因?yàn)殡s質(zhì)清除所必須的復(fù)雜預(yù)處理措施[6]制約了磷石膏的規(guī)?；瘧?yīng)用。雖然農(nóng)林應(yīng)用上或有放射性元素的積存，但是吸附與吸收微量重金屬[7～9]提供了在園林綠地處置適量磷石膏的科學(xué)基礎(chǔ)。根據(jù)湖北省磷石膏部分企業(yè)磷石膏化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)[6]，可以發(fā)現(xiàn)P2O5含量在1.01%～2.89%，F(xiàn)含量在0.01%～0.80%；根據(jù)《磷石膏》(GB/T23456-2009)規(guī)定水溶性P≤0.80%，F(xiàn)含量≤0.50%，則可計(jì)算出湖北省內(nèi)磷石膏占土壤混合物的比例最小上限可達(dá)27.7%；由上述資料，根據(jù)《建筑材料放射性核素限量》(GB6556-2010)，可發(fā)現(xiàn)湖北省磷石膏的放射性含量低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6]。這提供了磷石膏與土壤以合適比例混合操作的科學(xué)依據(jù)。鑒于海綿城市園林建設(shè)[10,11]的屬地性發(fā)展與對(duì)地表滲透性的要求，本文實(shí)驗(yàn)探討了磷石膏混合土的基本物理性質(zhì)以及磷石膏混合土對(duì)油茶等喜酸性植物在園林建設(shè)中的生長(zhǎng)影響。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

黏土來(lái)源于學(xué)校坐落地襄陽(yáng)市城西的隆中山體，其中黏粒約占80%，粉粒約占20%，天然含水量為14.3%，最大干密度為1.711g/cm3；經(jīng)干燥粉碎后過(guò)篩，取不大于5 mm顆粒備用。粉狀磷石膏由襄陽(yáng)余家湖工業(yè)園的澤東化工堆場(chǎng)外表面取得，堆積時(shí)間約1年。塑料花盆若干，底部帶2個(gè)直徑約5 mm的滲透孔，外口徑13.5 cm且高11 cm。澆灌土體的水分取家庭飲用自來(lái)水。

2.2 試樣處理

按照設(shè)定的體積比例，在松散堆放條件下，把黏土與磷石膏混合均勻備用。磷石膏與黏土的混合比例主要如下：100%磷石膏，1∶3(磷石膏占1/4)、1∶6、1∶9以及100%黏土。

2.3 試驗(yàn)方法

(1)篩分與孔隙率試驗(yàn)。取混合好的土樣至振動(dòng)搖篩機(jī)進(jìn)行篩分測(cè)試，計(jì)算每個(gè)篩孔的通過(guò)百分率；借助壓碎值桶進(jìn)行松散裝填與有圍壓條件下的壓力機(jī)壓實(shí)，通過(guò)記錄初始高度與壓縮穩(wěn)定后的高度，以高度差與初始高度的百分率對(duì)孔隙率進(jìn)行度量。

(2)滲透試驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先取混合好的土樣，松散裝填進(jìn)入塑料花盆如谷堆狀，用直尺消平至花盆口，再清除盆口2 cm厚度的填料使之成為平整的蓄水凹槽；繼而在盆表的凹槽內(nèi)注入100～200 mL的自來(lái)水并用秒表記錄土體表面無(wú)明水的時(shí)間，見(jiàn)圖1。分別在兩個(gè)條件下進(jìn)行滲透性測(cè)試，條件一是反復(fù)澆水與干燥的開(kāi)裂發(fā)生后，條件二是連續(xù)注水致表層裂縫愈合后。

(3)干燥開(kāi)裂設(shè)計(jì)。盆裝松散土樣后布置在陽(yáng)光照射的平臺(tái)上，主要借助自然風(fēng)雨與陽(yáng)光的洗禮并且在非雨天每盆各澆灌自來(lái)水50 mL，干濕循環(huán)不少于10次(歷時(shí)半個(gè)月)，觀察記錄土壤表面開(kāi)裂情況以及水分下滲情況。

(4)飽和含水量測(cè)試設(shè)計(jì)。試樣經(jīng)水不同程度飽和，先后在散粒態(tài)與塑態(tài)下分別試初始質(zhì)量與150 ℃烘箱內(nèi)干燥后的質(zhì)量；繼而由初始質(zhì)量與干質(zhì)量之差除以干質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)求取飽和含水量。其中，散粒態(tài)顧名思義指在水分適度下的混拌，表現(xiàn)為混合物沒(méi)有聚合成一個(gè)整團(tuán)而是保持為分散狀的較大粒徑濕顆粒；塑態(tài)指在水分充分下混拌，表現(xiàn)為混合物聚合成一個(gè)整體可輕微流淌或堆積成型。

(5)野外觀測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。包括盆栽試驗(yàn)、磷石膏種植油茶試驗(yàn)以及磷石膏替代河砂做草皮下墊面試驗(yàn)。其中盆栽試驗(yàn)以及油茶育苗試驗(yàn)觀測(cè)出苗，磷石膏處治油茶樹(shù)穴表土觀測(cè)明水集聚速度與干燥開(kāi)裂程度，磷石膏替代河砂做草皮下墊面試驗(yàn)觀測(cè)草皮長(zhǎng)勢(shì)。油茶的相關(guān)試驗(yàn)在谷城縣油茶基地進(jìn)行。

圖1簡(jiǎn)易滲透試驗(yàn)

3 結(jié)果與分析

3.1 篩分與孔隙率分析

采用不同體積比，在自然干燥下混拌得到混合土。在橡膠板上混拌好后蓋上氈布悶料1晝夜，再先后進(jìn)行篩分、松散裝填與壓實(shí)等操作。篩分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，伴隨磷石膏體積分?jǐn)?shù)的增大，各篩孔的通過(guò)百分率降低，也就是混合土的粒徑趨于增大。這是因?yàn)轲ちＡ揭话阈∮?.002 mm，而類似粉土的磷石膏粉末粒徑大于0.005 mm的含量不低于80%[12]；另一方面，磷石膏由于吸濕性，在自然干燥狀態(tài)下表面失水易于成球團(tuán)，進(jìn)一步再與黏粒結(jié)合增大尺寸；這導(dǎo)致混合土粒徑增大。

表1 混合土篩分試驗(yàn)

篩分試驗(yàn)完畢后，借助壓碎值桶先進(jìn)行松散裝填試驗(yàn)，再借助壓力機(jī)進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)并計(jì)算得出：體積比1∶1、1∶3與1∶6情形的孔隙率分別為17.1%、17.3%與14.3%。分析數(shù)據(jù)可知：伴隨磷石膏用量的減少，孔隙率趨于減??；磷石膏的體積分?jǐn)?shù)不低于25%，松散裝填下混拌材料的孔隙率可達(dá)17%左右。這是因?yàn)榱降脑龃蠖逊e空隙導(dǎo)致混合物孔隙率增加，這與篩分結(jié)果基本一致。經(jīng)補(bǔ)充測(cè)試，黏土的松散裝填下的孔隙率在12.3%。這進(jìn)一步表明，磷石膏混拌進(jìn)入黏土有助于黏土的疏松。

3.2 干燥開(kāi)裂情況分析

試樣經(jīng)日光暴曬數(shù)小時(shí)后觀察到現(xiàn)象如下：磷石膏用量偏小的試樣，土體表面易于干燥開(kāi)裂，并且黏土比例越高則開(kāi)裂越嚴(yán)重。事實(shí)上，完全磷石膏試樣并沒(méi)有開(kāi)裂發(fā)生(圖2左手試件)，而完全黏土試樣開(kāi)裂最突出(圖2右手試件)；磷石膏占比不低于1/7可以減少干燥開(kāi)裂的發(fā)生。這說(shuō)明，磷石膏不僅不容易干燥失水而且具有較好的去黏結(jié)性，能夠有效降低黏土的可塑性進(jìn)而增強(qiáng)抗板結(jié)能力。觀察磷石膏堆場(chǎng)可以得到印證，除卻表面沖刷痕跡外，堆場(chǎng)表面未見(jiàn)明顯的開(kāi)裂痕跡。這源于不同的干燥收縮特性，以及黏土與磷石膏不同的干濕體積變化率。

圖2干燥失水情況

3.3 滲透情況分析

土體干燥致開(kāi)裂后以及雨季飽水致裂縫愈合后的滲透試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表中“干燥開(kāi)裂情況”的滲透數(shù)據(jù)可以判斷出：黏土用量多的試樣由于開(kāi)裂的發(fā)生導(dǎo)致滲透性顯著增大，相比之下磷石膏用量多的試樣沒(méi)有裂紋導(dǎo)致滲透性偏低。由表中“裂縫愈合情況”的滲透數(shù)據(jù)可以判斷出：黏土中有磷石膏混合的試樣，其滲透性得到明顯改善；磷石膏自身滲透性也優(yōu)于黏土。試樣表面觀察還發(fā)現(xiàn)，材料混合后有部分磷石膏以球狀顆粒而非既有的粉末分布在黏土里。由于顆粒間存在堆積空隙，必然改善既有黏土的滲透性。粉末磷石膏的黏結(jié)力明顯弱于黏土不能與水形成膠凝材料，類似于河灣沖擊扇區(qū)域的河砂改良黏土成為滲透性好的種植油砂土道理一致。球狀顆粒的原因在于黏土的物理吸附以及鈉離子與鈣離子的交換吸附。水分的反復(fù)澆灌與排空加速了可溶鹽的溶蝕[13]，磷石膏在雨水中釋放電解質(zhì)也抑制了土壤表面封閉[14]，都會(huì)導(dǎo)致滲透性變好。

表2試樣的滲透情況

比例條件干燥開(kāi)裂/(min /150 mL)裂縫愈合/(min/100 mL)100%磷石膏 2.0 10.51∶1 2.0 6.51∶3 2.0 4.51∶6 1.5(有開(kāi)裂) 6.51∶9 0.8(明顯開(kāi)裂) 6.0100%黏土 0.3(嚴(yán)重開(kāi)裂) 12.5

3.4 飽水情況分析

經(jīng)水飽和試驗(yàn)分別在散粒態(tài)與塑態(tài)下測(cè)試含水量。試驗(yàn)中可以觀測(cè)到：磷石膏粉末在塑態(tài)下易于流淌(圖3左下)，而黏土在塑態(tài)下易于成型(圖3右下)；即便在散粒態(tài)磷石膏粉末也比黏土顆粒易于分散且不粘附拌合工具。這說(shuō)明，黏土的粘結(jié)作用優(yōu)勢(shì)明顯。

圖3 試樣飽水狀態(tài)

飽和含水量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，由數(shù)據(jù)可知：不論是塑態(tài)還是散粒態(tài)，磷石膏的含水量顯著高于黏土；伴隨磷石膏用量的增加，混合土的含水量趨于明顯增加。這說(shuō)明，磷石膏作為黏土的土壤改良劑有助于增加混合物吸持水分的能力。這與混合土富含的孔隙吸持的毛細(xì)水與自由水是一致的，也與磷石膏粉粒自身自由水含量較高相一致。

表3 試樣飽水情況

3.5 盆栽試驗(yàn)分析

室內(nèi)盆栽試驗(yàn)主要采用花盆內(nèi)植入黏土或混合土(磷石膏與黏土體積比1∶1)作為培養(yǎng)基材，以西瓜種子作為供試植物于8月初夏熱季節(jié)在室外開(kāi)展試驗(yàn)。

日常澆水方式采用倒置塑膠瓶進(jìn)行滴灌[15]。兩周半后觀察發(fā)現(xiàn)：全黏土盆栽西瓜秧苗矮小(圖4中偏右手的盆載)，磷石膏混合土的盆栽西瓜秧苗粗長(zhǎng)(圖4中偏左手的盆載)。撥開(kāi)土壤觀察根莖發(fā)現(xiàn)：全黏土的根莖短弱且根系土球小，混合磷石膏的根莖長(zhǎng)壯且根系土球大，同時(shí)能夠看到磷石膏的球顆?；植?。具體見(jiàn)圖4右側(cè)根系分布。這說(shuō)明，磷石膏在黏土內(nèi)混合后會(huì)以球狀顆粒存在，改善了黏土的滲透性，有助于根系擴(kuò)展。

3.6 油茶培育與園林應(yīng)用分析

采用磷石膏以30%置換率替換油茶苗培養(yǎng)基，混合拌均勻后分裝入塑料盒后再把萌發(fā)的油茶果埋入其內(nèi)；生長(zhǎng)結(jié)果見(jiàn)圖5左半幅。由圖可知，油茶芽苗漲勢(shì)良好；對(duì)比并未發(fā)現(xiàn)與商品培養(yǎng)基的芽苗有明顯差異。

磷石膏處治油茶樹(shù)穴表土試驗(yàn)見(jiàn)圖5右半幅。其中磷石膏占土壤的體積比為1∶5。具體操作如下：樹(shù)穴層鋪磷石膏約2 cm后，然后用鏟向下翻松原土10 cm；同步樹(shù)穴亦向下翻挖10 cm。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：無(wú)論樹(shù)穴是否經(jīng)由磷石膏處治，雨水初降期在樹(shù)穴內(nèi)的積聚都比較緩慢；間斷地三次降雨之后，磷石膏處治的樹(shù)穴明水集聚相對(duì)緩慢、干燥開(kāi)裂亦延遲發(fā)生，同時(shí)翻挖比較容易。跟蹤觀測(cè)表明，經(jīng)過(guò)磷石膏處治表土的油茶樹(shù)枝葉明顯繁茂。這說(shuō)明，磷石膏對(duì)樹(shù)穴表土的改性處治抑制了黏土的板結(jié)、改善了滲透性，尤其適合喜酸性灌木的生長(zhǎng)。

圖4西瓜盆栽試驗(yàn)情況

圖5 油茶試驗(yàn)情況

磷石膏處治草皮下墊面，磷石膏用量的控制標(biāo)準(zhǔn)是磷石膏占比1/5(體積比)。事先把體積比折算為質(zhì)量比，以一定的草皮面積與10 cm深度計(jì)算總用量，然后均勻撒布。具體操作是，把地表土塊用釘耙適度翻碎，然后均勻撒布磷石膏，接下來(lái)再次用釘耙翻松，最后鋪上草皮。為取得對(duì)比效果，磷石膏處治面積3 m2，用于對(duì)比的草皮下墊層也進(jìn)行了兩次翻松。數(shù)月后的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：磷石膏混合土上的草皮顏色略深，草塊間的鏤空間隔未有明顯開(kāi)裂，同時(shí)鏤空間隔有較多的草相互搭接。這都說(shuō)明適度磷石膏處治黏土改善滲透性、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、抑制地表徑流，不僅可以替代河砂，更能夠有助于海綿城市的園林建設(shè)。事實(shí)上，由于河砂不具備磷石膏的可溶磷輸送，磷石膏替代河砂作為草皮下墊面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

篩分試驗(yàn)與孔隙率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磷石膏的吸濕性與黏土的黏結(jié)性有助于混拌后混合物粒徑的增大與內(nèi)部孔隙的增大，也就是透氣性得到改善。干燥開(kāi)裂的滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，伴隨磷石膏用量增加，混合土的開(kāi)裂程度減弱。飽水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磷石膏比黏土更能吸持水分。這在本質(zhì)上源于磷石膏接近于粉土的物理性能以及水的表面張力促成團(tuán)球化作用。

觀測(cè)磷石膏堆場(chǎng)正上方可發(fā)現(xiàn)表面基本沒(méi)有植被，但是堆場(chǎng)坡面卻有零星植被生長(zhǎng)，這主要是源于坡面表層雨水反復(fù)沖刷溶蝕導(dǎo)致混合物趨于中性適合植物生長(zhǎng)。進(jìn)一步觀察可知，堆場(chǎng)周圍被磷石膏粉粒輕微覆蓋或飛濺污染的土地上依然有植被生長(zhǎng)旺盛。這說(shuō)明磷石膏固廢在未能隔絕植物呼吸情況下對(duì)植物生長(zhǎng)沒(méi)有實(shí)質(zhì)的不利影響，尤其是對(duì)于喜酸性植物。

不論是盆栽的西瓜秧苗試驗(yàn)與油茶苗培育，還是磷石膏處治油茶樹(shù)穴表土試驗(yàn)以及磷石膏處治草皮下墊面試驗(yàn)，磷石膏混合土都促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)(尤其是喜酸性植)。這都證實(shí)了磷石膏可以作為土壤改良劑[13]適量使用。海綿城市要求園林綠地與道路綠化隔離帶等加強(qiáng)滲透與蓄水，磷石膏作為土壤改良劑能夠兼顧土壤滲透性與保水性，可以作為油茶與香樟等喜酸性植物的種植土，可以用于海綿化園林建設(shè)。