（凝聚态物理专业论文）无机胶凝沙漠绿化砖制备及其性能的研究.pdf

摘要 本研究采用硅酸盐的水溶液为胶凝剂，通过添加无机固化剂来制备具有一定 强度、良好的耐候性能、施工便利、成本低廉且环境友好的沙漠绿化砖，用于沙 漠治理，对新形势下改善生态环境，加快社会经济稳定增长具有重要意义。 采用手压成型制备沙漠绿化砖，分析无机胶凝剂用量、固化剂浓度、膨润土 用量三个因素对抗压强度的影响，分别确定最佳的工艺参数。 实验结果表明，每千克沙子最佳的水玻璃用量为1 2 5 m 1 、固化剂浓度为2 m o l 几、 固化时间为5 分钟，考虑到实际生产中为达到节约成本的目的，水玻璃用量可降 低到l o o m l 、固化剂浓度可降低到1 m 0 1 l ，沙子与膨润土比例为3 ：1 时抗压强度 可以达到最大值。 采用模压成型方法制备沙漠绿化砖，分析无机胶凝剂用量、固化剂浓度、固 化时间三个因素对抗压强度的影响，从而确定最佳的工艺参数，并研究制备参数 不同的沙漠绿化砖的密度、吸水率。 实验结果表明，制备每块绿化砖最佳的工艺参数为1 2 k g 沙子、1 5 0 0 i i i l 水玻璃、 浓度为2 5 m 0 1 l 的固化剂、以及4 5m i n 的固化时间。但在实际生产过程中，考 虑到节约成本和效率问题，固化剂浓度可以降低到1 m 0 1 几、固化时间可以缩短为 5m i n 。同时试验证明了添加一定量的膨润土，可以在保证抗压强度的情况下有效 达到节约成本的目的。 关键词：无机胶凝，沙漠绿化砖，抗压强度，膨润土 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y ；t h ea q u e o u ss o l u t i o n0 fs i l i c a t eg e i n ga g e n t ，b ya d d i n g i n o r g a n i c c u r i n ga g e n tt 0p 伧p a r e ac e r t a i n s t r e n g t h ，g o o dw e a t h er - n g p e r m a n o e ，c o n s t r u c t l o n n v e n i e n t ，1 0 w - c o s ta n de n v i r o n m e n t a yf r i e n d l y d e s e r tg r e e nbr i c k s ，u s e di nt h ed e s e r t9 0 v e r n a n c e ，w h i c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n o e t o i m p r o 、，et h ee c o i o g i c a le n v i r o n m e n ta n da c c e i e 阳t et h es o c i o - e c o n o m i c s t a b i t ya n dg r | 0 v 叽hi nt h en e ws i t u a t i o n t h i sr e s e a r c ht r i e st 0a c h i e v et h ep r e p a r a “o no fg r e e n i n gb r i c kb yu s i n gt h e m e t h o do fh a n dp r e s s u 怕f o n l l i n g ，a n a i y z e st h ea 何e c t i o n0 ft h r e ea s p e c t s i n c i u d i n gg e i n ga g e n td o s a g e ， c u r i n ga g e n tc o n c e n t r a t i o na n db e n 咖i t e d o s a g et 0 m p 陀s s i v es t r e n g t h ，s oa st 0 n f l r mo p “m u mp r o c e s sp a 陷m e t e 陷 e x p e n m e n t a lr e s u i ts h o w st h a tt h eb e s td o s a g e0 fs o d i u ms i i i c a t ei s 12 5 m l 、c u r i n ga g e n t n c e n t 阳t o ni s2 m 0 i ，l 、c ur i n gt i m ei s5m n c o n c e m i n go f s ta n de 俪c i e n c yi np r a c t lu s e ，t h ed o s a g e0 fs o d i u ms m c a t ec a nr e d u c e d t 010 0 m l 、c ur i n ga g e n tc o n c e n t r a t i o n n 陀d u c e dt o1m o l ，l s a n da n db e n t o n i t e 怕t i 00 f3 ：1c a na c h i e v et h em a x j m u mc o m p r e s s i v es t 陀n g t h t h i sr e s e a r c ht r i e st 0a c h i e v et h ep r | e p a r a t i o no fg r e e n i n gb r i c kb yu s i n gt h e m e t h o d0 f m p 陀s s i o nm o | d n g ， a n a i y z e st h ea 仟b c t i o n o ft h r e ea s p e c t s i n c i u d i n gg e l l i n ga g e n td o s a g e 。c ur i n ga g e n t n c e n l r a t - o na n dc ur i n gt i m et o c 0 m p r e s s i v es t r e n g t h ，s 0a st 0c o n f i r mo p t i m u mp r o c e s sp a 陀m e t e 倦a n ds t u d y t h ed e n s 时a n dw a t e ra b s o r p t i o no fg r e e n i n gb r i c k sp r e p a r e da td i f f e 陀n t p a r a m e t e r s e x p er i m e n t a lr e s u i ts h o w st h a t12 k gs a n d ，15 0 0 m ls o d i u ms i i i c a t e ，c ur i n g a g e n tc 0 r l c e n t 陷t o no f2 5m o i ，la n dc u r i n gt m eo f4 5m i na r et h eo p t i m u m p r o c e s sp a r a m e t e r s c o n c e m i n go fc o s ta n de f f i c i e n c yi np r a c t i c a iu s e ，h o w e v e r ， r e a s o n a b l ep r o c e s sp a 阳m e t e r sa r e12 k gs a n d ，15 0 0 m is o d i u ms i l i c a t e ，c ur i n g a g e n tc o n c e n t r a t o no f1m o i ，la n dc ur i n gt i m eo f5m i n t h er e s e a r c hh a sa i s 0 p i - 0 v e dt h a tac e r t a i na m o u n to fb e n t o n i t e sa d d i t i o nc a na c h i e v e t h ep u r p o s e0 f c o s ts a v i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fe n s ur n gc o m p r e s s i v es t r e n g t h 4 k e yw o r d s ： i n o r g a n i cc e m e n t i t i o u s ； d e s e r l tg r e e n i n gbr i c k ；c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ； b e n t o n i t e 5 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得苤盗竖基盘堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 期： 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： ! 鱼导师签名： 日期：兰! ! ： 秒 第1 章绪论 1 1 国内外沙漠化现状 随着人类活动的不断扩张，生态环境受到日益严重的破坏，草原和森林以空 前的速度退化，沙漠化的趋势正从各个方向向人类生命区推进。沙漠化成为一个 举世瞩目的环境问题，引起越来越多的人担忧。 根据联合国有关部门统计，全球有1 0 0 多个国家和地区、约十亿多人口、三 分之一的陆地面积受到土地沙漠化的威胁。特别是亚洲和非洲一些受影响面积和 人口数目庞大的发展中国家表现尤为突出( 表1 1 ) n 1 。根据联合国环境规划署1 9 9 6 年估算，全球现有沙漠化土地面积3 6 1 8 4 万k m 2 ，而且以每年o 5 o 7 万k m 2 速 度扩展，使全世界每年蒙受4 2 0 多亿美元的经济损失。 自1 9 7 7 年联合国荒漠化大会以来，联合国有关机构在不同时期对全球沙漠化 进行评估。其中1 9 7 7 年对全球荒漠化首次评估的结果为，全球总共有荒漠化土地 总面积为3 9 7 亿h m 2 ，其中中度、重度和极重度分别占4 4 8 、4 6 4 和8 8 ( 表 1 2 ) 嘲。1 9 8 4 年第二次u n e p 全球荒漠化评估结果为，全球荒漠化土地面积为3 4 7 5 亿h m 2 ( 表1 3 ) 。1 9 9 6 年第三次全球荒漠化评估结果为，全球荒漠化土地面积为 3 6 1 8 亿h m 2 ( 表1 1 ) 。 表1 1 全球沙漠化分布状况( u n e p ，1 9 9 6 ) 旱地面积荒漠化面积荒漠化程度( 万k m 2 ) 区域 ( 万蛔2 ) ( 万k i n 2 )轻度荒漠化中度荒漠化 重度荒漠化极度荒漠化 全球5 1 6 9 23 6 1 8 44 2 7 34 7 0 31 3 0 1 7 5 非洲1 2 8 6 0l o o o o1 1 8 o1 2 7 27 0 73 5 北美洲 7 3 2 47 9 51 3 45 8 87 3 南美洲5 1 6 o7 9 14 1 83 1 16 2 澳洲 6 6 3 38 7 58 3 62 41 4o 4 欧洲2 9 9 79 9 41 3 88 0 71 83 1 亚洲1 6 7 81 4 0 0 o1 5 6 71 7 0 14 3 oo 5 9 表1 21 9 7 7 年评估的全球沙漠化土地面积( u n e p ，1 9 7 7 ) 单位：1 0 6h m 2 干旱区半干旱区半湿润区全球合计 程度 面积 面积 面积 面积 极重度 1 1 06 72 2 01 1 52 05 o3 5 08 8 重度 1 3 4 08 0 74 4 02 3 16 01 5 o1 8 4 04 6 4 中度 2 l o1 2 6 1 2 5 06 5 4 3 2 08 0 o1 7 8 04 4 8 合计1 6 6 01 0 0 01 9 l o1 0 0 o 4 0 0 1 0 0 o3 9 7 0l o o 0 表1 31 9 8 4 年评估的全球沙漠化土地面积( u n e p ，1 9 8 4 )单位：x1 0 6 时 荒漠化土地非荒漠化土地 类型土地总面积 面积 面积 草场 3 7 0 03 1 0 08 06 0 02 0 旱作土地 5 7 03 3 56 02 3 54 0 灌溉土地 1 3 14 03 09 l7 0 合计 4 4 0 93 4 7 57 09 2 63 0 1 9 7 7 年到1 9 8 4 年，就全球荒漠化的发展而言，干旱区荒漠化的发展速率约为 1 0 o ，半干旱区在1 0 9 6 左右，而干燥半湿润地区仅有0 1 。由此可以看出，全 球每年将有总计1 8 1 2 亿h m 2 的土地沦为荒漠化土地，而且每年荒漠化发展的平均 速度约为3 5 ，即全球荒漠化土地近期将会以年均3 5 的速度发展，发展速度之 快充分显示出全球荒漠化发展的态势十分严峻。 荒漠化是在自然因素的基础上，由于人类不合理经济活动所致的干旱、半干 旱及亚湿润干旱地区土地退化过程。因此，它受自然因素和人为因素两方面的影 响。联合国曾对荒漠化地区4 5 个点进行了调查，结果表明：由于自然变化( 如气 候变干) 引起的占1 3 ，其余8 7 均属人为因素所致，中国科学院原沙漠研究所对 现代风蚀荒漠化过程的成因类型做过详细的调查，结果表明：在我国北方地区现代 风蚀荒漠化土地中，9 4 5 为人为因素所致( 表1 4 ) ，表中数据说明，荒漠化的原 因主要是由于人口的激增以及自然资源利用不当而带来的过度放牧、滥垦乱樵、 不合理的耕作及粗放管理、水资源的不合理利用等，破坏了生态系统的平衡，从 而导致了土地荒漠化。分析荒漠化土地的成因，大致可归纳为以下几个主要方面口1 。 l o 表1 4 我国北方地区现代风蚀荒漠化土地成因类型及其所占比例 现代风蚀荒漠化土地成因类型 占北方地区风蚀荒漠化土地的百分比 过度农垦形成的荒漠化土地 2 3 3 过度放牧形成的荒漠化土地 2 9 4 水资源利用不当造成的荒漠化土地 3 2 4 工矿交通城市建设引起的荒漠化土地 0 8 风力作用下的沙丘前移入侵 5 5 1 2 防止沙漠化措施 我国在防沙治沙方面，1 9 9 7 年成立了由1 8 个部委及金融机构参加的协调议事 机构中国防治荒漠化协调小组，开展沙区植被盖度工作。与1 9 9 9 年同监测范 围内相比，至2 0 0 4 年5 年间沙漠化土地面积总共减少了6 4 1 6 k m 2 ，年均减少1 2 8 3 k m 2 。 沙区中盖度( 植被盖度在2 0 5 0 9 6 ) 的沙漠化土地面积增加了1 2 4 万k m 2 ，高盖度 ( 植被盖度5 0 9 6 以上) 的沙漠化土地面积增加了2 3 万k m 2 。钉尽管如此，防沙治沙 形势依然很严峻。已经治理的沙化土地，生态状况仍很脆弱，特别在沙区，人口、 资源、经济压力仍然巨大。 美国通过对干旱土地资源，沙漠地区光、热、风能进行的高效开发利用以及 对荒漠草场的合理轮牧与人工改良都保障了荒漠区保护和利用的高效性。特别重 视对天然植被的保护以及破坏后的土地的复垦与管理。德国北部沙丘采用埋设松 枝或芦苇形成网格沙障；法国用枝条覆盖沙面，以保护植被；澳大利亚利用监测 手段，掌握土地退化和干旱情况动态，开展以灌木林为主的植被建设。嘲 1 3 沙漠治理的必要性和迫切性 沙漠化的危害主要表现为：可利用土地面积缩小；生产潜力衰退；阻塞交通； 毁坏水利设施；污染环境。 沙漠化分为自然和人为两方面作用所产生，它的危害性远比洪涝、地震等自 然灾害要严重。它摧毁的是人类赖以生存的土地和环境，直接影响着人类社会经 济发展的基础，且持续时间长，将影响几代人甚至十几代人。沙漠化对工农业生 产和人民生活带来了严重的影响，主要表现在可利用土地减少；沙尘暴加剧；风 沙填淤水库、湖泊；沙漠化加剧生态恶化、制约了经济发展；风沙造成掩埋农田、 草地、公路、铁路等：风沙将牛羊吹入湖中淹死的事件；风沙迫使车辆停运、翻 车、脱轨等事故发生。 1 1 沙漠化与环境变化密切相关，人类对资源采取强度利用造成的环境退化，导 致了土地资源的散失。但是沙漠化过程是可逆转的，沙漠化存在自我恢复的可能 性，因此沙漠化的防治必须立足于人类活动这一因素，坚持开发、保护、整治并 举的原则，保护天然植被，并积极造林种草，扩大植被面积，使生态系统平衡， 使退化的沙漠化土地逐渐恢复。 从全世界沙漠化的趋势来看已十分严峻，特别是我国最近几十年的沙漠化现 象的不断恶化，已经威胁到人们的生活和生存环境，因此对治理沙漠化技术和方 法研究是十分紧迫和必要。沙漠化如果得不到彻底解决，国民经济的持续、稳定 发展也就得不到保障。因此积极治理土地沙漠化，可以保护生态环境，也就繁荣 了国民经济，造福于子孙万代。 1 2 第2 章化学固沙的发展及固沙材料的应用 2 1 化学固沙发展 第一个采用化学方法进行固沙试验的国家是前苏联，这项研究开始于1 9 3 4 年， 1 9 3 5 年首次在前苏联作物栽培研究所威海试验站进行，直到1 9 4 0 年，6 年来共 试验1 3 次，总实验面积达2 8 1 8 h a ；1 9 4 1 年到1 9 5 0 年试验中断，1 9 5 1 年再次开 始在土库曼的法烈里林管区和阿什哈巴德铁路沿线进行试验，1 9 5 2 年又在第聂伯 河下游的丘鲁平斯克保护区和大库班林管局的铁路和耕地附近进行试验。先后这 两个阶段的试验所用材料主要是喷洒沥青乳剂，喷洒面积达6 2 1 8 h a 口1 。1 9 5 9 年又 试用聚丙稀酰胺在库尔斯克沙地进行固沙试验。1 9 6 3 年在卡拉库姆沙漠进行烧结 固沙试验，该方法要在8 5 0 _ _ 9 0 0 高温下烧灼1 5 3 0 分钟。1 9 6 9 年到1 9 7 2 年又 分别在卡拉库姆沙漠和克齐尔库姆沙漠采用页岩炼油副产物涅罗森进行固沙试 验，试验面积高达2 4 0 0 h a ，目前在苏联每年用化学固沙的面积均在几百公顷左右 c 8 】 美国用化学固沙是4 0 年代末期开始的。第一次试验是在1 9 5 0 年由加利福尼 亚州贝斯弗尔地区的金熊公司生产的一种叫做科赫雷克斯的石油副产品乳剂，在 加州的科思郡进行的面积约8 0 h a ，后来在几个空军基地的原子弹试验地进行防尘 和固沙试验。近年来还将此乳剂运用在露天煤矿和汽车运输便道上喷洒，作为防 尘材料。m 后来魏茨曼研究所和氰胺公司分别研制了尿素一甲醛、尿素一双氰胺和 聚丙稀酰胺( a m - 一9 ) 自作主张制作进行固沙，后又有一些土壤学家对3 0 多种有 机和无机材料进行防尘试验n ，有的已经作为土壤结构形成剂进行使用。 英国于1 9 6 0 年开始在澳大利亚用沥青乳固沙，并配合植树造林。1 9 6 3 年用石 油和橡胶乳在英格兰东部成功地防止了海岸沙丘的风蚀和水蚀。1 9 7 0 年在西属撒 哈拉的埃及阿翁附近，对长达9 l ( i i l 的流沙区的运输线喷洒原油，2 年之内畅通无阻。 我国于1 9 5 6 年开始进行化学固沙试验研究工作叭1 ，从6 0 年代起着手对沥青 乳液固沙的配方、喷洒工艺、机具、树种选择、植树方法等，进行了综合性固沙 研究，取得了一定的成效。迄今国内已有几十种乳化沥青、高分子聚合物、无机 材料等化学固沙材料，其特点是防尘迅速，可在沙面形成具有透气性和保水保土 效果好，且不影响植物生长，渗透深度大，无毒无害的优点及效果。 2 2 化学固沙原理 化学固沙是在流动的沙丘上喷洒化学粘结材料，在流动沙表面形成覆盖层，或 1 3 渗入表层沙中，把松散的沙粒粘结起来形成固结层，从而防止风力对沙粒的吹扬 和搬运，达到固定流沙，防治沙害的目的。 水玻璃作为廉价、无毒的固沙材料使用历史已近百年。水玻璃在空气中的凝结 固化速度慢、强度低，为加速水玻璃的凝结固化速度，需要掺加一种固化剂后， 水玻璃与固化剂发生沉淀作用才能与松散的沙粒结成固结层，从而达到固沙的目 的。水玻璃是硅酸钠的水溶液，硅酸钠溶于水后强烈水解，生成硅酸。在加入凝 胶剂前，水玻璃是不会发生聚合作用的，水玻璃溶液中的原硅酸根带负电荷，向 其溶液内加入酸后，硅酸根负离子随着溶液中加入酸浓度的增加而逐步与氢离子 结合产生聚合。硅酸聚合而形成凝胶，其凝胶时间与溶液的p h 值密切相关n 习，在 中性区域很快胶凝。据有关研究表明，水玻璃在碱溶液内与浓酸溶液内的凝胶机 理不同，因此，凝胶剂与凝胶体的性质也不同。酸性水玻璃浆液是用水玻璃与过 量的酸性反应剂混合从而得到的酸性硅溶胶，然后使用碱性反应剂。由于其在中 性区域内凝胶，且凝胶体没有碱溶出，因此不存在碱性水玻璃那种淋滤腐蚀和污 染环境现象。 钠水玻璃是生产中最常用的水玻璃，它来源丰富、价格便宜。钠水玻璃的化 学表达式为n a 。0 m s i 0 2 n h 。o ，表达式中的m 为模数，它为n a 2 0 和s i 0 2 的摩尔比 n 羽。钠水玻璃的结构形态还不太清楚，一般认为，不同模数m 和含水量n 的水玻 璃具有不同的化学结构形态。 水玻璃较难在常温下较短时间内固化并具有一定的强度，所以必须在添加固 化剂或与固化剂溶液反应才能快速固化，本研究选用易溶于水的结晶氯化铝为固 化溶液。水玻璃与氯化铝反应主要是a 1 3 + 离子夺取水玻璃中的碱，从而使水玻璃 失水失生成硅凝胶。 以选用水玻璃为胶凝剂，氯化铝溶液为固化剂为例，当成型好的试样进行固 化时，氯化铝固化剂会与水玻璃发生反应，生成无定形硅酸凝胶，具体的反应式 为n 帕： 3 n a 2 0 m s i 0 2 n i 电o + 2 a l c l 3 = m s i 0 2 ( n 3 ) h 2 0 + 6 n a c l + 2 a l ( o h ) 3 硅酸脱水进一步交联反应生成硅凝胶： 1 4 i i l si o si o g i l i i 彳了1 一1 一。一s i i 一。一1 1 一 生成的无定形硅酸凝胶有效的充填了沙粒之间的孔隙，并包覆在沙粒的周围， 在沙粒之间形成了交联结构，使得整个胶凝材料坚实起来，有研究表明，所生成 的硅酸凝胶较均匀地包覆在沙粒周围，并相互粘结在一起，有效地提高了沙粒之 见的粘接，增强了沙粒之间的粘结力，提高了材料的稳定性、密实度及抗压强度。 材料的力学性质不仅取决于沙粒基本结构单元的强度，还在很大程度上取决于沙 粒之间的粘结力，沙粒之间的粘结越紧密，试样的强度就越高。 固沙剂在储存过程中，必须在相当长的时间内保持稳定，也就是说固沙剂中 的组分彼此间不能发生化学反应。固沙剂一旦施工于沙表面，就能形成沙面固结 层。沙面固结层的形成包括将固沙剂施工在被固结沙面和使其形成固态的连续的 固结层两个过程。液态固沙剂喷洒到沙面后，渗入到沙层一定厚度( 1 5 舳) 形 成湿润薄沙层，它按照不同机理，通过不同方式，形成固态连续的沙面固结层n 5 1 。 这个由湿润层变为满足性能要求沙面固结层的过程可称为固化。固化过程的速度 ( 即固化速度) 和达到的程度( 即固沙强度) ，都是由固沙剂本身组成、固化条件 ( 温度、湿度、固结层厚度等) 和被固沙面沙物质特性所决定。 第3 章沙漠绿化砖固沙设计 3 1 制备要求 本论文制备的沙漠绿化砖应具有一定的结实度及很强的吸水能力，能够吸收 沙漠表层以下的水份，而且能防止水份蒸发而具有定的保水作用。因此要求沙 漠绿化砖必须具备以下条件： l 、沙漠绿化砖固化前必须保持一定的结实度。沙子和水玻璃粘结后能保持一 定的强度而使沙漠绿化砖能保持一定的形状，使其在固化前不至于倒塌。 2 、沙漠绿化砖具有吸水性和保水性。沙粒之间被胶黏剂粘结起来主要是沙粒 交联剂包裹交联，沙粒之间本身就具有一定的孔隙率，沙子与粘结剂成型后形成 一系列的毛细管，从而使得沙砖具有吸水性和保水性。 3 、具有较好的机械强度。沙漠绿化砖在沙漠中辅助化学固沙是长年累月的过 程，因此必须有足够的机械强度才能抵挡风沙的吹蚀。 4 、无污染性( 即环境协调性) 。本课题使用的原料必须要求是无毒无副作用， 且又能与环境相协调，不污染环境。 5 、较好的耐候性。能够防止沙漠中强烈紫外线照射以及风沙的吹蚀，依然能 够保持很好强度以满足辅助固沙作用。 6 、一定的抗冻融稳定性。能经历较大的昼夜温差和寒冷冬季的冻融考验，依 然能保持很好强度辅助固沙作用。 7 、植物生长的适宜性。能与生物固沙相结合更好地发挥固沙作用。 8 、可降解性。以便在植物成活起到圆沙作用后，不至于阻碍生物群落的自然 发展。 3 2 制备方式和设备选择 根据材料制备和测试条件的要求，本研究分别采用手压成型和模压成型方式 制备固沙材料并对其工艺研究和性能分析。 3 2 1 手压成型制备方式 手压成型过程是沙粒的密实化的过程。随着压力的逐渐增大，沙子和水玻璃 混合物的密度随之增加，沙粒间的孔隙会逐渐减小，沙粒与沙粒的接触面积越来 越大，沙粒移动变形的阻力越来越大，因此会出现脱模时与模具的摩擦会增大的 现象，甚至会出现材料中的水玻璃粘结模具造成脱模困难的现象，因此本研究选 1 6 用自制方便拆卸的模具。 3 2 2 模压成型制备方式 模压成型是将沙子与水玻璃的混合物装入模具内，通过施加外力，使混合物 压制成一定形状的方法。模压成型法工艺简单、操作方便、周期短、功效高，适 用于大批量生产，容易实现机械化、自动化生产。考虑到生产效率和目前国内制 备水泥空心砖的设备使用情况，本研究选用了q j 4 3 5 空心砖成型机来制备两孔沙 漠绿化砖。 沙粒是一种非连续体，每个沙粒自身的大小和形状各不相同，且表面不规则。 在松装状态下，由于沙粒与沙粒之间的相互摩擦和机械搭架而存在大量孔隙。有 些沙粒内部存在一些细小的孔隙。沙粒的这些特征使得它的压制密实化过程十分 复杂。 当松装的沙子与水玻璃的混合物在封闭的模具中受到外加压力作用时，沙子 颗粒通过位移、转动与变形等方式进行重新排列，一些孔隙被填充，沙粒之间进 一步靠拢，接触面积增加，整个体积明显减小，密度明显增加。 随着压力的增加，沙粒内孔隙越来越少，沙粒之间的接触面积越来越大，弹 性变形程度增加，沙粒移动变形的阻力越来越大，因而沙粒进行移动和转动的难 度也增加，密度增加，速度变慢。 随着压力进一步提高，当施加到沙粒上的力超过它的弹性极限时，沙粒将发 生一定程度的塑性变形。同时由于内部应力的不均匀性，有些沙粒所受应力甚至 超过它的强度极限而发生断裂或破碎，导致沙粒之间的接触面积进一步增加，孔 隙也进一步减少，使得密度进一步提高，从而达到所要求的密度和抗压强度。 3 3 主要原料选择 本课题主要是针对青海湖周边沙漠进行治理研究，要求选择原料具有良好的 耐酸性、耐热性，并具有较高粘结力，因此选用水玻璃做为胶凝剂，氯化铝溶液 为固化剂。 3 4 水玻璃的特性 由于考虑价格成本、原料来源、环境污染等因素，下面主要对本研究中要用 到的钠水玻璃进行一些介绍。 1 7 3 4 1 水玻璃的定义及种类 水玻璃是硅酸钠的水溶液，南方多称水玻璃，北方多称泡花碱。硅酸钠在以 水为分散剂的体系中为无色、略带色的透明或半透明粘稠状液体。固体硅酸钠为 无色、略带色的透明或半透明玻璃块状体。对于广义的水玻璃水玻璃有钠水玻璃、 钾水玻璃、锂水玻璃、铷水玻璃和季铵水玻璃，分别是硅酸钠、钾、锂、铷和季 铵盐的水溶液。水玻璃的经验式为：m ：o 皿s i 0 2 n h ：o ，m 为n a + 、l ( + 、l i + 、r b + 和 民n + ，m 、n 为m 2 0 、s i0 2 、h ：o 三个组成物质的量的相互比例，且m 和n 必须处在特 定的模数范围。 3 4 2 钠水玻璃的基本特征及重要参数 硅酸钠是弱酸强碱盐，其干态时为白色或灰白色的团块或粉末，溶于水时， 纯的钠水玻璃外观为无色粘稠液体，p h 值约为1 1 1 3 。水玻璃中通常含少量的杂 质，如f e 籼、a 1 ：0 3 、c a o 等，故其外观呈灰色或绿色n 田。 不同用途、不同行业对水玻璃的要求和规格不一样，其有相应的国家标准或 者行业标准。钠水玻璃的主要性能参数为模数、密度、及杂质含量等。 l 、模数 钠水玻璃中s i 0 2 和n a 2 0 的摩尔比值，称为钠水玻璃的模数用m 表示n 7 1 ： 川= 器a 1 ，靠= _ = = ：= j 上，。 口，摩尔数) 。 由于s i 0 ：的相对分子量为6 0 ，n a 2 0 的相对分子量为6 2 ，则： 肌= 黑燃地嘟慨2 ，舻瓦表面秭引u 纠 即： 肋：鳖1 0 3 3 ：r 1 0 3 3 ( 3 3 ) d q 、d 分别为s i 0 2 和n a 2 0 的质量分数。厅称为碱硅比，在欧美国家，常 用刀来表示水玻璃的性能。 2 、浓度和密度 水玻璃的浓度是指它的水溶液中含有n a 。o m s i 0 2 的百分质量。水玻璃的密度 与质量百分浓度虽然并不存在严格的线性关系，但习惯上还是用密度来反映水玻 璃的的浓度。水玻璃的密度能间接表示水玻璃中硅酸钠的含量。密度愈大，则固 t l t 体硅酸钠的含量越高。密度可用密度计来计量，用密度或波美度( 。b e 、) 表示。 密度与波美度之间的关系如式( 3 4 ) 所示n 引： 矽：! 竺：! ( 3 4 ) p = 一l j 4 j 1 4 4 3 一。召e 或 。口出1 4 4 3 一些( 3 5 ) p 3 、杂质含量 纯净的钠水玻璃外观为无色粘稠液体，含有f e ：晚、a l ：0 3 、c a o 等杂质时则会 带有灰色、绿色甚至黑色。另外，钠水玻璃中还有杂质盐，n a c l 、n a ：s 0 4 、n a ：c 0 3 等。这些杂质对水玻璃的密度、粘度、硬化速度、粘结强度、老化速度、表面张 力等都有明显的不良影响。 3 4 3 水玻璃的主要技术性质 1 、较高的粘结力和强度 水玻璃硬化后的主要成分为硅凝胶和固体，比表面积大，因而具有较高的粘 结力。但水玻璃自身质量、配合料性能及施工养护对强度有显著影响。 2 、耐酸性好 可以抵抗除氢氟酸( h f ) 、热磷酸和高级脂肪酸以外的几乎所有无机和有机酸。 3 、耐热性好 硬化后形成的二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降很小，当采用耐热耐火 骨料配制水玻璃砂浆和混凝土时，耐热度可达1 0 0 0 。 4 、耐碱性和耐水性差 因二氧化硅凝胶溶于碱，故水玻璃不能在碱性环境中使用。其耐水性也比较 j 占【1 9 】 z o 3 5 膨润土在沙漠绿化砖中的应用 考虑到实际中节约成本的问题在保证高抗压强度的基础上可以采用添加膨润 土的办法，对膨润土的添加量有待研究。 3 5 1 膨润土有利于沙漠治理的特性 膨润土之所以被称为万用粘土，是因为它具有许多特性，利用其不同的特性 可以通过不同的工艺流程，进行加工应用。膨润土有利于沙漠治理的特性有砌1 ： 1 9 1 、吸附性和离子交换性 由于膨润土特殊的结构，表现出良好的吸附性和离子交换性，若应用于沙漠 治理中，可以起到保水保肥的作用，其起到的具体作用有以下几个方面： ( 1 ) 膨润土能够增加沙土的阳离子交换量 一种土壤阳离子交换量的大小，基本上代表了其保存的养分数量。阳离子交 换量越大的土壤能够保存速效养分的能力越大，反之则越小。阳离子土壤交换量 可以作为评价土壤供肥蓄肥能力的指标，是改良土壤合理施肥的重要依据。 土壤中粘土矿物含量的多少直接影响着土壤交换量的大小。有研究表明：在 一般情况下，砂土和砂壤土的交换量均小于o 7 咖0 1 g ，土壤的交换量为o 7 2 0 7 衄o l g ，而粘土的交换量可高达2 3 7 砌o l g 。粘土中矿物种类不同，其阳离 子交换量大小不同，蒙脱石的阳离子交换量最大。因此，沙土中加入少量膨润土 后可使其粘性增加，阳离子交换量也大大增加。 ( 2 ) 膨润土能够固定沙土中的氮 农业专家经过多年的理论和实践证明，蒙脱石对氮的贮存能力最为显著。施 入土壤的氮肥，不可能被作物完全吸收，氮的利用率不可能达到1 0 0 ，就目前的 肥料品种和施肥技术，中国多数作物对化学氮肥的利用率在2 0 9 6 5 0 。一般来说 氮肥的损失途径有：硝态氮的流失；反硝化作用脱氮造成的挥发和气态氨形式的 挥发。蒙脱石对n h 4 + 的吸附能力早已被矿物学家和土壤学家所证实。这种吸附作用 无疑阻止了氮的硝化过程，使其保持在铵态氮的状态下。被蒙脱石吸附的n h 4 + 和植 物根间在没有相间的离子溶液，也能直接进行离子交换作用。有研究表明嘲，阳 离子可以直接从粘土移向植物以偿还从植物转入粘土的离子。这一过程比较缓慢， 使得当施肥很长一段时期仍然有连续的氮供给给植物。在土壤中以n h 。或反硝化脱 氮作用形成的n 。也可以被蒙脱石吸附，进入层间，并与其中的阿作用转化为n h 4 + 后再被作物吸收。 ( 3 ) 膨润土能够固定土中的钾 k + 的半径为1 3 3 p m ，n h “的半径为1 4 3 p m ，它们具有相近的离子半径，同样可以 被蒙脱石吸附固定起来。蒙脱石对钾的吸附固定一般是三种状态：被吸附在矿物 的表面，结持力较弱：被吸附在晶格内部：被吸附在矿物晶格边缘幽1 。被吸附固 定的钾，从理论上说在一定条件下仍能变为有效态钾，因为它与有效钾处于动态 平衡状态。由此可见，蒙脱石可以防止钾的流失，可以避免钾的奢侈吸收。这也 说明蒙脱石在土壤中能够贮存养分提高肥力。 2 0 ( 4 ) 膨润土能够固定土中的有机物 通常土壤中的有机质对土壤肥力起着重要作用，它是作物营养的主要来源， 可以促进土壤微生物的活动，改善土壤的物理性质，提高土壤的保肥力和缓冲性， 同时具有活化磷的作用。依希金在1 9 3 9 年指出有机离子可与粘土矿物，特别是蒙 脱石进行阳离子交换反应，而且能够吸附在蒙脱石的底面上。研究表明乜驰，当一 些有机物料被粘土矿物吸附时，其对生物分解作用的抗拒可以增强。腐殖质的含 量在粘土多的土壤中，尤其是蒙脱石多的土壤中比粘土少的土壤中高，被吸附的 蛋白质抵抗微生物分解的能力会比游离的蛋白质强。因此，蛋白质、腐殖质在蒙 脱石的保护下能较长期对土壤肥力起作用。 ( 5 ) 膨润土能提供植物营养元素 膨润土中含有多种植物生长必须的数种营养元素( k 、p 、c a 、m g 、m n 、f e 、 z n 、c u 、c r 、t i ) ，这些元素大部分是可交换的离子。这些元素尽管含量并不太高， 但它们都能够作为植物的有效养分被吸收。粘土和植物根间没有相间的离子溶液， 也能直接进行离子交换作用。 2 、吸水性和膨胀性 钠基膨润土吸水率很大并且连续，没有突变，但钙基膨润土的吸水率开始时 增长很快，然后迅速减小。其它粘土如伊利石粘土和高岭土的吸水率远远低于钙 基膨润土和钠基膨润土。钙基膨润土遇水可膨胀为自身体积的3 倍左右，而钠基 膨润土可膨胀约为1 5 倍左右，能吸收5 倍于自身重量的水。 3 、膨润土的抗渗性与抗冻性好 膨润土比其它粘土矿物组成的物质的冻胀性相对小些，其原因在于掺膨润土 的渗透性很低( 见表3 1 ) 嘲。 表3 1 粘土和砂一粘土混合的渗透性 组成比例渗透系数k ( c m m i n ) ( 在6 5 m p a 压力下) 石英砂 1 1 0 3 石英砂：云母 9 ：l 4 6 1 0 - 4 7 ：34 2 1 0 _ l ：l5 8 1 0 _ 0 ：l4 9 1 0 _ 2 l 石英砂：高岭土 9 ：l9 5xl o 畸 7 ：38 9xl o 一6 1 ：12 5 l o e o ：13 o x1 0 6 石英砂：钙膨润土 9 ：14 3 xl o 5 7 ：32 1x1 0 - 6 l ：15 5 1 0 7 o ：12 o 1o 7 石英砂：钠膨润土 9 ：l1 6 1 0 - 7 7 ： 3 3 0 xl o 一8 l ：1 不渗透 0 ： 1 不渗透 4 、粘结性 膨润土与其他物质混合后具有将其他物质相互粘结起来的性能，这时膨润土 并不发生化学性质的变化，因此并不影响被粘结材料的化学特性，甚至在高温下 这种特性也不会改变。 3 5 2 膨润土用于沙漠治理的可行性 1 、在中国几大沙漠边上均有优质膨润土矿 中国目前勘探处的最大膨润土矿储量5 0 亿吨，品质比美国的还优良，地点就 在心想的和丰县，离古尔班通古特沙漠比较近。托克逊、科尔碱有优质膨润土矿 床，离塔克拉玛干沙漠也很近。甘肃金昌也有膨润土矿床。离腾格里沙漠和巴丹 吉林沙漠都很近。因此，这些土地沙漠化严重地区可以充分利用膨润土来增加沙 土的粘性、保水保肥性，增加动植物的营养源。 2 、良好的抗渗性、保水保肥等性能 膨润土有很好的抗渗性能，也是很好的防水材料和保水材料。在表层沙地下 铺一薄层便可起到储水作用，可用风力发电把沙漠下暗河、水库里的水抽上来， 贮住，以便慢慢使用。但沙土几乎没有保水性，所以不添加膨润土的沙土，水抽 上来马上就会漏掉。沙漠中可贵的降雨，即使降到地面也会马上就漏掉，植被根 2 2 本无法存活和繁衍，动物更不可能生存。同时，膨润土能增加沙土的阳离子交换 量，能固定沙土中的氮、钾以及有机物，而且其本身就能提供植物所需要的营养 元素。因此，膨润土是最好的沙漠治理材料之一。 3 6 论文研究目的意义和主要内容 在沙漠化治理过程中所使用的每种固沙技术都有其优缺点，因此结合各种固 沙技术方法在沙漠化治理过程中出现的问题，本文采用了新的固沙方法：以沙子 为骨料，廉价无污染水玻璃为胶黏剂，选择廉价且无污染的无机成型助剂，使用 结晶氯化铝为固化液固化制备得到多孔沙漠绿化砖以达到根本上治理沙漠化。 本文主要研究内容： 1 、通过探索寻找一种能使固沙材料试样有效成型的方法制备出无机胶凝沙漠 绿化砖。 2 、研究手压成型制备沙漠绿化砖水玻璃用量、固化剂浓度、固化时间等因素 对沙漠绿化砖性能的影响，从而得出最优的制备工艺条件。 3 、研究模压成型制备沙漠绿化砖水玻璃用量、固化剂浓度、固化时间等因素 对沙漠绿化砖性能的影响，从而得出最优的制备工艺条件，并对其密度、 吸水率等性能进行讨论。 4 、对沙漠绿化砖耐水性、冻融性、植物生长相宜性等性能进行研究。 5 、研究手压成型和模压成型两种制备方法下，添加少量的膨润土对沙漠绿化 砖抗压强度的影响。 3 7 本章小结 1 、确定本研究所选用的实验设备及实验原料。 2 、设计出一种胶凝固沙材料：以沙漠沙子为骨料，水玻璃为胶凝剂，加入合适的 固化剂使其胶结固化。 3 、根据膨润土有利于沙漠治理的特性及可行性，通过实验研究添加膨润土对沙漠 绿化砖抗压强度的影响。 4 、本论文研究目的意义及主要内容。 第4 章手压成型无机胶凝法制备沙漠绿化砖的性能研究 4 1 实验原料及仪器 4 1 1 实验原料 1 、由于实验条件的限制本论文使用的沙子是天津的沙子，经过水洗过筛处理 进行实验。 2 、所用的水玻璃溶液购自柏科( 天津) 硅化物技术有限公司，其主要参数见 表4 1 。 表4 1 水玻璃( 硅酸钠) 溶液的主要参数指标 模数波美度( 2 0 )n a 2 0 s i 0 2 固含量 3 1 53 7 1 88 1 22 5 5 43 3 6 6 3 、实验用的固化剂为氯化铝溶液，其纯度见表4 2 。 表4 2 实验用其他化学试剂 试剂纯度生产厂家 结晶氯化铝a l c l 。6 h 。0 9 7 o 天津市科密欧化学试剂有限公司 4 1 2 实验仪器 实验用仪器设备、型号及生长厂家见表4 3 。 表4 3 实验用常规仪器设备及其型号 仪器型号生产厂家 数字式压力试验机d y e 一2 0 0 0 型无锡市德佳意试验仪器有限公司 沙浆搅拌机h x 1 5 型天津市中交路业工程仪器有限公司 模具自制天津师范大学物电学院 4 2 实验方案及流程 4 2 1 实验流程图 图4 1 实验流程图 4 2 2 实验步骤 l 、称量沙子； 2 、将沙子与胶凝剂充分混合并放入搅拌机中搅拌1 5 分钟； 3 、放入模具中手压成型； 4 、脱模后将绿化砖全部浸泡到固化剂中进行固化； 5 、将固化后的绿化砖取出，并进行养护； 6 、样品加工； 7 、性能测试。 4 3 样品抗压强度及密度的测试 4 3 1 样品抗压强度的测试 沙漠绿化砖的抗压强度是其力学性能指标的集中反映，它不仅与绿化砖的物 理力学性质密切相关，且易于测定。 抗压强度是固沙沙体力学性能的一个重要参数，其计算公式为： = 与 式中，为试样的抗压强度，单位为m p a ；p 为试样破坏时的最大压力，单位 为n ；a 为试样的横截面积，单位为m 2 。 由于抗压强度对裂纹较敏感，所以在测试试样的抗压强度之前，要对试样进 行磨平处理，尽可能的减少裂纹。 4 3 2 样品密度的测试 使用天平乘量样品的质量m ，单位为k g ；并使用游标卡尺测量其长、宽、高， 可计算其体积v ，单位为m 3 ；因此样品密度p 洲，单位为k m 3 。 4 4 手压成型无机胶凝法制备沙漠绿化砖工艺研究 4 4 1 水玻璃用量对沙漠绿化砖抗压强度的影响 材料试样主要是靠水玻璃粘结成型，因此水玻璃对绿化砖抗压强度会有一定 影响。 实验中沙子质量为2 k g ，选用的固化剂为a 1 c 1 。溶液，固化时间为5 m i n ，养护 温度为室温，养护时间为7 天。 表4 4 手压成型绿化砖抗压强度随水玻璃用量的变化数据 ( 实验数据为两次实验结果取平均) 水玻璃用量 7 5