仿上水石材料的制備及導(dǎo)水性能研究

叢中卉 劉文超(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

由于沙漠地區(qū)[1,2]降水量少，蒸發(fā)量又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，以至于沙漠中沒有足夠的水分來滿足植物正常生長(zhǎng)的用水需求。在沙漠的地層結(jié)構(gòu)中[3]，既存在表面干沙層，也存在濕沙層，而且濕沙層位于表面干沙層以下約20～40cm。拜格諾[4]論述了濕沙層現(xiàn)象，他指出沙漠氣溫的變化對(duì)濕沙層溫度的影響微乎其微，濕沙層溫度的均勻性阻礙了水分蒸發(fā)，使得濕沙層的水分得以保存數(shù)年。通常情況下，傳統(tǒng)澆水、保水措施成本高、效率低，但如果能夠把濕沙層的水通過一種導(dǎo)水材料運(yùn)送至樹苗的根部，那么就可以為植物提供其生長(zhǎng)所需用水，并提高植物存活率。

自然界中的上水石，又稱吸水石，具有“水往高處流”的引水特性，其主要成分為碳酸鈣，表面為黃灰白色，質(zhì)較疏松、多孔、重量較輕[5]。通過對(duì)上水石的研究，制備出一種仿上水石材料，并將其作為導(dǎo)水材料應(yīng)用到沙漠植物的生長(zhǎng)中，從而節(jié)約大量水資源。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：沙漠沙子[6]；水泥[7]，北京金隅水泥廠；粉煤灰[8,9]，河南遠(yuǎn)恒環(huán)保工程有限公司；石膏，河南遠(yuǎn)恒環(huán)保工程有限公司；發(fā)泡劑[10-12]，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠；蒸餾水。

儀器：電子天平，PL403，梅特勒托利多廠；鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9023A，上海一恒科技；電動(dòng)攪拌器，DJ1C-200，金壇大地自動(dòng)化廠；有機(jī)玻璃管，Φ20×1mm，華夏塑料廠；透明塑料杯，20ml，鴻運(yùn)誠(chéng)興廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先稱取80g 沙子、10g 水泥、10g 粉煤灰和1g 石膏，放入燒杯中進(jìn)行混合攪拌，以375r/min 的速度先慢攪30s，再以750r/min的速度快攪120s；然后量取30ml H2O 和0.5ml H2O2于燒杯中混合并攪拌4～5s；將上述兩種混合物再次混合攪拌，先慢攪15s，攪拌速度為750r/min，再快攪30s，速度為1500r/min；將攪拌所得漿料注入底端包有紗布的帶有刻度的有機(jī)玻璃管和塑料杯中，在40℃下充分發(fā)泡30min；最后在60℃下干燥3 天，所得即為仿上水石材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 仿上水石材料的孔隙特征

如圖1 所示，仿上水石材料既有閉孔，也有完全貫通的開孔，也有半開半閉的孔；一般情況下，閉孔孔隙尺寸比開孔大；且在孔壁上形成的孔隙通常是凝膠孔和毛細(xì)孔，孔隙較小，均為開孔，在孔隙內(nèi)形成的孔通常有閉孔和開孔，孔隙較大，開孔通常貫通于閉孔內(nèi)部，類似于一個(gè)鑲嵌同心圓。

圖1 仿上水石的孔隙形貌和開孔孔徑尺寸

仿上水石材料以沙子作為主要基體材料，添加水泥作為凝膠材料，提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度，利用粉煤灰增加活性，選用30%的H2O2作為發(fā)泡劑產(chǎn)生孔隙，同時(shí)石膏可以延緩漿料稠化速度使充分發(fā)氣[13]。上水石的導(dǎo)水性能取決于其孔結(jié)構(gòu)，而孔結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)泡劑量和水料比有關(guān)，發(fā)泡劑少會(huì)使?jié){料無法膨脹成孔，過多則會(huì)導(dǎo)致斷層塌?，F(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)，水料比過高也會(huì)影響漿料成型，頂部出現(xiàn)泌水溢流的現(xiàn)象，水料比過低則影響最終試樣的力學(xué)強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)仿照天然上水石孔隙的形成機(jī)理，探索了原料的最佳配比，制備了具有優(yōu)良導(dǎo)水性能的仿上水石材料。

2.2 仿上水石材料的吸水率

吸水率是指材料試樣吸收水的質(zhì)量與原試樣的質(zhì)量之比，仿上水石材料的吸水率在一定程度上反映了材料的導(dǎo)水能力，利用浸泡介質(zhì)法測(cè)量上水石的吸水率，公式如下：

式中：φ為吸水率；M為完全浸泡介質(zhì)后的試樣在空氣中的質(zhì)量；m為干燥試樣在空氣中的質(zhì)量。

經(jīng)過計(jì)算得出仿上水石材料的吸水率為44%，材料的吸水率反映了材料在單位時(shí)間內(nèi)的吸水量，材料的吸水率越大，則水在多孔材料上下區(qū)間的濃度差就越，這種濃度差將導(dǎo)致底部水在孔隙內(nèi)源源不斷地向上運(yùn)動(dòng)，而且吸水率大，可以保證材料底部有水源的充足。在毛細(xì)孔的范圍內(nèi)，所制備出的仿上水石材料的導(dǎo)水性能與吸水率有關(guān)且吸水率越大的導(dǎo)水效果越好。

2.3 仿上水石材料的導(dǎo)水性能

固定仿上水石材料并將其底部浸入水中，用秒表計(jì)時(shí)并記錄水的爬升高度，將最終結(jié)果繪制成曲線，并與天然上水石和過篩后的沙漠沙子做比對(duì)。導(dǎo)水測(cè)試的裝置示意圖和導(dǎo)水性能曲線如圖2 所示。導(dǎo)水性能是仿上水石材料最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，只有導(dǎo)水性能好才具有實(shí)際應(yīng)用的意義。

圖2 仿上水石材料的導(dǎo)水測(cè)試

由圖2 可以看出，仿上水石材料的水分爬升效果跟天然上水石幾乎無異，且因?yàn)榉律纤牧系目紫陡鼮榫鶆?，其?dǎo)水效果在前期表現(xiàn)得更為優(yōu)秀。多孔材料的導(dǎo)水過程是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，既與多孔材料的吸水率有關(guān)，也與水在孔隙內(nèi)的受力有關(guān)。水在孔隙內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常會(huì)受到三個(gè)力[14]，即毛細(xì)力、離子間作用力和自身重力。其中自身重力是阻力，而離子間作用力和毛細(xì)力是水向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，毛細(xì)力和孔徑大小有關(guān)，而且是與開孔的孔徑有關(guān)，孔徑越小，毛細(xì)力越大，即導(dǎo)水性能越好。

3 結(jié)語(yǔ)

反重力引水材料對(duì)于沙漠地區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，本文以上水石作為研究對(duì)象，開展了仿上水石材料的制備及其導(dǎo)水性能的研究。最終所制備的仿上水石材料具有良好的反重力引水能力，為荒漠化地區(qū)植物用水提供一種新的思路和技術(shù)，具有一定的參考意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。