沙土基凝露材料制備

安昭 張?jiān)鲋? 董姍姍

摘 要：本文利用沙漠沙土資源，通過對(duì)沙土進(jìn)行球磨、煅燒的預(yù)處理，與CaO、H2O實(shí)現(xiàn)波索來反應(yīng)，進(jìn)而制備多孔性沙土基凝露材料。并模擬沙漠化環(huán)境，進(jìn)行凝露材料的吸濕性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)合沙土的預(yù)處理工藝，分析吸濕性能的差異性原因。本課題意義在于不引入外來水的條件下，利用晝夜溫差凝露實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)及發(fā)芽所需水分的供應(yīng)。

關(guān)鍵詞：沙土；波索來反應(yīng)；凝露

1 緒論

治理土地荒漠化的過程中，非常有效地一項(xiàng)措施是發(fā)展林沙產(chǎn)業(yè)，通過在沙地上種植綠色植被，既推動(dòng)了林業(yè)的發(fā)展，改善了當(dāng)?shù)厝藗兊纳睿謱?duì)沙化的土地有修復(fù)作用。荒漠化地區(qū)的氣候特點(diǎn)[1]和沙土環(huán)境[2]決定了該舉措的重難點(diǎn)是提高沙區(qū)植物的存活比例，而提高沙區(qū)植物存活率這一問題，水分供應(yīng)是必要條件。[3]基于這些條件，我們致力于尋找需水量較少的植物以及研究在缺水環(huán)境下種植植物的方法。

1.1 波索來反應(yīng)

波索來反應(yīng)又被叫做火山灰反應(yīng)。火山灰（Pozzolan）最初指由劇烈火山噴發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的玻璃質(zhì)火成碎屑材料，現(xiàn)在則通指所有遇水能與石灰反應(yīng)并發(fā)生凝結(jié)、硬化及強(qiáng)度增長(zhǎng)的活性材料，可以用作混凝土的輔助膠凝材料。

一些含有火山灰成分的混合料也包含了一些分量的活性二氧化硅、活性氧化鋁等該種特性的成分。而火山灰反應(yīng)的化學(xué)機(jī)理實(shí)際上就是其中的活性組分與氫氧化鈣發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣等新的物質(zhì)成分。其中，氫氧化鈣既可能由外摻的石灰產(chǎn)生，又可能源于由水泥水化反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氧化鈣。[4]

1.2 凝露材料意義

以沙漠沙土為原料，以波索來反應(yīng)為反應(yīng)原理，以沙土-CaO-H2O為反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)凝露材料的制備。將該材料用于沙漠植物地表以下，吸收潮沙層的水分，為植物的發(fā)芽和生長(zhǎng)提供必要的水分。該材料對(duì)于提高荒漠地區(qū)植物的存活率具有重大的意義。

2 實(shí)驗(yàn)部分

通過對(duì)原料沙土進(jìn)行預(yù)處理，改變?cè)戏磻?yīng)活性，研究不同活性原料對(duì)沙土基凝露材料制備的影響。

（1）實(shí)驗(yàn)原料：沙土，氧化鈣，去離子水等。

（2）實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備：電子天平，球磨機(jī)，磁力攪拌機(jī)，真空干燥箱，馬弗爐，人工氣候箱。

（3）沙土預(yù)處理。①第一組：煅燒。煅燒之前將沙土置于恒溫箱中110℃恒溫烘干1h備用。烘干后，稱取2份沙土，每份100g，分別置于馬弗爐中煅燒，煅燒溫度分別為700℃、800℃，升溫速率設(shè)置為10℃ /min。達(dá)到預(yù)定溫度后，保溫時(shí)長(zhǎng)1小時(shí)。其中700℃煅燒，記為T1，800℃煅燒，記為T2。

②第二組：球磨。稱取兩組沙土，每組各100g。分別進(jìn)行球磨，球磨30min記為T3，球磨60min記為T4。

（4）凝露材料制備。將CaO與預(yù)處理過的沙土以質(zhì)量比1：1，水灰比9：1的摻量配比混合均勻放入燒杯中，用以發(fā)生反應(yīng)。將配制好的沙土-CaO-H2O試樣置于磁力攪拌儀上攪拌10min后置于恒溫干燥箱中50℃養(yǎng)護(hù)7天。第一組以煅燒溫度為變量，以探究煅燒溫度對(duì)波索來反應(yīng)產(chǎn)物活性的影響；第二組以球磨時(shí)間為變量，以探究沙土粒度對(duì)波索來反應(yīng)產(chǎn)物活性的影響。

3 凝露材料性能研究

3.1 煅燒處理

從圖1中可以看出，XRD圖譜中的主要衍射峰為SiO2、Ca（OH）2、以及CaCO3。波索來反應(yīng)的主要產(chǎn)物是C-S-H，但水化硅酸鈣的晶體結(jié)構(gòu)松散，因此在XRD中未出現(xiàn)明顯的特征峰，只是在靠近Ca（OH）2處有較弱的饅頭峰。隨著煅燒溫度的增加，SiO2的衍射峰強(qiáng)度有所減弱，這說明煅燒沙土與CaO-H2O更容易發(fā)生波索來反應(yīng)，活性SiO2可與Ca2+在堿性條件下生成C-S-H凝膠。且T2（紅色）反應(yīng)產(chǎn)物比T1（黑色）反應(yīng)產(chǎn)物中SiO2的衍射峰減弱的更加明顯，C-S-H的饅頭峰逐漸長(zhǎng)大，這也說明，煅燒800℃沙土與CaO、H2O的反應(yīng)活性更強(qiáng)。隨著煅燒溫度的逐漸增加，沙土中SiO2晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，由α-石英向磷石英轉(zhuǎn)變，結(jié)晶度降低，趨于無定性，使得煅燒沙土-CaO-H2O參與反應(yīng)的活性SiO2越來越多，即反應(yīng)活性越來越大。

從圖2中可以看出新生成的大量的云朵狀的C-S-H凝膠以及少量未發(fā)生反應(yīng)的沙土顆粒堆積在一起。C-S-H 最先包覆在沙土顆粒表面，隨著反應(yīng)程度逐漸增大，新生成的C-S-H凝膠逐漸增多，并交織、連結(jié)在一起，不斷向復(fù)合體系空隙處生長(zhǎng)，生成更加明顯、疏松、發(fā)達(dá)的片層狀的孔結(jié)構(gòu)。C-S-H表面之間有一定的距離，片狀結(jié)構(gòu)之間相互交錯(cuò)形成一些小孔隙。

3.2 球磨處理

采用BT-9300H型激光粒度儀檢測(cè)沙土原土球磨30min/60min后的粉體粒徑分布，球磨30min試樣粒度小于160μm之間，D50、D90分別為49.67μm、158.71μm；球磨60min試樣粒度分布小于40μm之間，D50、D90分別為7.29μm、35.55μm。

球磨后反應(yīng)產(chǎn)物中SiO2的衍射峰強(qiáng)度有所降低，即沙土中的SiO2結(jié)晶度變低，結(jié)晶度低的SiO2更容易發(fā)生Si-OH鍵的斷裂，Si4+更易于Ca2+在有水的情況下結(jié)合，發(fā)生波索來反應(yīng)，生成了C-S-H凝膠。且T4（紅色）反應(yīng)產(chǎn)物中較T3（黑色）反應(yīng)產(chǎn)物中SiO2衍射峰降低的更明顯，且C-S-H的彌散峰的峰值和寬度都有所增強(qiáng)，這也說明了T4的沙土的波索來反應(yīng)活性明顯高于T3的沙土。對(duì)沙土進(jìn)行球磨不同時(shí)間，一方面，隨著球磨時(shí)間的增加，沙土的顆粒粒度逐漸細(xì)化，這一點(diǎn)由球磨不同時(shí)間的沙土顆粒的粒徑分布圖證實(shí)，沙土顆粒的比表面積逐漸增大，與CaO、H2O的接觸面積越大，反應(yīng)活性越來越高；另一方面，機(jī)械力使沙土顆粒晶體結(jié)構(gòu)改變，產(chǎn)生結(jié)晶效應(yīng)，使得SiO2的結(jié)晶度降低，增加了沙土中SiO2表面活性點(diǎn)，從而提高了沙土反應(yīng)活性。然而，球磨時(shí)間延長(zhǎng)的過長(zhǎng)也不合理，雖然此舉會(huì)使沙土的比表面積增加，但也會(huì)使沙土的活性損失過快，再者，細(xì)小顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)也將大大影響粉磨效果。因此，需合理設(shè)置球磨時(shí)間提高反應(yīng)活性。

從圖4中可以看出新生成的團(tuán)絮狀的C-S-H凝膠和未發(fā)生反應(yīng)的小沙土顆粒堆積在一起，連接相對(duì)緊密，成板狀，且有孔隙均勻分布。球磨60min的沙土體系中生成的C-S-H數(shù)量更多，且孔洞更明顯，均勻分成，呈放射狀向空隙生長(zhǎng)。這也說明了球磨60min的沙土SiO2-CaO-H2O的反應(yīng)活性更高。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，沙土SiO2顆粒的粒度逐漸減小，活性位點(diǎn)逐漸增多，與CaO、H2O 的反應(yīng)程度更大，生成的C-S-H更多，并交織、連結(jié)在一起，形成疏松的孔洞分布，孔結(jié)構(gòu)越發(fā)明顯，孔洞增大且多。

4 吸濕性能測(cè)試

4.1 測(cè)試

利用多段人工氣候箱對(duì)凝露材料進(jìn)行吸濕性能測(cè)試，采取不同的溫度、濕度變化，重復(fù)多次試驗(yàn)。進(jìn)行吸濕性能檢測(cè)之前，將所有試樣置于恒溫干燥箱中100℃烘干，保證試樣干燥。

（1）不同溫度，相同濕度。設(shè)定濕度為60%RH，溫度分別為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，恒溫時(shí)長(zhǎng)24H。分別稱取100克不同預(yù)處理沙土基凝露材料置于設(shè)置好的人工氣候箱內(nèi)，24小時(shí)后再次稱重。每一種凝露材料重復(fù)試驗(yàn)三次取平均值記為Mh。試樣吸濕率為：Qt=Mh-100100。

（2）不同濕度，相同溫度。設(shè)定溫度為25℃，濕度分別為20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH，70%RH，恒溫24H。分別稱取100克不同的預(yù)處理沙土基凝露材料置于設(shè)置好的人工氣候箱內(nèi)，24小時(shí)后再次稱重。每一種凝露材料重復(fù)試驗(yàn)三次取平均值記為Mt。試樣吸濕率為：Qt=Mt-100100。

4.2 結(jié)論

不同環(huán)境下的吸濕能力由大到小為：T2體系> T1體系> T4體系> T3體系。在同一濕度下，隨著溫度增加，凝露材料的吸濕率逐漸降低，吸濕時(shí)放熱過程，根據(jù)Le Chatelier 原理和 Vant Hoff 定律，升溫會(huì)抑制材料吸濕，使其平衡含濕量減少。在同一溫度下，隨著濕度增加，凝露材料的吸濕率逐漸增加。

在模擬的沙漠氣候條件下，夜間至清晨，溫度較低，濕度大，凝露材料利用硅酸鈣凝膠的吸濕性和自身結(jié)構(gòu)的孔洞結(jié)露，實(shí)現(xiàn)吸濕功能。隨著白天氣溫升高，濕度降低，凝露材料又將儲(chǔ)存的水分緩慢釋放。聯(lián)合開爾文公式，凹面的飽和蒸氣壓要小于平面的飽和蒸氣壓，即孔洞結(jié)構(gòu)更容易凝露。結(jié)合沙土-CaO-H2O反應(yīng)后試樣的掃描電鏡可以看出，各不同預(yù)處理體系的反應(yīng)產(chǎn)物均形成為疏松的多孔結(jié)構(gòu)，C-S-H內(nèi)部具有很多的毛細(xì)孔，具有極大的比表面，可以自動(dòng)吸附空氣中的水蒸氣，并在內(nèi)部的毛細(xì)孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)露效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊志飛.沙漠氣候特點(diǎn)的分析[J].環(huán)境條件與試驗(yàn)，1991（06）：1-3.

[2]姚正毅，陳廣庭，張偉民.沙丘表面沙土密度分布特征及其成因[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003（03）：15-18.

[3]王濤.中國(guó)沙漠與沙漠化[M].河北：河北科學(xué)技術(shù)出版社，2003：209-214.

[4]朱蓓蓉，楊全兵.幾種火山灰質(zhì)摻合料的火山灰活性研究[J].粉煤灰綜合利用，2005（02）：3-5.

作者簡(jiǎn)介：安昭（1994-），女，漢族，河北石家莊人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士，專業(yè)：材料物理與化學(xué)。