日光溫室墻體用相變固化土性能測(cè)試及固化機(jī)理

鮑恩財(cái)，鄒志榮，張 勇（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

日光溫室墻體用相變固化土性能測(cè)試及固化機(jī)理

鮑恩財(cái)，鄒志榮，張 勇※
（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

中國(guó)西北非耕地地區(qū)面積遼闊，日光溫室的應(yīng)用可以增加耕地面積，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全、緩解經(jīng)濟(jì)作物與糧食作物爭(zhēng)地矛盾具有重大的戰(zhàn)略意義。該文提出一種在西北非耕地地區(qū)建造日光溫室用的相變固化劑，研究其添加進(jìn)土壤后相變固化土的力學(xué)及熱性能，并結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)揭示其固化機(jī)理。研究設(shè)計(jì)2種相變固化劑摻量（5%和10%），分析不同摻量處理風(fēng)沙土和戈壁土后的力學(xué)性能、熱性能以及固化機(jī)理?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，5%和10%相變固化劑摻量的風(fēng)沙土和戈壁土的抗壓強(qiáng)度均有較大幅度的提高，10%相變固化劑摻量的風(fēng)沙土試塊平均抗壓強(qiáng)度為3.208 MPa，約為5%摻量試塊強(qiáng)度的2倍（P＜0.01）。10%相變固化劑摻量的戈壁土試塊平均抗壓強(qiáng)度為3.671 MPa，約為5%摻量試塊強(qiáng)度的1.5倍（P＜0.01）。差示掃描量熱法測(cè)試結(jié)果表明，考慮墻體溫度＞0 ℃的實(shí)際狀況，5%相變固化劑摻量風(fēng)沙土吸熱量和放熱量分別為28.16和29.89 J/g，5%相變固化劑摻量戈壁土吸熱量和放熱量分別為13.55和12.69 J/g。10%相變固化劑摻量的風(fēng)沙土與戈壁土吸、放熱量均與5%摻量同一類(lèi)型土壤的吸、放熱量相差甚微。掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果從微觀方面解釋了相變固化土強(qiáng)度提高和高效蓄放熱的機(jī)理。該文從試驗(yàn)角度證明5%摻量相變固化劑的風(fēng)沙土或戈壁土具有作為日光溫室墻體的建筑結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能主體材料的潛力，在西北非耕地地區(qū)將會(huì)有較好的應(yīng)用前景。

相變材料；土壤；溫室；固化劑；抗壓強(qiáng)度；DSC；固化機(jī)理

0 引 言

中國(guó)耕地?cái)?shù)量持續(xù)下降，1996—2010年14 a間共減少6.82%，累計(jì)減少0.09×109hm2[1]。根據(jù)國(guó)土資源部的數(shù)據(jù)，中國(guó)85%以上的土地資源為非耕地資源，且主要集中在光熱資源豐富（全年日照時(shí)數(shù)在2 800～3 300 h）的西北地區(qū)[2]。利用西北非耕地發(fā)展日光溫室園藝產(chǎn)業(yè)（如蔬菜、果樹(shù)及食用菌），減少對(duì)大量?jī)?yōu)質(zhì)農(nóng)田的占用[2]，對(duì)于緩解經(jīng)濟(jì)作物與糧食作物爭(zhēng)地矛盾、保障國(guó)家糧食安全具有重大的戰(zhàn)略意義。

傳統(tǒng)日光溫室的墻體為生土夯實(shí)或磚砌，在生產(chǎn)實(shí)踐中存在巨大的能量不平衡，白天室內(nèi)由于內(nèi)部溫度過(guò)高而不得不進(jìn)行通風(fēng)換氣，而夜晚又由于溫室蓄熱不足出現(xiàn)低溫冷害，限制了日光溫室的高效應(yīng)用。西北非耕地地區(qū)最常見(jiàn)的是風(fēng)沙土（sand soil，SS）和戈壁土（Gobi soil，GS）。風(fēng)沙土顆粒細(xì)小、均勻，粒間無(wú)凝聚力，是沙漠地區(qū)最廉價(jià)和豐富的建筑材料[3]，但常因強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)松散、易蝕、整體穩(wěn)定性差等影響工程應(yīng)用。戈壁土具有較大的內(nèi)聚力，壓縮性低、變形穩(wěn)定快、抗剪和承載能力高[4]。采用固化劑固化這些土壤進(jìn)行日光溫室墻體建設(shè)對(duì)西北非耕地地區(qū)發(fā)展園藝產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

土壤固化劑（soil curing agent，SCA）已在農(nóng)業(yè)工程中廣泛應(yīng)用[5]。李馳等[6]通過(guò)PX固化劑對(duì)庫(kù)布其沙漠風(fēng)沙土進(jìn)行加固；冀璐[7]研究了由水泥熟料為核心原料磨細(xì)而成的一種粉末狀固化劑MBER，并應(yīng)用于干旱半干旱地區(qū)雨水集蓄設(shè)施；張麗萍等[8-10]從水土保持的角度研究了SSA土壤固化劑和EN-1土壤固化劑對(duì)黃土、砒砂巖的固化效果及其對(duì)雨水滲透性的影響；尹勇等[11-12]將固化土應(yīng)用于沼氣池底座，發(fā)現(xiàn)建造的沼氣池強(qiáng)度符合國(guó)家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，且建池成本降低；邵玉芳等[13]將一種成分可調(diào)的水泥系土壤固化劑應(yīng)用于湖泊淤泥的疏浚固化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疏浚淤泥固化后可滿(mǎn)足路基填筑的強(qiáng)度要求。國(guó)外學(xué)者主要研究固化劑的配方、工程應(yīng)用及固化機(jī)理，如Marto等[14]研發(fā)了一種SS299固化劑，與紅壤土固化后測(cè)試發(fā)現(xiàn)SS299土壤固化劑能顯著提高紅壤土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度；Kim等[15]利用工業(yè)礦渣等廢棄物制備固化劑并試驗(yàn)了固化劑的固化效果；Sato等[16]報(bào)道了在寒冷地區(qū)提高土壤固化劑工程應(yīng)用效率的方法；為探明固化反應(yīng)過(guò)程，Latifi等[17]用MgCl2作為固化劑與膨脹土和高嶺土固化后，發(fā)現(xiàn)能夠使抗壓強(qiáng)度提高2倍，固化過(guò)程發(fā)生了一系列的理化反應(yīng)，膨脹土和高嶺土的孔隙由新產(chǎn)生的水合硅酸鎂（M-S-H)和鋁酸鎂水合物（M-A-H)這2種結(jié)晶化合物填充。

相變材料（phase change materials，PCMs）在溫室工程上應(yīng)用廣泛。陳超等[18-22]從相變蓄熱材料制作方法、不同形式墻體結(jié)構(gòu)等角度研究了相變蓄熱材料應(yīng)用于日光溫室的效果；王宏麗等[23-25]研究了不同原料制備的相變材料，并采用砌塊和板材的形式制成日光溫室的墻體，探明其應(yīng)用效果及蓄熱機(jī)理；郭靖等[26-28]設(shè)計(jì)了多種應(yīng)用于日光溫室的太陽(yáng)能相變蓄熱系統(tǒng)，將相變材料制備成空心砌塊，研究了內(nèi)滲型及外掛型2種不同封裝方式的相變材料的蓄熱效果；王宇欣等[29-30]研究了溫室蓄熱微膠囊相變材料的制備篩選及其性能特征；Benli等[31]利用相變材料制作的太陽(yáng)能集熱器代替化石燃料對(duì)溫室供暖，并試驗(yàn)分析了潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能；Berroug等[32]將相變材料應(yīng)用于溫室內(nèi)，發(fā)現(xiàn)冬季夜間室內(nèi)植物本身和空氣的溫度周期性波動(dòng)較小，夜間室內(nèi)平均相對(duì)濕度較對(duì)照溫室低10%～15%；Kumari等[33]利用相變材料制成墻板并安裝于溫室的北墻處，研究相變材料墻板對(duì)植物及室內(nèi)空氣溫度的影響。

綜上，土壤固化劑和相變材料在農(nóng)業(yè)工程方面已取得較好的應(yīng)用效果，但均為單一應(yīng)用。本文添加相變材料到土壤固化劑內(nèi)，配制了一種相變固化劑（phase change materials additive for soil curing agent，PCC），選擇具有典型代表性的風(fēng)沙土和戈壁土為供試材料，將相變固化劑添加進(jìn)土壤中制成相變固化土（phase change cured soil），研究不同相變固化劑摻量下土壤的抗壓強(qiáng)度及熱性能，并通過(guò)固化前后土體微觀結(jié)構(gòu)變化揭示其固化機(jī)理，以期為相變固化土在西北非耕地地區(qū)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 相變固化劑配制

本試驗(yàn)采用的相變固化劑由相變母料、普通硅酸鹽水泥32.5（PO32.5）和粉末狀熟石灰（Ca(OH)2）按照質(zhì)量比3:25:5干燥狀態(tài)下混合均勻。其中，相變母料為干燥粉末，由質(zhì)量比為20:70:8:1:1的Na2SO4·10H2O、Na2HPO4·12H2O、CaCl2·6H2O、Na2B4O7·10H2O和CMC混合制備。相變固化劑常溫干燥保存待用。

1.1.2 相變固化土試塊的制備

試驗(yàn)用風(fēng)沙土取自?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)烏海地區(qū)（39°39′N(xiāo)，106°47′E），戈壁土取自新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)（39°47′N(xiāo)，75°99′E），取土深度均在地表下1～3 m。供試相變固化土試塊均按照土壤的最佳含水率狀態(tài)[6]來(lái)制備，參考文獻(xiàn)[34]的環(huán)刀法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，風(fēng)沙土的最佳含水率為12%，干密度為1.92 g/cm3；戈壁土的最佳含水率為15%，干密度為2.12 g/cm3。

參照美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)[35]（American Society of Testing Materials，ASTM）有關(guān)水泥土試驗(yàn)規(guī)程及中國(guó)試驗(yàn)規(guī)程[34,36]，將相變固化土試塊制備成邊長(zhǎng)為70.7 mm的正方體。取風(fēng)沙土和戈壁土各2份，其中1份按添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的相變固化劑摻和攪拌均勻，另1份按添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的相變固化劑摻和攪拌均勻。然后將拌勻的混合物與水按照5∶2的質(zhì)量比攪拌均勻，拌合時(shí)間不少于10 min。裝入帶底試模中，采用人工振搗的方式分3層振搗，鋼制搗棒直徑為10 mm、長(zhǎng)為350 mm、端部磨圓，均勻地由邊緣向中心按螺旋方式插搗25次。5%相變固化劑摻量風(fēng)沙土試塊（5%PCC+SS）、10%相變固化劑摻量風(fēng)沙土試塊（10%PCC+SS）、5%相變固化劑摻量戈壁土試塊（5%PCC+GS）、10%相變固化劑摻量戈壁土試塊（10%PCC+GS）壓實(shí)度分別為88.2%、89.3%、90.5%及91.4%，容重分別1.68、1.66、1.83和1.72 g/cm3。所有試塊制作后在室溫為（20 ± 5）℃的環(huán)境下靜置（24 ± 2）h，然后對(duì)試塊進(jìn)行編號(hào)、拆模。試塊拆模后立即在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（（20 ± 2）℃、相對(duì)濕度95%以上）養(yǎng)護(hù)28 d，試塊彼此間隔不小于10 mm。成型后即制成相變固化土試塊，每個(gè)試塊制作3個(gè)，即3個(gè)重復(fù)，相變固化土試塊見(jiàn)圖1。5%相變固化劑摻量風(fēng)沙土試塊、5%相變固化劑摻量戈壁土試塊、10%相變固化劑摻量風(fēng)沙土試塊、10%相變固化劑摻量戈壁土試塊實(shí)測(cè)含水率分別為11.5%、12.8%、12.2%及14.9%。

圖1 相變固化土試塊Fig.1 Test sample of phase change cured soil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

固化體的抗壓強(qiáng)度與固化體的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，是其力學(xué)性能指標(biāo)的集中反映。本試驗(yàn)使用DNS100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)院有限公司，最大試驗(yàn)力100 kN，力測(cè)量精度在負(fù)荷傳感器容量的0.4%～100%范圍內(nèi)，精度為示值的±0.5%）對(duì)各養(yǎng)護(hù)后的相變固化土試塊進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)在室溫條件下開(kāi)展，施壓速度為0.5 kN/s。

1.2.2 差示掃描量熱曲線(xiàn)測(cè)試

相變固化土運(yùn)用于主動(dòng)蓄熱日光溫室時(shí)會(huì)凝結(jié)大量的冷凝水。研究表明[37]，主動(dòng)蓄熱風(fēng)道的換熱量為20 715.89 kJ/h時(shí)可凝結(jié)3 714.69 g冷凝水。因此，相變固化土的換熱壁面處于濕潤(rùn)狀態(tài)。本試驗(yàn)從制備好的相變固化土試塊的正中部切割部分新鮮樣品，稱(chēng)取質(zhì)量3～5 mg，進(jìn)行差示掃描量熱曲線(xiàn)測(cè)試（differential scanning calorimetry，DSC）。將小試塊放入小鋁盒內(nèi)，蓋合壓實(shí)后放入儀器內(nèi)，利用DSC Q2000差示掃描量熱儀（美國(guó)TA公司，溫度范圍為-180～725 ℃，量熱精度±0.05 ℃，升降溫速率 0.01～200 /min℃）對(duì)樣品進(jìn)行相變溫度和潛熱值測(cè)定。測(cè)試條件：升降溫速率為5 /min℃，結(jié)合相變固化土在日光溫室內(nèi)的實(shí)踐使用場(chǎng)景，溫度測(cè)試范圍為-20～50 ℃，液氮制冷。

1.2.3 電鏡測(cè)試

采用微型電動(dòng)切割機(jī)將風(fēng)干相變固化土試塊切成類(lèi)圓柱體樣品（直徑約39 mm、高20 mm），取其較為平整的斷面，用吸耳球把表面的擾動(dòng)顆粒除去，得到具有原狀結(jié)構(gòu)的較完整的掃描電鏡斷面。利用導(dǎo)電膠固定樣品后進(jìn)行噴金，完成后放入儀器內(nèi)，采用S-3 400N掃描電鏡（日本Hitachi公司生產(chǎn)，高真空模式下30 kV加速電壓時(shí)有3 nm的二次電子（secondary electron，SE）成像分辨率；放大倍率達(dá)到5～3×105倍）對(duì)不同摻量的相變固化土進(jìn)行測(cè)試，在高真空模式下采用5 kV加速電壓，放大倍率為100、500、1 000、3 000及6 000倍。

2 結(jié)果與分析

2.1 相變固化土抗壓強(qiáng)度分析

容重1.36 g/cm3時(shí)，風(fēng)沙土的自然抗壓強(qiáng)度約為0.045 MPa[38]。加入相變固化劑后，由表1可以看出，5%相變固化劑摻量的試塊平均抗壓強(qiáng)度為1.667 MPa，超過(guò)國(guó)際上對(duì)固沙強(qiáng)度1 MPa的要求[39]，10%相變固化劑摻量的試塊平均抗壓強(qiáng)度為3.208 MPa，約是5%相變固化劑摻量強(qiáng)度的2倍（P＜0.01）。容重1.92～2.23 g/cm3時(shí)，戈壁土的自然抗壓強(qiáng)度約為1～1.5 MPa[40]，5%相變固化劑摻量的戈壁土試塊平均抗壓強(qiáng)度為2.454 MPa，10%相變固化劑摻量的戈壁土試塊平均抗壓強(qiáng)度為3.671 MPa，約是5%相變固化劑摻量強(qiáng)度的1.5倍（P＜0.01）。

表1 相變固化劑摻量不同的固化土的抗壓強(qiáng)度Table 1 Compressive strength of soil under different additive amount of PCC MPa

表1還表明，10%相變固化劑加量的風(fēng)沙土和戈壁土之間沒(méi)有顯著差異（P＞0.05），而5%相變添加量的風(fēng)沙土和戈壁土間存在著顯著差異（P＜0.05）。該結(jié)果表明無(wú)論是風(fēng)沙土還是戈壁土，當(dāng)添加10%固化劑后，其抗壓強(qiáng)度極顯著高于5%固化劑添加量的抗壓強(qiáng)度。因此，摻入相變固化劑后，風(fēng)沙土和戈壁土的抗壓強(qiáng)度均明顯提高，且相變固化劑的摻量越多，其抗壓強(qiáng)度越高。風(fēng)沙土的抗壓強(qiáng)度隨著相變固化劑的摻入量增加后其強(qiáng)度較戈壁土增加更明顯，這可能是因?yàn)轱L(fēng)沙土的孔隙率較高，相變固化劑的滲透性好。

2.2 相變固化土DSC曲線(xiàn)分析

采用Advantage v5.5.3軟件繪制樣品DSC曲線(xiàn)如圖2所示，當(dāng)熱流密度為負(fù)值時(shí)為吸熱過(guò)程，反之為放熱過(guò)程。由圖可知，所有樣品均有2次吸熱和放熱過(guò)程。

圖2 相變固化土DSC測(cè)試曲線(xiàn)Fig.2 DSC curves of phase change cured soil

圖2a是5%相變固化劑摻量風(fēng)沙土的DSC測(cè)試曲線(xiàn)。第1次吸熱從-16.69 ℃開(kāi)始，到1.35 ℃結(jié)束，最大吸熱溫度-3.96 ℃，吸熱量7.65 J/g；第2次吸熱從6.54 ℃開(kāi)始，到42.68 ℃結(jié)束，最大吸熱溫度33.59 ℃，吸熱量28.16 J/g。第1次放熱從17.12 ℃開(kāi)始，到1.59 ℃結(jié)束，最大放熱溫度16.42 ℃，放熱量為29.89 J/g；第2次放熱從-10.03 ℃開(kāi)始，到-18.93 ℃結(jié)束，最大放熱溫度-9.69 ℃，放熱量為8.73 J/g。

圖2b是10%相變固化劑摻量風(fēng)沙土的DSC測(cè)試曲線(xiàn)。第1次吸熱從-7.90 ℃開(kāi)始，到2.94 ℃結(jié)束，最大吸熱溫度-3.44 ℃，吸熱量8.91 J/g；第2次吸熱從16.39 ℃開(kāi)始，到43.16 ℃結(jié)束，最大吸熱溫度33.91 ℃，吸熱量28.56 J/g。第1次放熱從17.04 ℃開(kāi)始，到0.88 ℃結(jié)束，最大放熱溫度17.78 ℃，放熱量為31.07 J/g；第2次放熱從-10.68 ℃開(kāi)始，到-19.11 ℃結(jié)束，最大放熱溫度-9.93 ℃，放熱量為11.96 J/g。

圖2c是5%相變固化劑摻量戈壁土的DSC測(cè)試曲線(xiàn)。第1次吸熱從-14.92 ℃開(kāi)始，到-0.06 ℃結(jié)束，最大吸熱溫度-5.98 ℃，吸熱量4.54 J/g；第2次吸熱從13.20 ℃開(kāi)始，到37.79 ℃結(jié)束，最大吸熱溫度31.04 ℃，吸熱量13.55 J/g。第1次放熱從15.50 ℃開(kāi)始，到0.05 ℃結(jié)束，最大放熱溫度13.73 ℃，放熱量為12.69 J/g；第2次放熱從-11.86 ℃開(kāi)始，到-19.05 ℃結(jié)束，最大放熱溫度-11.86 ℃，放熱量為5.56 J/g。

圖2d是10%相變固化劑摻量戈壁土的DSC測(cè)試曲線(xiàn)。第1次吸熱從-19.05 ℃開(kāi)始，到-3.07 ℃結(jié)束，最大吸熱溫度-8.44 ℃，吸熱量5.04 J/g；第2次吸熱從15.01 ℃開(kāi)始，到37.56 ℃結(jié)束，最大吸熱溫度29.30 ℃，吸熱量14.20 J/g。第1次放熱從14.68 ℃開(kāi)始，到-2.54 ℃結(jié)束，最大放熱溫度11.68 ℃，放熱量為13.10 J/g；第2次放熱從-13.63 ℃開(kāi)始，到-19.23 ℃結(jié)束，最大放熱溫度-14.07 ℃，放熱量為3.41 J/g。

結(jié)合相變固化土抗壓強(qiáng)度分析可知，相對(duì)5%的相變固化劑摻量，10%相變固化劑摻量的風(fēng)沙土和戈壁土均表現(xiàn)為獲得了更高的強(qiáng)度，而熱容量的總量和變化趨勢(shì)基本一致。4種相變固化土的吸、放熱溫度范圍基本一致，排除生產(chǎn)實(shí)踐中日光溫室墻體不會(huì)出現(xiàn)低于0 ℃以下低溫的情況，5%相變固化劑摻量風(fēng)沙土、10%相變固化劑摻量風(fēng)沙土、5%相變固化劑摻量戈壁土、10%相變固化劑摻量戈壁土吸熱范圍分別為6.54～42.68 ℃、16.39～43.16 ℃、13.20～37.79 ℃和15.01～37.56 ℃，放熱范圍分別為1.59～17.12 ℃、0.88～17.04 ℃、0.05～15.50 ℃和-2.54～14.68 ℃。可知4種試樣共同的吸熱溫度范圍為16.39～37.56 ℃、放熱溫度范圍為1.59～14.68℃，同等5%和10%的相變固化劑摻量下，風(fēng)沙土的吸、放熱量均較戈壁土的大。

圖3 相變固化土微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Microstructure of phase change cured soil

2.3 相變固化土固化機(jī)理分析

圖3是由掃描電鏡得到的固化土的微觀結(jié)構(gòu)圖，并詳細(xì)顯示了土粒之間的連接情況。由圖3a和圖3b可以看出，5%和10%的相變固化劑的加入使風(fēng)沙土顆粒間由原來(lái)的松散弱連接改變?yōu)橛上嘧児袒牧闲纬傻谋∧て瑺钅z結(jié)連接，形成了由風(fēng)沙土顆粒和相變固化凝結(jié)物形成的整體結(jié)構(gòu)。松散的風(fēng)沙土顆粒通過(guò)相變固化劑膠結(jié)而連結(jié)成一個(gè)整體，提高了風(fēng)沙土的強(qiáng)度，增強(qiáng)了風(fēng)沙土的整體穩(wěn)定性。

由圖3c和圖3d可以看出，5%和10%的相變固化劑的加入增強(qiáng)了戈壁土顆粒間的粘結(jié)，由于戈壁土顆粒較小，相變固化劑形成的凝結(jié)物呈現(xiàn)為更加致密完整的片狀，較少出現(xiàn)由于顆粒間距離過(guò)大而在風(fēng)沙土顆粒間形成的薄膜狀連接，微觀表現(xiàn)出較風(fēng)沙土針狀膠結(jié)更加牢固的片狀和塊狀連接，連接面呈較致密的平面，從微觀的角度顯示固化后的戈壁土較固化后的風(fēng)沙土有更高的強(qiáng)度。從圖3d的1 000及3 000倍的圖像下微觀縫隙處看出縫隙之間有針狀連接，該針狀連接為Na2SO4·10H2O的結(jié)晶，該結(jié)晶體互相交錯(cuò), 在土壤中形成穩(wěn)定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使固化土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固；另外由于相變固化劑中的主要成分是普通硅酸鹽水泥32.5（PO32.5），其主要成分為普通硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3），因此除Na2SO4·10H2O結(jié)晶體外還生成了對(duì)應(yīng)的水化物，這也是水泥的固化機(jī)理。該膨脹物有效地填充了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間的孔隙，進(jìn)一步改善了土壤中的孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤強(qiáng)度。該微觀結(jié)構(gòu)反映的結(jié)果與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表現(xiàn)在宏觀強(qiáng)度上的結(jié)果一致。

3 討 論

摻入相變固化劑后，戈壁土試塊的抗壓強(qiáng)度高于風(fēng)沙土，這是由于戈壁土內(nèi)含有黏土，且含有的水分較風(fēng)沙土多，因長(zhǎng)期土體自重的壓力在礫石、填充砂之間形成了膠狀，使礫石、填充砂、黏土混合形成整體，內(nèi)聚力較大。這也解釋了風(fēng)沙土的抗壓強(qiáng)度隨著相變固化劑的摻入量增加后其強(qiáng)度較戈壁土增加更明顯，這是因?yàn)轱L(fēng)沙土的孔隙率較高，相變固化劑的滲透性較好。

相變固化劑的母料配方中進(jìn)行了防過(guò)冷的組分（Na2B4O7·10H2O）設(shè)計(jì)，因此在日光溫室生產(chǎn)實(shí)踐溫度范圍內(nèi)過(guò)冷對(duì)相變的影響較小。一般設(shè)施作物的適宜生長(zhǎng)溫度為15～23 ℃、耐受溫度為5～40 ℃[41]，結(jié)合前文分析可知4種試樣的吸熱溫度范圍16.39～37.56 ℃，吸熱在設(shè)施作物耐受高限（40 ℃）以下，放熱溫度范圍1.59～14.68 ℃，在設(shè)施作物耐受低限（5 ℃）以下仍能釋放熱量，故符合溫室生產(chǎn)需要。同一土壤類(lèi)型的5%與10%相變固化劑摻量的吸、放熱量差距甚微，這是因?yàn)橄嘧児袒瘎┲邢嘧兡噶系某煞州^少，也說(shuō)明在滿(mǎn)足相變固化土承重要求的前提下，5%摻量較10%摻量更具有經(jīng)濟(jì)性。但同一摻量下風(fēng)沙土高于戈壁土的吸、放熱量，這可能是因?yàn)?種土壤類(lèi)型及其成分不同導(dǎo)致與本試驗(yàn)相變固化劑發(fā)生了某種反應(yīng)而產(chǎn)生的現(xiàn)象，該部分原因在后續(xù)機(jī)理研究及實(shí)踐應(yīng)用研究中待加強(qiáng)分析。

由掃描電鏡觀測(cè)可知，固化土無(wú)論是薄膜片狀或針狀連接，均與相變固化劑的成分有關(guān)，但本試驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)一步詳細(xì)分析這些連接物質(zhì)的成分，今后在研究中將著重研究這些物質(zhì)的成分及固化反應(yīng)過(guò)程，從而進(jìn)一步揭示相變固化劑固化土壤的原理。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)條件下，5%和10%相變固化劑摻量下風(fēng)沙土和戈壁土試塊的平均抗壓強(qiáng)度均超過(guò)1.5 MPa，該強(qiáng)度達(dá)到了日光溫室墻體內(nèi)填土對(duì)墻體圍護(hù)材料不產(chǎn)生側(cè)壓的設(shè)計(jì)要求。10%相變固化劑摻量的風(fēng)沙土試塊平均抗壓強(qiáng)度為3.208 MPa，約是5%摻量試塊強(qiáng)度的2倍（P＜0.01）。10%相變固化劑摻量的戈壁土試塊平均抗壓強(qiáng)度為3.671 MPa，約是5%摻量試塊強(qiáng)度的1.5倍（P＜0.01）。因此，摻入相變固化劑后，風(fēng)沙土和戈壁土的抗壓強(qiáng)度均明顯提高，且相變固化劑的摻量越多，其抗壓強(qiáng)度越高。

DSC測(cè)試表明，考慮墻體溫度＞0 ℃的實(shí)際情況，5%相變固化劑摻量風(fēng)沙土吸熱量為28.16 J/g、放熱量為29.89 J/g。10%相變固化劑摻量風(fēng)沙土吸熱量為28.56 J/g、放熱量為31.07 J/g。5%相變固化劑摻量戈壁土吸熱量為13.55 J/g、放熱量為12.69 J/g。10%相變固化劑摻量戈壁土吸熱量為14.20 J/g、放熱量為13.10 J/g。同一土壤類(lèi)型的5%與10%相變固化劑摻量的吸、放熱量差距甚微。

由掃描電鏡觀測(cè)到5%相變固化劑摻量和10%相變固化劑摻量的風(fēng)沙土、戈壁土的微觀結(jié)構(gòu)變化，相變固化劑的加入使原有顆粒間弱聯(lián)結(jié)變成薄膜片狀或針狀膠結(jié)聯(lián)結(jié)，在微觀結(jié)構(gòu)方面可以明顯看到相變材料的結(jié)晶性狀，從微觀方面解釋了相變固化土的儲(chǔ)能機(jī)理和相變固化土較未固化前強(qiáng)度提高的內(nèi)在因素。

因此，5%相變固化劑摻量的風(fēng)沙土或戈壁土均可滿(mǎn)足日光溫室墻體的建造的承壓及儲(chǔ)能需要，在西北非耕地地區(qū)將會(huì)有較好的應(yīng)用前景。同等相變固化劑摻量的風(fēng)沙土較戈壁土的蓄熱性能好，在西北多沙地區(qū)更具推廣實(shí)用價(jià)值。

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Performance test and curing mechanism of phase change cured soil for solar greenhouse walls

Bao Encai, Zou Zhirong, Zhang Yong※
(College of Horticulture, Northwest A&F University, the Agriculture Ministry Key Laboratory of Protected Horticultural Engineering in Northwest, Yangling 712100, China)

Building solar greenhouse in these non-cultivated lands cannot only make full use of the land resources in the northwest of China, but also has great significance in ensuring national food security. However, traditional solar greenhouses with soil or brick walls often suffer from a huge energy imbalance. In In this study, we designed a phase change materials additive as a soil curing agent (PCC) and used it in sand soil (SS) and Gobi soil (GS) widely distributed in the northwest of China. The new phase change cured soil greenhouse wall materials were designed and their mechanical and thermal properties were evaluated and the curing mechanism was also studied. The main composition of phase change curing agent included phase change material, silicate cement (PO32.5) and powdered Ca(OH)2at a ratio of 3: 25: 5. The raw phase material was Na2SO4·10H2O : Na2HPO4·12H2O : CaCl2·6H2O : Na2B4O7·10H2O : CMC = 20 : 70 : 8 : 1: 1. All the materials were stored at room temperature before use. The sand soil had the optimal water content of 12% and the dry density of 1.92 g/cm3 of density. The sample Gobi soil had the water content and dry density of 15% and 2.12 g/cm3, respectively. The phase changed cured soil with 5% PCC in SS, 10% PCC in SS, 5% PCC in GS and 10% PCC in GS was prepared with 3 replicates for each treatment. The compressive strength was tested at room temperature. The thermal property was studied by differential scanning calorimetry method. The structure of soil was measured by an electron microscope. The results showed that the average compressive strength of 5% PCC + SS was 1.667 MPa, higher than the international standard for curing sand (1 MPa) and the non-additive SS (0.045 MPa). The average compressive strength of 10% PCC + SS was 3.208 MPa, which almost doubled that of 5% PCC + SS. The compressive strength for 5% PCC+ GS and 10% PCC+ GS was 2.454 and 3.671 MPa, respectively, which were both higher than the average compressive strength of GS (1-1.5 MPa). Both endothermic and exothermic processes appeared in the greenhouse. For the 5% PCC + SS, the endothermic process was from 6.54 ℃ to 42.68 ℃. The maximum

endothermic temperature was 33.59 ℃, with the heat absorption of 28.16 J/g. The exothermic process started at 17.12 ℃ and ended at 1.59 ℃. The maximum exothermic temperature was 16.42 ℃ and the over all exothermic volume was 29.89 J/g. In contrast, the heat flow change of the 10% PCC + SS was relatively small. For 5% PCC + GS, an overall similar endothermic and exothermic process was also observed. The endothermic process started at 13.20 ℃ and endedat 37.79 ℃. The maximum

endothermic temperature was 31.04 ℃, and the heat absorption was 13.55 J/g. The exothermic started at 15.50 ℃ and ended at

0.05 ℃. The maximum exothermic temperature was 13.73 ℃ and the heat absorption was 12.69 J/g. The heat flow c hange of the 10% PCC + GS was also very small. These results indicated that 5% PCC and 10% PCC both met the requirement of the greenhouse energy storage. Adding of PCC enhanced the poor connection of original particleS into cementation connection, thereby reducing the holes, enhancing mechanical strength and heat storage. This paper provided valuable suggestions for the utility of SS and GS as fundamental structural materials of solar greenhouses, especially in the wild northwest regions.

phase change materials; soils; greenhouse; SCA; compressive strength; DSC; curing mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.027

S625.1

A

1002-6819(2017)-16-0203-08

鮑恩財(cái)，鄒志榮，張 勇. 日光溫室墻體用相變固化土性能測(cè)試及固化機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：203-210.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.027 http://www.tcsae.org

Bao Encai, Zou Zhirong, Zhang Yong. Performance test and curing mechanism of phase change cured soil for solar greenhouse walls[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 203-210. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.027 http://www.tcsae.org

2017-03-07

2017-08-10

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA102407）；中國(guó)博士后基金項(xiàng)目特別資助 (2015T81053 )；博士后科學(xué)基金(2014M562458)；主動(dòng)采光蓄熱溫室、超大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化環(huán)境調(diào)控裝備研制（2016BZ0901）；設(shè)施農(nóng)業(yè)采光蓄熱技術(shù)提升研究與示范（2016KTCL02-02）

鮑恩財(cái)，男，安徽合肥人，博士生，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，712100。

Email：baoencai1990@163.com

※通信作者：張 勇，男，陜西榆林人，副教授，博士，主要從事溫室建筑結(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境和建筑園藝研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，712100。Email：Landscape@nwsuaf.edu.cn。中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：張 勇（E041200715S）