磷石膏混合土物理性質及其園林應用分析

曹林濤，王江濤

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

1 引言

中國磷礦資源豐富，磷化工產業發展迅速，伴生大量的磷石膏固體廢棄物。除了少量被建材企業與肥料企業利用外，目前主要是堆場存放。湖北省是磷石膏固廢主要源頭，主要集中在宜昌與襄陽；具體以襄陽市為例，澤東化工年產磷石膏120萬t，目前堆場儲量已經達到500萬t。磷石膏固廢用于工業生產的聯產水泥和水泥緩凝劑[1,2]以及農業發展的土壤改良劑[3,4]已經成為綠色發展中的重要措施。磷石膏替代天然石膏用作建筑石膏[5]一直備受推崇，但是因為雜質清除所必須的復雜預處理措施[6]制約了磷石膏的規模化應用。雖然農林應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基礎。根據湖北省磷石膏部分企業磷石膏化學成分數據[6]，可以發現P2O5含量在1.01%～2.89%，F含量在0.01%～0.80%；根據《磷石膏》(GB/T23456-2009)規定水溶性P≤0.80%，F含量≤0.50%，則可計算出湖北省內磷石膏占土壤混合物的比例最小上限可達27.7%；由上述資料，根據《建筑材料放射性核素限量》(GB6556-2010)，可發現湖北省磷石膏的放射性含量低于國家標準[6]。這提供了磷石膏與土壤以合適比例混合操作的科學依據。鑒于海綿城市園林建設[10,11]的屬地性發展與對地表滲透性的要求，本文實驗探討了磷石膏混合土的基本物理性質以及磷石膏混合土對油茶等喜酸性植物在園林建設中的生長影響。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

黏土來源于學校坐落地襄陽市城西的隆中山體，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；經干燥粉碎后過篩，取不大于5 mm顆粒備用。粉狀磷石膏由襄陽余家湖工業園的澤東化工堆場外表面取得，堆積時間約1年。塑料花盆若干，底部帶2個直徑約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水。

2.2 試樣處理

按照設定的體積比例，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 試驗方法

(1)篩分與孔隙率試驗。取混合好的土樣至振動搖篩機進行篩分測試，計算每個篩孔的通過百分率；借助壓碎值桶進行松散裝填與有圍壓條件下的壓力機壓實，通過記錄初始高度與壓縮穩定后的高度，以高度差與初始高度的百分率對孔隙率進行度量。

(2)滲透試驗設計。首先取混合好的土樣，松散裝填進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注入100～200 mL的自來水并用秒表記錄土體表面無明水的時間，見圖1。分別在兩個條件下進行滲透性測試，條件一是反復澆水與干燥的開裂發生后，條件二是連續注水致表層裂縫愈合后。

(3)干燥開裂設計。盆裝松散土樣后布置在陽光照射的平臺上，主要借助自然風雨與陽光的洗禮并且在非雨天每盆各澆灌自來水50 mL，干濕循環不少于10次(歷時半個月)，觀察記錄土壤表面開裂情況以及水分下滲情況。

(4)飽和含水量測試設計。試樣經水不同程度飽和，先后在散粒態與塑態下分別試初始質量與150 ℃烘箱內干燥后的質量；繼而由初始質量與干質量之差除以干質量的百分數求取飽和含水量。其中，散粒態顧名思義指在水分適度下的混拌，表現為混合物沒有聚合成一個整團而是保持為分散狀的較大粒徑濕顆粒；塑態指在水分充分下混拌，表現為混合物聚合成一個整體可輕微流淌或堆積成型。

(5)野外觀測試驗設計如下。包括盆栽試驗、磷石膏種植油茶試驗以及磷石膏替代河砂做草皮下墊面試驗。其中盆栽試驗以及油茶育苗試驗觀測出苗，磷石膏處治油茶樹穴表土觀測明水集聚速度與干燥開裂程度，磷石膏替代河砂做草皮下墊面試驗觀測草皮長勢。油茶的相關試驗在谷城縣油茶基地進行。

圖1簡易滲透試驗

3 結果與分析

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，再先后進行篩分、松散裝填與壓實等操作。篩分試驗結果見表1。試驗結果可以看出，伴隨磷石膏體積分數的增大，各篩孔的通過百分率降低，也就是混合土的粒徑趨于增大。這是因為黏粒粒徑一般小于0.002 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，在自然干燥狀態下表面失水易于成球團，進一步再與黏粒結合增大尺寸；這導致混合土粒徑增大。

表1 混合土篩分試驗

篩分試驗完畢后，借助壓碎值桶先進行松散裝填試驗，再借助壓力機進行壓實試驗。試驗并計算得出：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%。分析數據可知：伴隨磷石膏用量的減少，孔隙率趨于減小；磷石膏的體積分數不低于25%，松散裝填下混拌材料的孔隙率可達17%左右。這是因為粒徑的增大堆積空隙導致混合物孔隙率增加，這與篩分結果基本一致。經補充測試，黏土的松散裝填下的孔隙率在12.3%。這進一步表明，磷石膏混拌進入黏土有助于黏土的疏松。

3.2 干燥開裂情況分析

試樣經日光暴曬數小時后觀察到現象如下：磷石膏用量偏小的試樣，土體表面易于干燥開裂，并且黏土比例越高則開裂越嚴重。事實上，完全磷石膏試樣并沒有開裂發生(圖2左手試件)，而完全黏土試樣開裂最突出(圖2右手試件)；磷石膏占比不低于1/7可以減少干燥開裂的發生。這說明，磷石膏不僅不容易干燥失水而且具有較好的去黏結性，能夠有效降低黏土的可塑性進而增強抗板結能力。觀察磷石膏堆場可以得到印證，除卻表面沖刷痕跡外，堆場表面未見明顯的開裂痕跡。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

土體干燥致開裂后以及雨季飽水致裂縫愈合后的滲透試驗結果見表2。由表中“干燥開裂情況”的滲透數據可以判斷出：黏土用量多的試樣由于開裂的發生導致滲透性顯著增大，相比之下磷石膏用量多的試樣沒有裂紋導致滲透性偏低。由表中“裂縫愈合情況”的滲透數據可以判斷出：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于黏土。試樣表面觀察還發現，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也抑制了土壤表面封閉[14]，都會導致滲透性變好。

表2試樣的滲透情況

比例條件干燥開裂/(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(有開裂) 6.51∶9 0.8(明顯開裂) 6.0100%黏土 0.3(嚴重開裂) 12.5

3.4 飽水情況分析

經水飽和試驗分別在散粒態與塑態下測試含水量。試驗中可以觀測到：磷石膏粉末在塑態下易于流淌(圖3左下)，而黏土在塑態下易于成型(圖3右下)；即便在散粒態磷石膏粉末也比黏土顆粒易于分散且不粘附拌合工具。這說明，黏土的粘結作用優勢明顯。

圖3 試樣飽水狀態

飽和含水量測試結果見表3，由數據可知：不論是塑態還是散粒態，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 盆栽試驗分析

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

日常澆水方式采用倒置塑膠瓶進行滴灌[15]。兩周半后觀察發現：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(圖4中偏左手的盆載)。撥開土壤觀察根莖發現：全黏土的根莖短弱且根系土球小，混合磷石膏的根莖長壯且根系土球大，同時能夠看到磷石膏的球顆粒化分布。具體見圖4右側根系分布。這說明，磷石膏在黏土內混合后會以球狀顆粒存在，改善了黏土的滲透性，有助于根系擴展。

3.6 油茶培育與園林應用分析

采用磷石膏以30%置換率替換油茶苗培養基，混合拌均勻后分裝入塑料盒后再把萌發的油茶果埋入其內；生長結果見圖5左半幅。由圖可知，油茶芽苗漲勢良好；對比并未發現與商品培養基的芽苗有明顯差異。

磷石膏處治油茶樹穴表土試驗見圖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；同步樹穴亦向下翻挖10 cm。觀測發現：無論樹穴是否經由磷石膏處治，雨水初降期在樹穴內的積聚都比較緩慢；間斷地三次降雨之后，磷石膏處治的樹穴明水集聚相對緩慢、干燥開裂亦延遲發生，同時翻挖比較容易。跟蹤觀測表明，經過磷石膏處治表土的油茶樹枝葉明顯繁茂。這說明，磷石膏對樹穴表土的改性處治抑制了黏土的板結、改善了滲透性，尤其適合喜酸性灌木的生長。

圖4西瓜盆栽試驗情況

圖5 油茶試驗情況

磷石膏處治草皮下墊面，磷石膏用量的控制標準是磷石膏占比1/5(體積比)。事先把體積比折算為質量比，以一定的草皮面積與10 cm深度計算總用量，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，接下來再次用釘耙翻松，最后鋪上草皮。為取得對比效果，磷石膏處治面積3 m2，用于對比的草皮下墊層也進行了兩次翻松。數月后的觀測發現：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裂，同時鏤空間隔有較多的草相互搭接。這都說明適度磷石膏處治黏土改善滲透性、促進植物生長、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。事實上，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勢。

4 結語

篩分試驗與孔隙率試驗發現，磷石膏的吸濕性與黏土的黏結性有助于混拌后混合物粒徑的增大與內部孔隙的增大，也就是透氣性得到改善。干燥開裂的滲透試驗發現，伴隨磷石膏用量增加，混合土的開裂程度減弱。飽水試驗發現，磷石膏比黏土更能吸持水分。這在本質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球化作用。

觀測磷石膏堆場正上方可發現表面基本沒有植被，但是堆場坡面卻有零星植被生長，這主要是源于坡面表層雨水反復沖刷溶蝕導致混合物趨于中性適合植物生長。進一步觀察可知，堆場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旺盛。這說明磷石膏固廢在未能隔絕植物呼吸情況下對植物生長沒有實質的不利影響，尤其是對于喜酸性植物。

不論是盆栽的西瓜秧苗試驗與油茶苗培育，還是磷石膏處治油茶樹穴表土試驗以及磷石膏處治草皮下墊面試驗，磷石膏混合土都促進了植物的生長(尤其是喜酸性植)。這都證實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。