原料配方對(duì)微孔陶瓷滲灌管道性能的影響

張春華，張 林，劉旭飛，周 偉

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

滲灌可將水輸送到作物根部灌溉，具有蒸發(fā)損失小、水分利用效率高、對(duì)作物生長(zhǎng)友好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)之一[4-6]。目前市場(chǎng)上流行的滲灌管多為塑料材質(zhì)，主要類型為在舊橡膠和舊塑料中加入改良劑塑化擠出得到的橡膠滲灌管[7,8]，和在聚氯乙烯、聚乙烯管上打孔[9-11]制得的節(jié)點(diǎn)滲灌管，這兩種塑料滲灌管都取得了一定的節(jié)水效果[12,13]。但塑料滲灌管滲水均勻性低、易堵塞[7]，其塑料材質(zhì)也存在易造成白色污染[14]、易受破壞等問(wèn)題，影響其推廣應(yīng)用。相較于塑料，多孔陶瓷具有耐酸堿腐蝕性好、強(qiáng)度高、孔隙分布均勻、不產(chǎn)生白色污染等優(yōu)點(diǎn)[15,16]，適合應(yīng)用于滲灌。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多孔陶瓷在滲灌領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探索研究，結(jié)果表明多孔陶瓷滲灌可以控制灌水器周圍的水鹽分布[17]，為作物根區(qū)提供穩(wěn)定的土壤水分環(huán)境[18,19]，提高灌溉質(zhì)量，改善作物的植物學(xué)性狀[20]，具有良好的節(jié)水增產(chǎn)效果[21,22]。目前，多孔陶瓷滲灌管道的成型工藝主要為人工拉坯法[23]和機(jī)械擠壓法[24]。人工拉坯法通過(guò)手工控制坯體形狀，工藝簡(jiǎn)單，但易受人為因素影響，管道的表面粗糙不平、管徑和壁厚波動(dòng)較大[25]，制造偏差大；機(jī)械擠壓法利用擠管機(jī)壓制出坯體，生產(chǎn)速度快，但在擠出過(guò)程中坯體容易變形[24]，管道的彎曲變形較大。注漿成型法利用石膏模具毛細(xì)管力的吸水性把漿料中的水分吸收留下原料顆粒形成毛坯[26]，可以有效控制坯體的團(tuán)聚及雜質(zhì)的含量，制備出各種形狀復(fù)雜的成型體，是多孔陶瓷最理想的成型方法之一[27]。從理論上，注漿成型法適合于制備多孔陶瓷滲灌管。但目前尚未有注漿成型法制備多孔陶瓷滲灌管道的研究，其工藝的關(guān)鍵參數(shù)尚不清楚，尤其是原料配方。

本文以黏土為骨架材料，爐渣為造孔劑，硅酸鈉為解凝劑，采用注漿成型法，制備出一種低成本的微孔陶瓷滲灌管道。分析了黏土顆粒粒徑和爐渣摻量對(duì)微孔陶瓷滲灌管道孔隙率、線收縮率、彎曲度、抗彎強(qiáng)度、滲透系數(shù)和流量的影響規(guī)律，以較大的抗彎強(qiáng)度線、較小的收縮率和彎曲度、合適的孔隙率為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，得到微孔陶瓷滲灌管道的最優(yōu)原料配方。

1 材料與方法

1.1 原料信息

微孔陶瓷滲灌管道以黏土（主要成分為SiO2和Al2O3）為骨架材料，爐渣為造孔劑，硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）為解凝劑，自來(lái)水（楊凌自來(lái)水廠）為混合溶劑。黏土取自西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院試驗(yàn)地，其顆粒組成為黏粒31.4%，粉粒 40.8%，砂粒27.8%，按國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)土壤屬于壤質(zhì)黏土。黏土經(jīng)粉碎、研磨后，分別過(guò)35 目篩（孔徑0.5 mm）、50 目篩（孔徑0.355 mm）和80目篩（孔徑0.18 mm），得到0～0.180 mm、0.180～0.355 mm、0.355～0.500 mm 的3 種不同粒徑范圍原料。爐渣取自中國(guó)旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院鍋爐房，經(jīng)水洗、干燥后，過(guò)35 目篩。硅酸鈉生產(chǎn)于天津市登峰化學(xué)廠，其中Na2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.3%～22.8%，Na2O與SiO2之比為1.03±0.03。

1.2 微孔陶瓷滲灌管道制備

黏土和爐渣按一定的質(zhì)量比配制，加入適量水和硅酸鈉后用攪拌機(jī)攪拌30 min，原料在硅酸鈉的解凝作用下充分混合，形成流動(dòng)性和穩(wěn)定性良好的漿料。把漿料倒入石膏模具，經(jīng)過(guò)約12 min，模具吸收漿料中水分并將固體顆粒吸附到內(nèi)壁形成管道坯體，然后倒出中心多余的漿料，靜置24 h，讓模具充分吸收坯體的水分讓其具有一定的強(qiáng)度，打開模具取出管道濕坯。濕坯放入恒溫風(fēng)干箱中干燥，去除掉多余水分。坯體干燥后放入高溫推板電窯以1 085 ℃的燒結(jié)溫度燒制2 h，冷卻至常溫得到微孔陶瓷滲灌管道（圖1），制備流程如圖2 所示。制備出的微孔陶瓷滲灌管道長(zhǎng)50 cm，內(nèi)徑32 mm，外徑47 mm，壁厚7.5 mm。

圖1 微孔陶瓷滲灌管道Fig.1 Microporous ceramic infiltration irrigation pipes

圖2 微孔陶瓷滲灌管道制備流程圖Fig.2 Flow chart of preparation of microporous ceramic infiltration irrigation pipes

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)有2 因素，黏土顆粒粒徑和爐渣摻量，各含3 個(gè)水平，如表1 所示。黏土經(jīng)篩分后有3 種粒徑范圍0～0.180 mm、0.180～0.355 mm、0.355～0.500 mm，依次編號(hào)S、M、L。爐渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、15%、20%。試驗(yàn)采取完全組合，共9個(gè)處理，試驗(yàn)處理如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factors and levels of experiment

表2 試驗(yàn)處理Tab.2 Experimental treatments

1.4 測(cè)試指標(biāo)與方法

（1）物相成分。將微孔陶瓷滲灌管道的試樣研磨成粉末后，采用X 射線衍射儀（型號(hào)為D8ADVANCEA25，布魯克（Bruker）公司，德國(guó)）進(jìn)行物相分析，掃描角度為10°～70°，掃描速度為5 °/min。

（2）微觀結(jié)構(gòu)。將微孔陶瓷滲灌管道切成薄片，經(jīng)打磨、水洗、吹干后，采用小型臺(tái)式冷臺(tái)掃描電鏡（FlexSEM1000型，Hitachi，日本）觀察。

（3）抗彎強(qiáng)度。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，選取微孔陶瓷滲灌管道3 個(gè)部位取樣，試樣尺寸為25 mm × 8 mm × 5 mm，跨距為20 mm，加載速度為0.5 mm/min，測(cè)試結(jié)果取平均值。

（4）孔隙率。采用阿基米德法測(cè)定微孔陶瓷孔隙率（φ）。先將試樣用量子天平稱取干重ma，然后放入超聲波清洗儀清洗15 min，擦干表面水分后，用量子天平稱取濕重mw，然后將試樣放入量子天平的漏網(wǎng)稱取浮重mf，最后用式（1）計(jì)算孔隙率。

式中：φ微孔陶瓷滲灌管道的孔隙率，%；ma為試樣的干重，g；mf為試樣的浮重，g；mw為試樣的濕重，g。

（5）線收縮率。使用游標(biāo)卡尺分別量取微孔陶瓷滲灌管道干坯與燒結(jié)后的直徑，采用式（2）計(jì)算線收縮率（η）。

式中：η為微孔陶瓷管道總線收縮率；D0為燒結(jié)前管道坯體的直徑，mm；D1為燒結(jié)后管道的直徑，mm。

（6）彎曲度。在燒結(jié)冷卻后，使用卷尺測(cè)量微孔陶瓷滲灌管道的長(zhǎng)度和彎曲高度，采用式（3）計(jì)算彎曲度（θ）。

式中：θ為微孔陶瓷滲灌管道的彎曲度，（°）；h為燒結(jié)后微孔陶瓷滲灌管道的彎曲高度，mm；l為燒結(jié)后微孔陶瓷滲灌管道的長(zhǎng)度，mm。

（7）流量。微孔陶瓷滲灌管道的流量由水力性能測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試，裝置主要由水箱、水泵、壓力表、PVC 管、微孔陶瓷滲灌管道、閥門、量杯構(gòu)成。在測(cè)試前微孔陶瓷滲灌管道置入清水中浸泡30 min，排除孔隙中的空氣，然后將其安裝在測(cè)試裝置上，在2.5、5、7.5、10 kPa 的工作壓力下進(jìn)行流量測(cè)試，每10 min 記錄一次流量，每個(gè)工作壓力重復(fù)5 次。流量以單位長(zhǎng)度（以m 計(jì)）管道的流量計(jì)算，流量單位為L(zhǎng)/(h·m)。

（8）滲透系數(shù)。微孔陶瓷滲灌管道是空心圓柱管，管壁作為其出水邊界，用式（4）計(jì)算其滲透系數(shù)（K）。

式中：K為微孔陶瓷滲灌管道的滲透系數(shù)，cm/h；r1為微孔陶瓷滲灌管道內(nèi)徑，cm；r2為微孔陶瓷滲灌管道外徑，cm；L為微孔陶瓷滲灌管道的長(zhǎng)度，cm；H為微孔陶瓷滲灌管道內(nèi)外水勢(shì)差，cm；Q為微孔陶瓷滲灌管道的流量，L/h。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料配方對(duì)微孔陶瓷滲灌管道材料性能的影響

2.1.1 物相成分

圖3 為不同爐渣摻量微孔陶瓷滲灌管道的XRD 圖譜?？梢钥闯?，管道中的物質(zhì)成分主要為鈣長(zhǎng)石（CaAl2Si2O8）、鈉長(zhǎng)石（Na2O·Al2O3·6SiO2）、β-SiO2和方石英。隨著爐渣摻量的增大，方石英的衍射峰強(qiáng)度持續(xù)降低，峰形逐漸變窄，方石英含量逐漸減小，這是因?yàn)闋t渣中的碳能夠抑制β-SiO2向方石英轉(zhuǎn)化[28]。而鈣長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的衍射峰略有增強(qiáng)，這是由于方石英減少，固相反應(yīng)生成更多的鈣長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石。

圖3 不同爐渣摻量的微孔陶瓷滲灌管道X射線衍射圖譜Fig.3 The XRD patterns of microporous ceramic infiltration irrigation pipes with different slag content

微孔陶瓷滲灌管道中各成分的含量如表3 所示?？梢钥闯觯⒖滋沾蓾B灌管道的成分中，β-SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，接近50%，鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和方石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨爐渣摻量的變化而差異較大。當(dāng)爐渣摻量從10%增至20%時(shí)，微孔陶瓷中鈣長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為從23%增至32.6%，增加了約9.6%。同時(shí)，隨著爐渣摻量從10%增至20%，方石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從23.8%降至13.7%，降低了10.1%，β-SiO2含量略有增加。因此，爐渣摻量增加顯著增大鈣長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的含量、降低方石英的含量，可以有效提高微孔陶瓷滲灌管道的力學(xué)性能[29]。

表3 微孔陶瓷滲灌管道中各成分的含量%Tab.3 Content of different compositions in microporous ceramic infiltration irrigation pipes

2.1.2 孔隙率

圖4 為不同處理微孔陶瓷滲灌管道的孔隙率?？梢钥闯?，隨著黏土顆粒粒徑的增大，或爐渣摻量的增大，陶瓷管道的孔隙率逐漸增大。其中，L-20 處理的孔隙率最大，為37.9%；S-10處理的孔隙率最小，為28.8%。管道的孔隙主要來(lái)自黏土顆粒間存在的空隙和爐渣的高溫氧化形成的孔洞。陶瓷管道坯體在注漿成型和干燥過(guò)程中黏土顆粒間的水分逐漸蒸發(fā)，留下空隙，黏土顆粒粒徑越大，黏土顆粒間空隙越大，管道的孔隙率越大。爐渣的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)增加坯體的孔隙率，并且在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，爐渣會(huì)氧化為氣體排出，在原位留下孔洞，因此爐渣摻量越大，管道的孔隙率越大。微孔陶瓷滲灌管道通過(guò)孔隙滲水，其滲流速率與孔隙率相關(guān)，因此可以通過(guò)控制黏土顆粒粒徑和爐渣摻量影響管道的流量。

圖4 不同處理微孔陶瓷滲灌管道的孔隙率Fig.4 Porosity of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

圖5為不同爐渣摻量與不同黏土顆粒粒徑的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)可以直接觀察孔隙率的結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，微孔陶瓷顆粒之間分布著大量孔隙，孔的形狀不規(guī)則，內(nèi)表面凹凸不平，比表面積較大，孔的連通性較好。從圖5(a)～圖5(c)可以看出，在同一黏土顆粒粒徑條件下，隨著爐渣摻量增加，微孔陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)變化明顯，孔隙數(shù)量逐漸增多，孔徑也逐漸增大，結(jié)構(gòu)均勻性也增加。從圖5(c)～圖5(e)可以看出，在同一爐渣摻量條件下，隨著黏土顆粒粒徑的增大，顆粒間隙變大，結(jié)構(gòu)均勻性降低。

圖5 黏土顆粒粒徑和爐渣摻量對(duì)微孔陶瓷管道微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effect of clay particle size and slag content on micromorphology of microporous ceramic infiltration irrigation pipes

2.1.3 線收縮率和彎曲度

圖6 為不同處理微孔陶瓷滲灌管道的線收縮率和彎曲度。由圖6(a)可以看出，隨著黏土顆粒粒徑減小，或爐渣摻量增加，管道的線收縮率逐漸增大。其中，S-20 處理的線收縮率最大，為4.56%；L-10 處理的線收縮率最小，為3.27%。高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中生成的液態(tài)SiO2會(huì)將坯體中的顆粒拉近，在冷卻時(shí)液相冷卻收縮，使管道線收縮率增大。在同一爐渣摻量下，黏土顆粒粒徑越小，固相反應(yīng)更充分，生成更多液態(tài)SiO2，使管道的收縮更劇烈，線收縮率越大；爐渣中的多孔結(jié)構(gòu)和其高溫氧化后留下的孔洞會(huì)增加坯體的孔隙率，使得管道冷卻有更大的收縮空間，因此爐渣摻量越大，線收縮率越大。

圖6 不同處理微孔陶瓷滲灌管道的線收縮率和彎曲度Fig.6 Linear shrinkage and curvature of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

黏土、爐渣、水和解凝劑充分?jǐn)嚢杌旌?，漿料的成分比較均勻，采用注漿成型法制備，石膏模具對(duì)坯體具有固定作用，因此制成的管道坯體不易發(fā)生彎曲，管道的彎曲主要發(fā)生在燒結(jié)過(guò)程。由圖6(b)可以看出，隨著黏土顆粒粒徑增大，或爐渣摻量增大，管道的彎曲度逐漸減小。由于小黏土顆粒的固相反應(yīng)更充分，產(chǎn)生液相更多，在冷卻過(guò)程中，由于液相表面張力和重力的作用，造成小黏土顆粒管道的彎曲度更大。爐渣摻量越大，產(chǎn)生的收縮越大，彎曲度越大。同時(shí)可以看出，不同處理微孔陶瓷滲灌管道的彎曲度都相對(duì)較?。ǎ?.6°），基本滿足使用要求。

2.1.4 抗彎強(qiáng)度

圖7為不同處理微孔陶瓷滲灌管道的抗彎強(qiáng)度。黏土顆粒粒徑和爐渣摻量的變化會(huì)顯著影響管道的抗彎強(qiáng)度；黏土顆粒粒徑越小，或爐渣摻量越小，管道的抗彎強(qiáng)度越大。以15%爐渣摻量的處理為例，黏土顆粒粒徑由S(0～0.180 mm)增大至L(0.355～0.500 mm)，管道抗彎強(qiáng)度由11.8 MPa 減小至6.6 MPa。微孔陶瓷滲灌管道中黏土顆粒之間存在空隙，黏土顆粒越大，孔隙率越大，顆粒之間的荷載面積越小，黏結(jié)強(qiáng)度越小。同時(shí)，黏土顆粒粒徑還會(huì)影響固相反應(yīng)，粒徑越小，固相反應(yīng)越充分，生成的液態(tài)SiO2將坯體中顆粒拉近，使顆粒接觸面積增多，抗彎強(qiáng)度增大。

圖7 不同處理微孔陶瓷滲灌管道的抗彎強(qiáng)度Fig.7 Flexural strength of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

由前面物相分析可知，爐渣摻量增大能夠降低微孔陶瓷中方石英的含量、增大鈣長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的含量，理論上能夠增大微孔陶瓷滲灌管道的抗彎強(qiáng)度。但爐渣高溫氧化后留下的孔洞及其本身的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)增加微孔陶瓷中的孔隙率，孔隙率的增加降低了顆粒間的荷載面積，造成微孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度減小，并且孔隙率對(duì)抗彎強(qiáng)度影響更加顯著。因此，爐渣摻量的增大，最終導(dǎo)致微孔陶瓷滲灌管道的抗彎強(qiáng)度降低。以黏土顆粒粒徑為S 的處理為例，爐渣摻量從10%增至20%，管道的抗彎強(qiáng)度從12.8 MPa降至8.2 MPa。

2.2 原料配方對(duì)微孔陶瓷滲灌管道水力性能的影響

2.2.1 微孔陶瓷滲灌管道的流量

圖8 為不同處理微孔陶瓷滲灌管道的壓力-流量曲線。當(dāng)工作壓力為10 kPa、造孔劑摻量為10%時(shí)，黏土粒徑從S(0～0.180 mm)增至L(0.355～0.500 mm)，管道流量由2.33 L/(h·m)增至3.12 L/(h·m)，增大約0.79 L/(h·m)。當(dāng)工作壓力為10 kPa、黏土顆粒粒徑均為L(zhǎng)時(shí)，爐渣摻量從10%增至20%，管道的流量由5.42 L/(h·m)增至8.25 L/(h·m)，增大約2.83 L/(h·m)。因此，在同一工作壓力下，隨著黏土顆粒粒徑的增大，或爐渣摻量的增大，微孔陶瓷滲灌管道的流量逐漸增大。這是因?yàn)?，隨著黏土粒徑的增大或爐渣摻量的增大，管道的孔隙率增大，滲透性增加。

圖8 不同處理微孔陶瓷滲灌管道壓力-流量關(guān)系曲線Fig.8 Pressure-flow rate curves of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

微孔陶瓷滲灌管道的流量與進(jìn)口工作壓力呈明顯的線性關(guān)系。以L-20 處理為例，隨著工作壓力從2.5 kPa 增至10 kPa，管道流量由4.18 L/(h·m)增至8.25 L/(h·m)，其工作壓力H與流量Q符合Q=3.03H+2.35(R2=0.997)的線性關(guān)系，其他處理也具有相似規(guī)律。將九種處理的曲線進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的擬合方程，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.99～1.00 之間。由于陶瓷顆粒之間存在大量孔隙且孔隙相互連通，毛細(xì)作用較為明顯，在零工作壓力下，管道依然可以出流。當(dāng)微孔陶瓷滲灌管道置于土壤中灌溉，由于土壤基質(zhì)吸力，管道甚至可以在負(fù)工作壓力下滲流。微孔陶瓷滲灌管道的流量和工作壓力之間呈線性關(guān)系，一般形式可表示為：

式中：q為管道流量；k為管道的流量系數(shù)；h為管道的工作壓力；c為由于毛細(xì)作用而產(chǎn)生的管道流量。

2.2.2 微孔陶瓷滲灌管道的滲透系數(shù)

水流在微孔陶瓷滲灌管道中處于層流狀態(tài)，可以用式(4)計(jì)算出管道的滲透系數(shù)，結(jié)果如表4 所示。可以看出，隨著黏土顆粒粒徑的減小或爐渣摻量的增大，微孔陶瓷滲灌管道的滲透系數(shù)逐漸增大。滲透系數(shù)的變化與孔隙率的變化相似。通過(guò)SPSS 方差分析，黏土顆粒粒徑和爐渣摻量對(duì)管道滲透系數(shù)的影響顯著性分別為0.006、0.016，均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），其中黏土顆粒粒徑對(duì)管道滲透系數(shù)的影響更加顯著。

表4 不同處理微孔陶瓷滲灌管道的滲透系數(shù)cm/hTab.4 Permeability coefficient of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

圖9為微孔陶瓷滲灌管道滲透系數(shù)與孔隙率的關(guān)系。當(dāng)微孔陶瓷滲灌管道的孔隙率從0 增至28.8%時(shí)，滲透系數(shù)從0 增至0.17 cm/h，增加了0.17 cm/h；孔隙率從28.8%增至37.9%，滲透系數(shù)增加了0.39 cm/h，滲透系數(shù)增長(zhǎng)速率變快。從擬合曲線可以看出，隨著孔隙率的增加，滲透系數(shù)逐漸增大，曲線的斜率逐漸增大，因此滲透系數(shù)的增大速度也增大。通過(guò)擬合，孔隙率φ與滲透系數(shù)K滿足冪函數(shù)關(guān)系：

圖9 微孔陶瓷滲灌管道孔隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between porosity and permeability coefficient of microporous ceramic infiltration irrigation pipes

將公式（4）、（6）聯(lián)立，得到微孔陶瓷滲灌管道流量計(jì)算函數(shù)關(guān)系式：

其中，管道長(zhǎng)度L=50 cm，管道內(nèi)、外徑分別為r1=2.3 cm，r2=4.7 cm。

從式（7）可以看出，微孔陶瓷滲灌管道的流量受到孔隙率和工作壓力的影響。因此，可以通過(guò)改變微孔陶瓷滲灌管道的孔隙率來(lái)控制管道流量，達(dá)到滿足不同作物需水要求的目的。

2.3 基于材料性能和水力性能的微孔陶瓷滲灌管道優(yōu)選

微孔陶瓷滲灌管道埋置在土壤中向作物根系供水，應(yīng)該綜合考慮其抗彎強(qiáng)度、孔隙率、線收縮率、彎曲度和滲透系數(shù)。微孔陶瓷滲灌管道埋置于地下進(jìn)行輸水和滲水，會(huì)受到土壓力、水壓力和地面壓力等外界荷載作用[29]，管道應(yīng)具有較大的抗彎強(qiáng)度，以避免被外界荷載破壞以及運(yùn)輸安裝過(guò)程中的損壞。微孔陶瓷滲灌管道在灌溉系統(tǒng)中既首尾相互連接，又與輸水管相接，過(guò)大的線收縮率和彎曲度不利于安裝。微孔陶瓷滲灌管道的孔隙率直接影響管道的流量[30]，孔隙率越大，滲透系數(shù)和流量越大，能滿足更多作物的需水要求，但孔隙率過(guò)高，抗彎強(qiáng)度會(huì)很低，因此應(yīng)選取合適的孔隙率。綜合以上各因素，微孔陶瓷滲灌管道應(yīng)具有較大的抗彎強(qiáng)度、較小線收縮率和彎曲度、以及合適的孔隙率。因此，優(yōu)選條件為抗彎強(qiáng)度＞7 MPa、線收縮率＜4%、彎曲度＜1.2°、孔隙率＞30%，其中L-15、M-10、M-15 處理滿足條件。三者中M-15的滲透系數(shù)是最大的，其應(yīng)用范圍更加廣泛。因此，M-15 處理為最優(yōu)原料配方，其黏土顆粒粒徑為0.180～0.355 mm、爐渣摻量為15%。這種配方制備出的微孔陶瓷滲灌管道孔隙率為33.9%、線收縮率為3.98%、彎曲度為0.95°、抗彎強(qiáng)度為8.6 MPa、滲透系數(shù)為0.36 cm/h，在10 kPa 工作壓力下的流量為6.12 L/(h·m)。

將本研究采用注漿成型法制備的微孔陶瓷滲灌管道與人工拉坯法[23]和機(jī)械擠壓法[24]制備陶瓷滲灌管道進(jìn)行對(duì)比，如圖10 所示。相較于人工拉坯法制備的陶瓷滲灌管道，注漿成型法制備的陶瓷滲灌管道表面較光滑、坯體勻稱、管徑與壁厚制造偏差小；機(jī)械擠壓法制備的陶瓷滲灌管道彎曲度為3.2°、抗彎強(qiáng)度為8.2 MPa，而注漿成型法制備的陶瓷滲灌管道彎曲度為0.95°、抗彎強(qiáng)度為8.6 MPa，故注漿成型法制備的陶瓷管道性能較優(yōu)。因此，相較于以往的成型工藝，注漿成型法作為微孔陶瓷滲灌管道成型工藝更具優(yōu)勢(shì)。

圖10 不同成型工藝制備的陶瓷滲灌管道Fig.10 Ceramic infiltration irrigation pipes prepared by different forming processes

3 結(jié) 論

本研究以黏土為骨架材料，爐渣為造孔劑，硅酸鈉為解凝劑，采用注漿成型法，制備出一種低成本、性能優(yōu)良的微孔陶瓷滲灌管道。結(jié)果表明：

（1）原料配方顯著影響微孔陶瓷滲灌管道的孔隙率、線收縮率、彎曲度、抗彎強(qiáng)度等材料性能。隨著黏土顆粒粒徑的增大，孔隙率增大，線收縮率、彎曲度、抗彎強(qiáng)度減?。浑S著爐渣摻量增加，孔隙率、線收縮率、彎曲度增大，抗彎強(qiáng)度減小。

（2）微孔陶瓷滲灌管道的流量與工作壓力呈線性關(guān)系。隨著黏土顆粒粒徑的增大，或爐渣摻量的增大，管道的滲透系數(shù)增大，管道的流量增大。微孔陶瓷滲灌管道的滲透系數(shù)與孔隙率成冪函數(shù)關(guān)系，可以通過(guò)改變?cè)现叙ね令w粒粒徑或爐渣摻量來(lái)調(diào)節(jié)管道的孔隙率，獲得滿足作物需求的流量。

（3）綜合考慮微孔陶瓷滲灌管道的孔隙率、線收縮率、彎曲度、抗彎強(qiáng)度、滲透系數(shù)和流量，得到微孔陶瓷滲灌管道的最優(yōu)原料配方為黏土顆粒粒徑0.180～0.355 mm、爐渣摻量15%。這種配方制備出的微孔陶瓷滲灌管道孔隙率為33.9%、線收縮率為3.98%、彎曲度為0.95°、抗彎強(qiáng)度為8.6 MPa、滲透系數(shù)為0.36 cm/h，在10 kPa 的工作壓力下的流量為6.12 L/(h·m)，兼具良好的材料性能和水力性，能較好滿足田間使用要求。