仿巖溶碳酸氫鈣加固風積沙的試驗研究

蔡東廷, 樊恒輝, 李星瑤, 郭弘東, 任冠洲, 李玉根, 趙常智

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 巖土工程研究所/特殊巖土博物館, 陜西 楊凌 712100; 3.榆林學院 建筑工程學院, 陜西 榆林 719000)

1 研究背景

沙漠化已經對全球近1/4的陸地面積造成了直接威脅,沙漠在我國的分布也很廣泛[1]。沙漠地區一般多大風天氣,沙粒在風力作用下進行的風沙運動不僅會對干旱半干旱區的綠洲、農田、牧場、城鎮及交通、水利等重要基礎設施造成損毀破壞,而且空氣中懸浮的沙顆粒也會對人們的健康安全造成嚴重威脅[2]。因此,沙土加固、沙漠化防治以及揚塵等地質和生態環境問題一直是環境工程、巖土工程和地質工程領域亟待解決的重要問題。

沙漠中風積沙的沙粒結構松散,粒間無黏聚力,容易受到氣流運動影響而發生位移。目前采取的固沙方式主要有工程固沙、生物固沙、化學固沙三類。工程固沙主要通過設置機械沙障來增加地表粗糙度,削弱近地表風速,增強地表穩定性,從而達到防風固沙的目的。沙障材料主要有植物類(如麥草[3-4]、沙柳[5]、花棒[6])、無機材料類(如沙袋[7]、礫石[8])、有機材料類(如聚乙烯紗網[9]、聚乳酸纖維[10]、高密度聚乙烯[11])等。但沙障材料運輸困難,鋪設沙障費時費力。生物固沙主要包括生物結皮和微生物誘導碳酸鹽沉積兩類方法。生物結皮[12-14]是一種由地表隱花植物、微生物分泌物與沙土顆粒膠結形成的復合體,它作為一種新的荒漠化防治方法已取得了良好的效果,然而在生物結皮培育初期,流沙表面的生物量還很低,難以有效地形成結皮,容易吸附在沙土顆粒表面隨風遷移。微生物誘導碳酸鹽沉積[15-19]是利用微生物產生的脲酶水解尿素生成CO32-,與環境中金屬離子結合生成膠結物,使得沙土顆粒被聚集起來,逐漸團?；?從而實現對沙土顆粒的膠結。但是,該項技術對微生物的生長環境要求較為嚴苛,且目前大多還處于室內研究階段,難以廣泛應用?；瘜W固沙通常是將化學固化劑噴灑在流沙表面,固化劑在沙顆粒間下滲,在下滲過程中發生反應,將松散的沙顆粒粘結起來,形成具有一定強度的硬殼,可降低風力對沙子的侵蝕作用。常用的化學固沙材料主要有水泥類[20-21]、水玻璃類[22-23]、高分子聚合物類[24-26]、石油產品類[27]等?；瘜W固沙因為其施工簡單、見效快等特點,在近幾年得到了快速的發展。但是大多化學材料對環境并不友好,有些化學材料制作工藝復雜、價格昂貴,難以被廣泛利用。

巖溶作用是指水流對可溶性巖石進行的以化學過程為主、機械過程為輔的破壞和改造作用,經巖溶作用形成碳酸氫鈣,分解后生成的碳酸鈣具有成巖與膠結作用。樊恒輝等基于此提出一種加固土體的技術,即仿巖溶碳酸氫鈣加固改良土體(calcium bicarbonate formed by pesudo-karstification,簡稱CFPK)技術。CFPK加固改良土體技術是使碳酸鈣粉末經巖溶作用生成碳酸氫鈣,再分解生成具有膠結性能的碳酸鈣,碳酸鈣將土體顆粒膠結成整體,以提高土體的強度、水穩性、耐久性等工程特性。CFPK技術原料來源廣泛、制備過程簡便、改良土體工藝簡單,且整個制備過程對環境無毒無害,符合綠色可持續發展的理念。高策等[28]、邱維釗等[29]通過研究CFPK改性分散性土、膨脹土的影響因素及作用機理,發現其具有良好的改性效果。目前,針對CFPK溶液濃度與二氧化碳壓強、反應時間的關系,以及CFPK技術能否應用于加固粒間無黏聚力的沙子等問題還鮮有人研究。

本文分別以CFPK和毛烏素沙地風積沙為固沙材料和加固對象,首先研究二氧化碳壓強、反應時間對CFPK溶液濃度的影響,并通過表面強度試驗、風蝕試驗、耐水性試驗、X射線衍射、傅里葉變換紅外光譜和顯微鏡觀測等試驗,研究CFPK加固風積沙的表面強度、抗風蝕性、耐水性、物質成分和微觀結構變化,分析CFPK固化風積沙的工程性能,揭示CFPK加固風積沙的作用機理。研究成果對防沙治沙工作具有重要的理論意義與實踐價值。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1 風積沙 試驗用沙取自陜西省榆林地區的毛烏素沙地南部,其粒徑級配累計曲線見圖1,物理性質見表1。沙的粒徑主要分布在0.10～0.25 mm之間,不均勻系數Cu<5,曲率系數Cc<1,表明毛烏素沙地風積沙屬于典型的級配不良的細沙。X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)結果顯示,其主要成分為二氧化硅。

表1 試驗用風積沙物理性質

圖1 試驗用風積沙粒徑級配累計曲線

2.1.2 CFPK溶液 CFPK溶液的制備裝置如圖2所示。制備步驟如下:

(1)將碳酸鈣粉末和去離子水裝進高壓反應釜中,打開氣源閥門、進氣閥門和排氣閥門,將二氧化碳充入反應釜。

(2)反應釜中原有空氣被排空后,關閉排氣閥門,打開攪拌閥門攪拌約10 min。

(3)當反應釜壓力表達到設定壓力時,依次關閉氣源閥門和進氣閥門,靜置。

(4)從排液閥門中放出的清澈透明液體即為CFPK溶液。

2.2 試驗方法

2.2.1 二氧化碳壓強和反應時間對CFPK溶液濃度的影響試驗 設定反應釜內二氧化碳壓強分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa,待反應釜內達到目標壓強后靜置0.5 h,保持反應釜內壓力恒定,每隔1 h從反應釜內取出少許CFPK溶液,采用電導率儀和乙二胺四乙酸(ethylenediamine tetraacetic acid, EDTA)滴定法測定溶液的電導率和Ca2+濃度,用于反映壓強和時間對CFPK溶液濃度的影響。每個試樣進行3次平行測定,取其平均值作為試驗結果值。

2.2.2 表面強度試驗 為探究CFPK對試樣表層的固化效果,對固化后試樣進行表面強度試驗。在18 cm×10 cm×5 cm金屬盤內均勻鋪滿沙樣,再噴灑定量的CFPK溶液。隨后,將試樣放入50 ℃的烘箱中烘干。烘干后用數顯式推拉力計對試樣表面進行強度測量,采用圓形截面平頭探頭,探頭面積S為176.71 mm2。測量時在每個試樣表面隨機選取5個測量點,取峰值作為每個測量點的貫入力F,計算其表面強度后取平均值。表面強度計算公式為:

(1)

式中:P為表面強度,kPa;F為測量點貫入力,N;S為探頭面積,mm2。

CFPK加固風積沙試驗方案見表2。

表2 CFPK加固風積沙試驗方案

2.2.3 風蝕試驗 風蝕試驗是評判固化沙抗風性能最直觀的試驗。采用模擬吹風裝置對CFPK加固風積沙的抗風蝕性進行研究。該裝置主要由鼓風機、40 cm×30 cm×5 cm金屬淺盤等組成(圖3)。首先在金屬盤內均勻鋪滿沙樣,按照試驗方案將CFPK溶液均勻噴灑在風積沙樣表面,放置于50 ℃烘箱烘干后用10 m/s的風(風力等級為5級)進行風蝕試驗,持續時間為1 h。根據托盤中沙樣表面風蝕后的質量損失率來判斷沙土的抗風蝕性能。質量損失率計算公式如下:

(2)

式中:n為質量損失率,%;M0為托盤質量,g;M1為風蝕前托盤和沙樣的總質量,g;M2為風蝕后托盤和沙樣的總質量,g。

2.2.4 耐水性試驗 耐水性主要通過對比降雨淋溶侵蝕前后試樣的表面強度和風蝕質量損失率來衡量。試樣制作方法同表面強度試驗和風蝕試驗,按10 L/m2CFPK溶液的加固方案進行制樣,共制4組試樣。對其中兩組進行耐水性試驗(平行雙樣),采用降雨裝置模擬降雨,降雨量為10 mm,降雨歷時為5 min。降雨完成后將試樣放入50 ℃烘箱中烘干,然后進行表面強度試驗和風蝕試驗,最后與未經過降雨侵蝕的試樣進行比較。同時,將烘干后的試樣平均分為上、中、下3層,在每層取出30 g固化沙,加入100 mL濃度為1 mol/L的鹽酸充分溶解,待碳酸鈣與鹽酸充分反應后,取出2 mL上清液,采用EDTA滴定法對其進行滴定,然后計算每層試樣中碳酸鈣的質量分數。

2.2.5 微觀分析試驗 采用X射線衍射、傅里葉變換紅外光譜對加固風積沙沙樣的物質成分和官能團變化進行檢測分析,用顯微鏡觀察試樣的形貌特征。X射線衍射測試設備為德國布魯克D8 Advance X射線衍射儀,掃描范圍為5°～80°,掃描速度為2°/min;傅里葉變換紅外光譜測試設備為美國賽默飛Nicolet iS20傅里葉變換紅外光譜儀,波束范圍為(400～4 000)/cm,使用KBr壓片測試。采用超眼B011數碼顯微鏡觀察沙樣的顯微形貌、孔隙大小、沙顆粒之間的膠結和結構等,放大倍數為1 500倍。

3 結果與分析

3.1 二氧化碳壓強和反應時間對CFPK溶液濃度的影響

圖4為不同反應時間下CFPK溶液電導率和鈣離子濃度隨反應釜內二氧化碳壓強的變化曲線。由圖4可以看出,隨著二氧化碳壓強的增加,CFPK溶液的電導率和鈣離子濃度也不斷增大。如在反應時間為10.5 h時,當二氧化碳壓強從0.2 MPa增至0.6 MPa時,飽和CFPK溶液的電導率從1 908 μS/cm增大到2 450 μS/cm,鈣離子濃度從15.0 mmol/L增大到21.8 mmol/L,分別增大了28.4%和45.3%。

圖4 不同反應時間下CFPK溶液電導率和鈣離子濃度隨二氧化碳壓強的變化曲線

圖5為不同二氧化碳壓強下CFPK溶液電導率和鈣離子濃度隨反應時間變化曲線。

圖5 不同二氧化碳壓強下CFPK溶液電導率和鈣離子濃度隨反應時間的變化曲線

由圖5可以看出,隨著反應時間的增長,CFPK溶液電導率和鈣離子濃度先增加,后保持基本穩定,達到穩定所需時間隨著二氧化碳壓強的增大而延長。如二氧化碳壓強為0.2 MPa時,電導率和鈣離子濃度達到穩定需要的時間約為6 h,而壓強為0.6 MPa時,電導率和鈣離子濃度達到穩定需要的時間大約為10 h。

上述試驗結果表明,隨著反應釜內二氧化碳壓強的增大和反應時間的增長,CFPK溶液的濃度也會增大。為了提高CFPK溶液的固化效果,應盡可能生成更多的碳酸鈣固化材料,因此需要增大反應釜內二氧化碳的壓強并適當延長反應時間。綜合考慮固化效果和試驗的安全性,在本文后續的研究中反應釜的壓強設定為0.5 MPa,反應時間控制在10 h左右,此條件下生成的CFPK溶液的電導率為2 420 μS/cm,鈣離子濃度為20.75 mmol/L。

3.2 加固風積沙的表面強度

圖6為風積沙試樣的表面強度與CFPK溶液用量的關系曲線。由圖6可知,隨著CFPK溶液用量的增加,風積沙表面強度不斷增大。如僅采用去離子水處理時(對照試驗),風積沙表層的強度為30 kPa;采用20 L/m2的CFPK溶液處理時,風積沙的表面強度可達到193 kPa,提高了5.4倍。這說明風積沙經CFPK溶液處理干燥后,其表面強度顯著增大。

圖6 風積沙試樣表面強度與CFPK溶液用量關系曲線

3.3 加固風積沙的風蝕性

圖7為風積沙的風蝕試驗結果。由圖7可知,固化沙風蝕質量損失率隨著CFPK溶液用量的增加而減小。僅使用去離子水噴灑的試樣(對照試驗)風蝕質量損失率為91.5%;采用20 L/m2的CFPK溶液加固后,其風蝕質量損失率大為降低,僅為9.5%。

圖7 風蝕質量損失率與CFPK溶液用量關系曲線

3.4 加固風積沙的耐水性

降雨前后固化沙的表面強度和風蝕質量損失率與CFPK溶液用量的關系曲線見圖8。

圖8 降雨前后固化沙的表面強度及風蝕質量損失率與CFPK溶液用量關系曲線

由圖8可看出,不同用量CFPK溶液的固化沙試樣經模擬降雨后,其表面強度較降雨前有著不同程度的提高,當CFPK溶液用量為10 L/m2時,其表面強度提高了45.1%,當CFPK溶液用量大于10 L/m2時,其表面強度提高幅度趨緩;降雨侵蝕后,固化沙的風蝕質量損失率有不同程度的降低,CFPK溶液用量大于10 L/m2時,降雨后的固化沙風蝕質量損失率接近于0。

在CFPK溶液用量為10 L/m2時,降雨前后固化沙試樣上層(0～1.5 cm)、中層(1.5～3.0 cm)、下層(3.0～4.5 cm)的碳酸鈣質量分數見表3。

表3 降雨前后固化沙試樣上、中、下層碳酸鈣質量分數

由表3可以看出,固化沙試樣中的碳酸鈣主要存在于試樣上層,且降雨后固化沙試樣上層中的碳酸鈣含量較降雨前有所增加,而降雨后固化沙試樣中層和下層中的碳酸鈣含量有所減少。其原因是由于固化沙試樣下層部分沒有及時分解的碳酸氫鈣隨著水分蒸發而遷移到上層砂樣中,進而在上層分解形成碳酸鈣[30]。

3.5 X射線衍射試驗結果

圖9為風積沙試樣XRD結果分析,其中樣品1為未經過處理的風積沙,樣品2為經過10 L/m2用量CFPK溶液固化后的風積沙。由圖9中譜圖的特征衍射峰可看出,未經過處理的樣品1風積沙主要成分為二氧化硅。樣品2的譜圖在2θ=23.087°、29.435°、36.010°、39.471°、48.554°等位置附近出現特征衍射峰,與方解石(碳酸鈣一般有方解石、文石和球霰石3種同質多相體,其中方解石是熱力學最穩定的晶型)的標準卡片(PDF#05-0586)進行對比,發現這些特征衍射峰基本與方解石(012)、(104)、(110)、(113)、(024)晶面符合,進而可判斷風積沙經CFPK溶液噴灑后分解產生了較為穩定的方解石晶型碳酸鈣[31-32]。樣品2與樣品1相比,二氧化硅特征衍射峰強度略微減小,碳酸鈣的特征衍射峰強度略微增強,這是因為CFPK分解產生碳酸鈣,提高了風積沙成分中的碳酸鈣占比。

圖9 風積沙試樣XRD結果分析

3.6 傅里葉紅外光譜試驗結果

圖10為風積沙試樣傅里葉變換紅外光譜圖,其中樣品1為未經過處理的風積沙,樣品2為經過10 L/m2用量CFPK溶液固化后的風積沙。由圖10可見,在波數為2 981.31、2 872.67、2 514.45、1 800.03、875.26、711.95 cm-1處出現了方解石晶型的碳酸鈣特征峰,其中2 514.45 cm-1處為CO32-對稱伸縮和反對稱伸縮的聯合振動峰,1 800.03 cm-1處為CO32-對稱伸縮和板內彎曲的聯合振動峰,875.26和711.95 cm-1處分別為CO32-的O—C—O面外變形振動和面內變形振動峰[33-34]。且樣品2的碳酸鈣特征峰強度比樣品1的強度大,說明樣品2中的碳酸鈣相對含量要高于樣品1,與XRD試驗結果一致。

圖10 風積沙試樣傅里葉變換紅外光譜

3.7 顯微鏡觀測試驗結果

圖11為經過不同處理后的風積沙試樣顯微形貌。由圖11可看出,未經處理的風積沙呈松散的顆粒狀,顆粒之間無膠結且孔隙較大(圖11(a))。5 L/m2用量的CFPK溶液分解產生的碳酸鈣晶體附著在沙顆粒上,將分散的沙顆粒膠結起來,提高了風積沙的整體性(圖11(b))。當CFPK溶液用量增大到20 L/m2時,大量的碳酸鈣填充在沙顆粒間的孔隙內,進一步增加了固化沙表層的整體性(圖11(c))。圖11(d)顯示了經過降雨后固化沙表層的狀況,從中可發現碳酸鈣進一步增多,并且碳酸鈣與沙子之間以及碳酸鈣與碳酸鈣之間接觸得更加充分,結合得更加密實。這也從微觀結構的角度證實了前文中加固風積沙的耐水性試驗所得結論,即降雨后固化沙試樣上層中的碳酸鈣含量較降雨前有所增加。

圖11 經過不同處理后的風積沙試樣顯微形貌

4 討 論

4.1 二氧化碳壓強和反應時間對CFPK溶液濃度的影響

根據化學反應的原理可知,若反應物濃度(或壓強)增加,則生成物的濃度(或壓強)也增加,且化學反應需要一定的時間才能達到正逆反應的平衡。由此可知,當二氧化碳充入高壓反應裝置后,不斷與碳酸鈣粉末和水反應生成碳酸氫鈣(化學方程式為CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2),直至反應達到平衡。故而隨著反應時間的增加,溶液電導率和鈣離子濃度先增加而后保持穩定。增大二氧化碳壓強,反應向右繼續進行,生成物碳酸氫鈣的量也不斷增加,直至達到新的平衡狀態。所以,當二氧化碳壓強增大時,CFPK溶液的最大電導率和最大鈣離子濃度也不斷增加。

4.2 CFPK固化沙的表面強度與抗風蝕性

高策等[28]、邱維釗等[29]研究認為,仿巖溶碳酸氫鈣溶液與土混合后分解生成碳酸鈣晶體,其中一部分膠結土顆粒,另一部分填充在土顆粒間。本試驗研究發現,CFPK溶液噴灑在風積沙表面后,一邊下滲和擴散,一邊分解生成碳酸鈣。本研究中,由X射線衍射試驗和傅里葉變換紅外光譜試驗可知,生成的碳酸鈣為熱力學最穩定的方解石型碳酸鈣,一部分碳酸鈣能夠將沙顆粒膠結起來,起到膠結風積沙顆粒的作用,另一部分填充在沙顆粒間的孔隙里,起到填充作用,碳酸鈣的膠結和填充共同作用將風積沙試樣表面固結,在沙表面形成一層固結層。固結層的沙顆粒緊密粘結在一起,結構緊湊,具有較高的強度和較好的抗風蝕能力。CFPK用量越多,生成的碳酸鈣越多,發揮的膠結作用與填充作用越顯著,固化沙的表面強度和抗風蝕性就越高。

4.3 CFPK固化沙的耐水性

固化沙良好的耐水性可以保證固結層在降雨時不被侵蝕破壞[35]。本研究發現,降雨滲流與水分蒸發引起了碳酸氫鈣(或部分碳酸鈣)在沙體內部的重新分配,因此降雨后CFPK溶液固化沙表面的碳酸鈣增多,與顯微鏡觀察到的現象相符。加上沙體表層部分細小顆粒形成微膠結,使得固化沙表面強度和抗風蝕能力有所增加。

4.4 CFPK固化沙現存的問題

通過風蝕試驗可看出,使用20 L/m2的CFPK溶液加固后,其風蝕質量損失率比未加固處理時大為降低,僅為9.5%,表明CFPK溶液具有較好的固化效果。趙洋等[36]認為低成本、節水型、易操作是綠色固沙技術中急需解決的問題,本研究中采用CFPK溶液固沙具有成本低、操作簡單的優點。但在水資源珍貴的沙漠地區,如何提高仿巖溶碳酸氫鈣的溶解度以及如何實現二氧化碳和水的回收與利用還需要作進一步研究。

5 結 論

(1)隨著二氧化碳壓強的提高,CFPK溶液的電導率和鈣離子濃度不斷增加;隨著反應時間的增加,CFPK溶液的電導率和鈣離子濃度先增加后保持基本穩定。為了提高CFPK的固沙效果應采用盡可能高的二氧化碳壓強和充足的反應時間。

(2)CFPK溶液噴灑在風積沙表面,碳酸氫鈣會分解形成具有膠結作用和填充作用的方解石型碳酸鈣,提高了固化沙表層的整體性,提升了其表面強度和抗風蝕性。隨著CFPK溶液用量的增加,風積沙表面強度不斷增大,風蝕質量損失率不斷減小,而且降雨后表面強度和抗風蝕性有一定程度的提高。綜合考慮固沙效果與經濟性認為,二氧化碳壓強為0.5 MPa、CFPK溶液用量為20 L/m2時的固沙效益最好。

(3)在CFPK溶液的生產和利用過程中不產生有毒有害物質,而且水和二氧化碳可部分循環利用,屬于一種環境友好型的工程材料,在未來具有良好的應用前景。