曹林涛，王江涛

(1. 湖北文理学院 土木工程与建筑学院，湖北 襄阳 441053；2.襄阳市公路管理局樊城公路段，湖北 襄阳 441003)

1 引言

中国磷矿资源丰富，磷化工产业发展迅速，伴生大量的磷石膏固体废弃物。除了少量被建材企业与肥料企业利用外，目前主要是堆场存放。湖北省是磷石膏固废主要源头，主要集中在宜昌与襄阳；具体以襄阳市为例，泽东化工年产磷石膏120万t，目前堆场储量已经达到500万t。磷石膏固废用于工业生产的联产水泥和水泥缓凝剂[1,2]以及农业发展的土壤改良剂[3,4]已经成为绿色发展中的重要措施。磷石膏替代天然石膏用作建筑石膏[5]一直备受推崇，但是因为杂质清除所必须的复杂预处理措施[6]制约了磷石膏的规模化应用。虽然农林应用上或有放射性元素的积存，但是吸附与吸收微量重金属[7～9]提供了在园林绿地处置适量磷石膏的科学基础。根据湖北省磷石膏部分企业磷石膏化学成分数据[6]，可以发现P2O5含量在1.01%～2.89%，F含量在0.01%～0.80%；根据《磷石膏》(GB/T23456-2009)规定水溶性P≤0.80%，F含量≤0.50%，则可计算出湖北省内磷石膏占土壤混合物的比例最小上限可达27.7%；由上述资料，根据《建筑材料放射性核素限量》(GB6556-2010)，可发现湖北省磷石膏的放射性含量低于国家标准[6]。这提供了磷石膏与土壤以合适比例混合操作的科学依据。鉴于海绵城市园林建设[10,11]的属地性发展与对地表渗透性的要求，本文实验探讨了磷石膏混合土的基本物理性质以及磷石膏混合土对油茶等喜酸性植物在园林建设中的生长影响。

2 材料与方法

2.1 试验材料

黏土来源于学校坐落地襄阳市城西的隆中山体，其中黏粒约占80%，粉粒约占20%，天然含水量为14.3%，最大干密度为1.711g/cm3；经干燥粉碎后过筛，取不大于5 mm颗粒备用。粉状磷石膏由襄阳余家湖工业园的泽东化工堆场外表面取得，堆积时间约1年。塑料花盆若干，底部带2个直径约5 mm的渗透孔，外口径13.5 cm且高11 cm。浇灌土体的水分取家庭饮用自来水。

2.2 试样处理

按照设定的体积比例，在松散堆放条件下，把黏土与磷石膏混合均匀备用。磷石膏与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 试验方法

(1)筛分与孔隙率试验。取混合好的土样至振动摇筛机进行筛分测试，计算每个筛孔的通过百分率；借助压碎值桶进行松散装填与有围压条件下的压力机压实，通过记录初始高度与压缩稳定后的高度，以高度差与初始高度的百分率对孔隙率进行度量。

(2)渗透试验设计。首先取混合好的土样，松散装填进入塑料花盆如谷堆状，用直尺消平至花盆口，再清除盆口2 cm厚度的填料使之成为平整的蓄水凹槽；继而在盆表的凹槽内注入100～200 mL的自来水并用秒表记录土体表面无明水的时间，见图1。分别在两个条件下进行渗透性测试，条件一是反复浇水与干燥的开裂发生后，条件二是连续注水致表层裂缝愈合后。

(3)干燥开裂设计。盆装松散土样后布置在阳光照射的平台上，主要借助自然风雨与阳光的洗礼并且在非雨天每盆各浇灌自来水50 mL，干湿循环不少于10次(历时半个月)，观察记录土壤表面开裂情况以及水分下渗情况。

(4)饱和含水量测试设计。试样经水不同程度饱和，先后在散粒态与塑态下分别试初始质量与150 ℃烘箱内干燥后的质量；继而由初始质量与干质量之差除以干质量的百分数求取饱和含水量。其中，散粒态顾名思义指在水分适度下的混拌，表现为混合物没有聚合成一个整团而是保持为分散状的较大粒径湿颗粒；塑态指在水分充分下混拌，表现为混合物聚合成一个整体可轻微流淌或堆积成型。

(5)野外观测试验设计如下。包括盆栽试验、磷石膏种植油茶试验以及磷石膏替代河砂做草皮下垫面试验。其中盆栽试验以及油茶育苗试验观测出苗，磷石膏处治油茶树穴表土观测明水集聚速度与干燥开裂程度，磷石膏替代河砂做草皮下垫面试验观测草皮长势。油茶的相关试验在谷城县油茶基地进行。

图1简易渗透试验

3 结果与分析

3.1 筛分与孔隙率分析

采用不同体积比，在自然干燥下混拌得到混合土。在橡胶板上混拌好后盖上毡布闷料1昼夜，再先后进行筛分、松散装填与压实等操作。筛分试验结果见表1。试验结果可以看出，伴随磷石膏体积分数的增大，各筛孔的通过百分率降低，也就是混合土的粒径趋于增大。这是因为黏粒粒径一般小于0.002 mm，而类似粉土的磷石膏粉末粒径大于0.005 mm的含量不低于80%[12]；另一方面，磷石膏由于吸湿性，在自然干燥状态下表面失水易于成球团，进一步再与黏粒结合增大尺寸；这导致混合土粒径增大。

表1 混合土筛分试验

筛分试验完毕后，借助压碎值桶先进行松散装填试验，再借助压力机进行压实试验。试验并计算得出：体积比1∶1、1∶3与1∶6情形的孔隙率分别为17.1%、17.3%与14.3%。分析数据可知：伴随磷石膏用量的减少，孔隙率趋于减小；磷石膏的体积分数不低于25%，松散装填下混拌材料的孔隙率可达17%左右。这是因为粒径的增大堆积空隙导致混合物孔隙率增加，这与筛分结果基本一致。经补充测试，黏土的松散装填下的孔隙率在12.3%。这进一步表明，磷石膏混拌进入黏土有助于黏土的疏松。

3.2 干燥开裂情况分析

试样经日光暴晒数小时后观察到现象如下：磷石膏用量偏小的试样，土体表面易于干燥开裂，并且黏土比例越高则开裂越严重。事实上，完全磷石膏试样并没有开裂发生(图2左手试件)，而完全黏土试样开裂最突出(图2右手试件)；磷石膏占比不低于1/7可以减少干燥开裂的发生。这说明，磷石膏不仅不容易干燥失水而且具有较好的去黏结性，能够有效降低黏土的可塑性进而增强抗板结能力。观察磷石膏堆场可以得到印证，除却表面冲刷痕迹外，堆场表面未见明显的开裂痕迹。这源于不同的干燥收缩特性，以及黏土与磷石膏不同的干湿体积变化率。

图2干燥失水情况

3.3 渗透情况分析

土体干燥致开裂后以及雨季饱水致裂缝愈合后的渗透试验结果见表2。由表中“干燥开裂情况”的渗透数据可以判断出：黏土用量多的试样由于开裂的发生导致渗透性显著增大，相比之下磷石膏用量多的试样没有裂纹导致渗透性偏低。由表中“裂缝愈合情况”的渗透数据可以判断出：黏土中有磷石膏混合的试样，其渗透性得到明显改善；磷石膏自身渗透性也优于黏土。试样表面观察还发现，材料混合后有部分磷石膏以球状颗粒而非既有的粉末分布在黏土里。由于颗粒间存在堆积空隙，必然改善既有黏土的渗透性。粉末磷石膏的黏结力明显弱于黏土不能与水形成胶凝材料，类似于河湾冲击扇区域的河砂改良黏土成为渗透性好的种植油砂土道理一致。球状颗粒的原因在于黏土的物理吸附以及钠离子与钙离子的交换吸附。水分的反复浇灌与排空加速了可溶盐的溶蚀[13]，磷石膏在雨水中释放电解质也抑制了土壤表面封闭[14]，都会导致渗透性变好。

表2试样的渗透情况

比例条件干燥开裂/(min /150 mL)裂缝愈合/(min/100 mL)100%磷石膏 2.0 10.51∶1 2.0 6.51∶3 2.0 4.51∶6 1.5(有开裂) 6.51∶9 0.8(明显开裂) 6.0100%黏土 0.3(严重开裂) 12.5

3.4 饱水情况分析

经水饱和试验分别在散粒态与塑态下测试含水量。试验中可以观测到：磷石膏粉末在塑态下易于流淌(图3左下)，而黏土在塑态下易于成型(图3右下)；即便在散粒态磷石膏粉末也比黏土颗粒易于分散且不粘附拌合工具。这说明，黏土的粘结作用优势明显。

图3 试样饱水状态

饱和含水量测试结果见表3，由数据可知：不论是塑态还是散粒态，磷石膏的含水量显著高于黏土；伴随磷石膏用量的增加，混合土的含水量趋于明显增加。这说明，磷石膏作为黏土的土壤改良剂有助于增加混合物吸持水分的能力。这与混合土富含的孔隙吸持的毛细水与自由水是一致的，也与磷石膏粉粒自身自由水含量较高相一致。

表3 试样饱水情况

3.5 盆栽试验分析

室内盆栽试验主要采用花盆内植入黏土或混合土(磷石膏与黏土体积比1∶1)作为培养基材，以西瓜种子作为供试植物于8月初夏热季节在室外开展试验。

日常浇水方式采用倒置塑胶瓶进行滴灌[15]。两周半后观察发现：全黏土盆栽西瓜秧苗矮小(图4中偏右手的盆载)，磷石膏混合土的盆栽西瓜秧苗粗长(图4中偏左手的盆载)。拨开土壤观察根茎发现：全黏土的根茎短弱且根系土球小，混合磷石膏的根茎长壮且根系土球大，同时能够看到磷石膏的球颗粒化分布。具体见图4右侧根系分布。这说明，磷石膏在黏土内混合后会以球状颗粒存在，改善了黏土的渗透性，有助于根系扩展。

3.6 油茶培育与园林应用分析

采用磷石膏以30%置换率替换油茶苗培养基，混合拌均匀后分装入塑料盒后再把萌发的油茶果埋入其内；生长结果见图5左半幅。由图可知，油茶芽苗涨势良好；对比并未发现与商品培养基的芽苗有明显差异。

磷石膏处治油茶树穴表土试验见图5右半幅。其中磷石膏占土壤的体积比为1∶5。具体操作如下：树穴层铺磷石膏约2 cm后，然后用铲向下翻松原土10 cm；同步树穴亦向下翻挖10 cm。观测发现：无论树穴是否经由磷石膏处治，雨水初降期在树穴内的积聚都比较缓慢；间断地三次降雨之后，磷石膏处治的树穴明水集聚相对缓慢、干燥开裂亦延迟发生，同时翻挖比较容易。跟踪观测表明，经过磷石膏处治表土的油茶树枝叶明显繁茂。这说明，磷石膏对树穴表土的改性处治抑制了黏土的板结、改善了渗透性，尤其适合喜酸性灌木的生长。

图4西瓜盆栽试验情况

图5 油茶试验情况

磷石膏处治草皮下垫面，磷石膏用量的控制标准是磷石膏占比1/5(体积比)。事先把体积比折算为质量比，以一定的草皮面积与10 cm深度计算总用量，然后均匀撒布。具体操作是，把地表土块用钉耙适度翻碎，然后均匀撒布磷石膏，接下来再次用钉耙翻松，最后铺上草皮。为取得对比效果，磷石膏处治面积3 m2，用于对比的草皮下垫层也进行了两次翻松。数月后的观测发现：磷石膏混合土上的草皮颜色略深，草块间的镂空间隔未有明显开裂，同时镂空间隔有较多的草相互搭接。这都说明适度磷石膏处治黏土改善渗透性、促进植物生长、抑制地表径流，不仅可以替代河砂，更能够有助于海绵城市的园林建设。事实上，由于河砂不具备磷石膏的可溶磷输送，磷石膏替代河砂作为草皮下垫面具有更明显的优势。

4 结语

筛分试验与孔隙率试验发现，磷石膏的吸湿性与黏土的黏结性有助于混拌后混合物粒径的增大与内部孔隙的增大，也就是透气性得到改善。干燥开裂的渗透试验发现，伴随磷石膏用量增加，混合土的开裂程度减弱。饱水试验发现，磷石膏比黏土更能吸持水分。这在本质上源于磷石膏接近于粉土的物理性能以及水的表面张力促成团球化作用。

观测磷石膏堆场正上方可发现表面基本没有植被，但是堆场坡面却有零星植被生长，这主要是源于坡面表层雨水反复冲刷溶蚀导致混合物趋于中性适合植物生长。进一步观察可知，堆场周围被磷石膏粉粒轻微覆盖或飞溅污染的土地上依然有植被生长旺盛。这说明磷石膏固废在未能隔绝植物呼吸情况下对植物生长没有实质的不利影响，尤其是对于喜酸性植物。

不论是盆栽的西瓜秧苗试验与油茶苗培育，还是磷石膏处治油茶树穴表土试验以及磷石膏处治草皮下垫面试验，磷石膏混合土都促进了植物的生长(尤其是喜酸性植)。这都证实了磷石膏可以作为土壤改良剂[13]适量使用。海绵城市要求园林绿地与道路绿化隔离带等加强渗透与蓄水，磷石膏作为土壤改良剂能够兼顾土壤渗透性与保水性，可以作为油茶与香樟等喜酸性植物的种植土，可以用于海绵化园林建设。