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不同碳酸鈣鈣源對CFPK 加固風積沙的影響

2024-03-31 05:50蔡東廷周詳朋郭弘東樊恒輝
人民黃河 2024年3期
關鍵詞:固沙

蔡東廷 周詳朋 郭弘東 樊恒輝

摘 要:仿巖溶碳酸氫鈣(CFPK)溶液是一種環境友好型固沙材料,碳酸鈣鈣源對CFPK 溶液的制備及其特性有重要影響。為了給CFPK 在固沙方面的推廣應用提供參考,選擇分析純碳酸鈣、生物碳酸鈣、輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣4 種材料作為制備CFPK 溶液的碳酸鈣鈣源,通過化學試驗、力學試驗、X 射線衍射試驗和掃描電鏡試驗等,分析了不同碳酸鈣鈣源制備的CFPK 溶液的固沙效果。結果表明:1)4 種碳酸鈣鈣源制備的CFPK 溶液在反應達到平衡時,電導率和鈣離子濃度基本相同,即鈣源對碳酸氫鈣溶解度影響很小,但是反應速度差別明顯,其中重質碳酸鈣的反應速率最快、生物碳酸鈣的反應速率最慢;2)不同碳酸鈣固化沙的表面強度、抗風蝕能力差異明顯,重質碳酸鈣固化沙表面強度和抗風蝕能力大于其他3 種碳酸鈣的,生物碳酸鈣固化沙表面強度和抗風蝕能力最??;3)4 種碳酸鈣鈣源在固化沙中生成的碳酸鈣晶體礦物成分基本相同,主要為方解石,但不同碳酸鈣鈣源在固化沙中生成的碳酸鈣晶體的含量和形態有所不同,分析純碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體主要為六面體方解石,其他3 種碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體以薄片狀為主,其中重質碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體尺寸大、高度聚集、致密性高,因此重質碳酸鈣作為鈣源的固沙效果最好,建議選用重質碳酸鈣作為制備CFPK 溶液的鈣源。

關鍵詞:風積沙;仿巖溶碳酸氫鈣;碳酸鈣鈣源;重質碳酸鈣;固沙;抗風蝕能力

中圖分類號:S157.2 文獻標志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.03.019

引用格式:蔡東廷,周詳朋,郭弘東,等.不同碳酸鈣鈣源對CFPK 加固風積沙的影響[J].人民黃河,2024,46(3):103-108.

0 引言

荒漠化是威脅人類生存的十大環境問題之一?;哪饕酗L蝕、水蝕、凍融、鹽漬4 種類型,其中風蝕荒漠化是我國土地荒漠化最主要的類型,其面積約占荒漠化土地總面積的70%[1] 。我國北方地區沙化土地在大風的作用下容易形成沙塵暴、浮塵、揚塵等惡劣天氣,不僅給人們的健康造成巨大威脅,而且嚴重阻礙經濟和社會的發展[2-4] 。

固沙技術分為工程固沙技術、生物固沙技術和化學固沙技術3 類[5-9] ,其中工程固沙技術和生物固沙技術費時費力、造價較高、適用條件有限,而化學固沙技術具有操作簡單快捷、效果好等特點?;瘜W固沙劑可分為無機類固沙劑、有機類固沙劑和有機-無機復合類固沙劑。無機類固沙劑主要有水泥、石灰、水玻璃等,冉武平等[10] 對石灰、水泥石灰、二灰的固沙效果進行試驗,發現這3 種無機固沙劑均能增大風積沙的強度;楊柳[11] 采用山梨醇、四硼酸鈉和聚丙烯酰胺等對水玻璃進行化學改性,再與有機高分子材料進行復配,制成一種黏結性能強、價格低廉、有較好抗老化性能的固沙材料。有機類固沙劑主要有石油類、改性木質素類、有機高分子類,袁進科等[12] 研發了一種吸附能力強、持水性好的改性纖維素固沙劑,其具有良好的固沙效果;榮馳等[13] 發現水玻璃-酯類漿液能夠提高沙子黏聚力、內摩擦角和抗壓強度,固沙效果較好。有機-無機復合類固沙劑是通過向無機固沙劑中加入有機材料來提高無機固沙劑的力學性能和水穩定性,冉飛天[14] 在天然高分子礦物黏土的基礎上開發了有機-無機復合保水固沙劑,其固化沙具有較高的強度和良好的耐水性、耐熱性、抗紫外老化性。

仿巖溶碳酸氫鈣(CFPK)溶液是一種環境友好型固沙材料,將其噴灑在沙土表面,在常壓下會分解生成新的碳酸鈣,一方面連接相鄰的沙粒、促進沙土顆粒間的膠結,另一方面填充沙土顆粒間孔隙,其膠結作用與填充作用可提高沙土的強度、水穩性、耐久性等。高策等[15] 、邱維釗等[16] 利用分析純碳酸鈣粉末制備CFPK溶液并進行試驗,發現其可改性分散土、膨脹土并提高土體強度,但是需要使用大量的CFPK 溶液方可取得較好的效果。碳酸鈣鈣源對CFPK 溶液的制備及其特性有重要的影響,本研究選用分析純碳酸鈣、生物碳酸鈣、輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣作為鈣源,分析不同碳酸鈣鈣源對制備的CFPK 溶液鈣離子濃度及其固化沙的力學性能、抗風蝕性的影響,并從微觀角度明晰不同碳酸鈣鈣源的CFPK 溶液在固化沙中生成碳酸鈣的礦物成分和晶體形態,以期為CFPK 在固沙方面的推廣應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用4 種碳酸鈣鈣源的制作方法、性質及生產廠家見表1。

試驗用沙取自陜西省榆林市境內毛烏素沙地,粒徑主要為0.10~0.25 mm、不均勻系數為2.25、曲率系數為0.93,屬于級配不良細沙,最大干密度為1.71 g/cm3、最小干密度為1.50 g/ cm3,X 射線衍射結果表明其主要成分為石英。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同碳酸鈣鈣源對碳酸氫鈣濃度影響試驗

將不同類型碳酸鈣粉末分別放入高壓反應釜中,加入去離子水,打開二氧化碳高壓氣源閥門、進氣閥門與排氣閥門,待反應釜內空氣排盡后關閉排氣閥門;然后進行攪拌,一邊向反應釜內充入二氧化碳,一邊攪拌使反應物混合均勻,10 min 后停止攪拌,待反應釜內壓強達到0.5 MPa 時,關閉高壓氣源閥門與進氣閥門;靜置0.5 h 后每隔1 h 從高壓反應釜內放出少許溶液,使用電導率儀測定溶液的電導率,并按照《水質鈣含量的測定EDTA 滴定法》(ISO6058—1984)進行溶液中鈣離子(Ca2+)濃度的滴定,據此結果分析碳酸鈣鈣源及反應時間對CFPK 溶液鈣離子濃度的影響。

1.2.2 碳酸鈣鈣源對固化沙性質影響試驗

從高壓反應釜中取出制備好的CFPK 溶液,按照0、5、10、15、20 L/ m2 的使用量將CFPK 溶液均勻噴灑在風積沙表面,放入50 ℃烘箱內烘干(每隔6 h 稱重一次,試樣質量不再變化時即可認為試樣已被烘干),然后對試樣進行測試分析。

1)表面強度試驗。采用尺寸為18 cm×10 cm×5 cm的金屬盤,將細沙鋪滿金屬盤后噴灑CFPK 溶液并烘干,待試樣冷卻至室溫后,在沙盤表面選?。?個點,使用圓形截面平頭探頭(探頭截面面積為176.71mm2)的數顯式推拉力計測量固化沙的表面強度,?。祩€點的均值作為最終值。

2)鈣離子濃度測定。取表面強度試驗后的表層(0~1.5 cm)固化沙,混勻后?。玻?g,加入100 mL 濃度為1 mol/ L 的鹽酸,待反應結束后取上清液2 mL,加入NaOH 溶液調節pH 值至12 左右,采用EDTA 滴定法對溶液中鈣離子濃度進行滴定。每個試樣進行3 次平行滴定,?。?次滴定的平均值換算固化沙表層碳酸鈣含量。

3)風蝕試驗。采用尺寸為40 cm×30 cm×5 cm 的金屬盤,將細沙鋪滿金屬盤后噴灑CFPK 溶液并烘干,待試樣冷卻至室溫后,采用多翼式離心風機對試樣表面進行吹蝕試驗,采用DL333203 型高精度風速儀觀測風速,把風速調節在10 m/ s(風力等級為5 級),風向與固化沙表面平行,吹蝕時間為1 h。根據固化沙吹蝕率(質量損失率)和表層破損情況來判斷固化沙的抗風蝕性能。

1.2.3 物相分析與微觀結構觀測

為分析不同碳酸鈣鈣源對CFPK 溶液加固風積沙影響的機理,固化沙充分研磨后過200 目篩子,通過X射線衍射試驗(XRD)對其物質成分進行檢測(測試設備型號為D8 Advance,德國產),掃描范圍為5°~80°,掃描速度為2°/ min。采用Jade 軟件對衍射數據進行分析,結合標準卡片對各衍射峰對應的礦物成分進行標識。采用場發射掃描電子顯微鏡(日本產,型號為S-4800)觀察試樣中碳酸鈣晶體的微觀形態,掃描電子顯微鏡放大倍數為10 000 倍。

2 試驗結果分析

2.1 鈣離子濃度與碳酸鈣含量

圖1 為不同鈣源試樣鈣離子濃度隨時間變化情況,圖2 為不同鈣源試樣電導率隨時間變化情況。

圖1、圖2 表明,不同鈣源試樣電導率和鈣離子濃度均隨反應時間的延長先增大后穩定。在反應時間為0.5 h 時,鈣源為分析純碳酸鈣、生物碳酸鈣、輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣試樣的鈣離子濃度分別為14. 25、15.50、13. 50、15. 50 mmol/ L, 電導率分別為1 712、1 972、1 571、1 952 μS/ cm,說明重質碳酸鈣和生物碳酸鈣在反應初期較多地被溶解,分析純碳酸鈣被溶解量次之,輕質碳酸鈣被溶解量最??;上述4 種碳酸鈣反應達到平衡所需的時間分別為8.5、10.5、9.5、7.5 h,說明重質碳酸鈣反應能夠較早達到平衡,4 種碳酸鈣反應達到平衡時鈣離子濃度相差不大(均在19.00 ~20.00 mmol/ L 之間)、最大電導率相差也不大(均在2 300~2 400 μS/ cm 范圍內)。

不同碳酸鈣鈣源反應速度不同的原因,可能是受鈣源純度不同、加工工藝不同等的影響,其中:重質碳酸鈣純度較低,含有較多的雜質,更容易溶解;輕質碳酸鈣和分析純碳酸鈣經過人工加工,純度達到99.0%,尤其是輕質碳酸鈣經過二次加工,使得溶解速度減緩;生物碳酸鈣具有獨特的生物基結構,對其溶解速度有一定的影響。

CFPK 溶液平均用量為20 L/ m2時,鈣源為分析純碳酸鈣、生物碳酸鈣、輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣的固化沙表層碳酸鈣含量分別為0. 36%、0. 30%、0. 45%、0.48%,表明重質碳酸鈣作為鈣源制備的CFPK 溶液在沙子中分解得最充分,生成的碳酸鈣最多,而且較多地分布在表層。

2.2 固化沙表面強度

由圖3 可看出:固化沙表面強度隨4 種鈣源CFPK溶液用量的增加均呈增大趨勢,以重質碳酸鈣鈣源為例,當CFPK 溶液用量由0 L/ m2增加到20 L/ m2時,固化沙表面強度由30.4 kPa 增大至315.8 kPa,提高了9.4倍,其原因是CFPK 溶液用量的增加使沙子中產生更多的碳酸鈣,其膠結作用和填充作用更加顯著;不同鈣源的CFPK 溶液固化沙表面強度差異較大,在CFPK溶液用量相同的情況下,重質碳酸鈣鈣源的最大,分析純碳酸鈣鈣源的略小于重質碳酸鈣鈣源的,生物碳酸鈣鈣源的最小。

2.3 固化沙吹蝕率

由圖4 可以看出:4 種碳酸鈣鈣源的固化沙吹蝕率均隨CFPK 溶液用量的增加而降低,以重質碳酸鈣為例,CFPK 溶液用量由0 L/ m2增加到10 L/ m2時固化沙的吹蝕率由91.47%降至7.08%,CFPK 溶液用量為20 L/ m2 時固化沙的吹蝕率僅為1.37%,說明增加CFPK 用量可提高固化沙的抗風蝕能力;在CFPK 溶液用量相同的情況下,不同碳酸鈣鈣源的固化沙吹蝕率差異明顯,重質碳酸鈣固化沙吹蝕率最小、生物碳酸鈣固化沙吹蝕率最大,在CFPK 溶液用量為20 L/ m2時生物碳酸鈣固化沙的吹蝕率達11.76%。由圖5 可以看出:4 種碳酸鈣固化沙表面固結層遭吹蝕破壞情況明顯不同,生物碳酸鈣固化沙表面固結層風蝕破壞最為嚴重,分析純碳酸鈣固化沙表面固結層也發生較為明顯的破壞,重質碳酸鈣固化沙表面固結層較為完好、基本沒有發生吹蝕破壞。圖4、圖5 表明重質碳酸鈣固化沙抵抗風蝕的能力最強,原因是把重質碳酸鈣作為鈣源生成的碳酸鈣最多,起到的膠結作用和填充作用最大。

2.4 X 射線衍射試驗與電子顯微鏡掃描結果

通過X 射線衍射試驗所得固化沙XRD 衍射曲線表明,4 種碳酸鈣固化沙中均含有方解石、球霰石、文石這3 種礦物成分, 并且以方解石為主。有關研究[17-18] 表明,方解石、球霰石、文石是碳酸鈣的同質異象體,其中方解石熱力學最穩定,而球霰石和文石不穩定且在一定條件下可轉化為方解石。因此,CFPK 溶液可在沙子中分解并形成以方解石為主的混合晶體。

掃描電子顯微鏡對4 種碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體進行掃描,所得晶形圖片見圖6。由圖6(a)可以看出,分析純碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體主要為六面體方解石,其黏結在沙粒表面,但晶體與晶體之間存在較大空隙;由圖6(b)可以看出,生物碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體主要為薄片狀堆疊的方解石,薄片大小、形狀較為均勻,但數量較少和尺寸較小,堆疊形成的晶體較小且分布較為散亂,晶體與晶體之間也存在較大空隙;由圖6(c)可以看出,輕質碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體雖然也為薄片狀,但是其大小不均勻、形狀不一且相互交錯堆積,晶體與晶體之間有大小不一的空隙,致密性不高;由圖6(d)可以看出,重質碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體也是薄片狀堆疊的方解石,其大小較為均勻、形狀一致,晶體與晶體緊密連接,形成尺寸較大的團聚體,團聚體之間只存在微小縫隙,致密性較高,因此具有較好的宏觀力學性質[19-20] 。4 種碳酸鈣固化沙中碳酸鈣晶體晶形不同的原因可能是各種碳酸鈣鈣源的本質不同。

3 結論

1)4 種碳酸鈣鈣源制備的CFPK 溶液在反應達到平衡時,電導率和鈣離子濃度基本相同,即鈣源對碳酸鈣溶解度影響很小,但是反應速度差別明顯,其中重質碳酸鈣的反應速率最快、生物碳酸鈣的反應速率最慢,其反應速度不同的原因可能是各種鈣源的純度及加工工藝不同。

2)不同碳酸鈣固化沙的表面強度、抗風蝕能力差異明顯,重質碳酸鈣固化沙表面強度和抗風蝕能力大于其他3 種碳酸鈣的,生物碳酸鈣固化沙表面強度和抗風蝕能力最小。

3)4 種鈣源在固化沙中生成的碳酸鈣晶體礦物成分基本相同,主要為方解石,但不同碳酸鈣鈣源在固化沙中生成的碳酸鈣晶體的含量和形態有所不同,分析純碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體主要為六面體方解石,其他3 種鈣源生成的碳酸鈣晶體以薄片狀為主,其中輕質碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體大小和形狀不一、相互交錯堆積、致密性較低,生物碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體數量和尺寸都很小,而重質碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體尺寸大、高度聚集、致密性高、固化沙的效果最好,因此建議選用重質碳酸鈣作為制備CFPK 溶液的鈣源。

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【責任編輯 張智民】

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