原料配方对微孔陶瓷渗灌管道性能的影响

张春华，张 林，刘旭飞，周 伟

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

0 引 言

渗灌可将水输送到作物根部灌溉，具有蒸发损失小、水分利用效率高、对作物生长友好等优点[1-3]，是当今世界最先进的农业节水灌溉技术之一[4-6]。目前市场上流行的渗灌管多为塑料材质，主要类型为在旧橡胶和旧塑料中加入改良剂塑化挤出得到的橡胶渗灌管[7,8]，和在聚氯乙烯、聚乙烯管上打孔[9-11]制得的节点渗灌管，这两种塑料渗灌管都取得了一定的节水效果[12,13]。但塑料渗灌管渗水均匀性低、易堵塞[7]，其塑料材质也存在易造成白色污染[14]、易受破坏等问题，影响其推广应用。相较于塑料，多孔陶瓷具有耐酸碱腐蚀性好、强度高、孔隙分布均匀、不产生白色污染等优点[15,16]，适合应用于渗灌。

近年来，国内外学者对多孔陶瓷在渗灌领域的应用进行了探索研究，结果表明多孔陶瓷渗灌可以控制灌水器周围的水盐分布[17]，为作物根区提供稳定的土壤水分环境[18,19]，提高灌溉质量，改善作物的植物学性状[20]，具有良好的节水增产效果[21,22]。目前，多孔陶瓷渗灌管道的成型工艺主要为人工拉坯法[23]和机械挤压法[24]。人工拉坯法通过手工控制坯体形状，工艺简单，但易受人为因素影响，管道的表面粗糙不平、管径和壁厚波动较大[25]，制造偏差大；机械挤压法利用挤管机压制出坯体，生产速度快，但在挤出过程中坯体容易变形[24]，管道的弯曲变形较大。注浆成型法利用石膏模具毛细管力的吸水性把浆料中的水分吸收留下原料颗粒形成毛坯[26]，可以有效控制坯体的团聚及杂质的含量，制备出各种形状复杂的成型体，是多孔陶瓷最理想的成型方法之一[27]。从理论上，注浆成型法适合于制备多孔陶瓷渗灌管。但目前尚未有注浆成型法制备多孔陶瓷渗灌管道的研究，其工艺的关键参数尚不清楚，尤其是原料配方。

本文以黏土为骨架材料，炉渣为造孔剂，硅酸钠为解凝剂，采用注浆成型法，制备出一种低成本的微孔陶瓷渗灌管道。分析了黏土颗粒粒径和炉渣掺量对微孔陶瓷渗灌管道孔隙率、线收缩率、弯曲度、抗弯强度、渗透系数和流量的影响规律，以较大的抗弯强度线、较小的收缩率和弯曲度、合适的孔隙率为优选标准，得到微孔陶瓷渗灌管道的最优原料配方。

1 材料与方法

1.1 原料信息

微孔陶瓷渗灌管道以黏土（主要成分为SiO2和Al2O3）为骨架材料，炉渣为造孔剂，硅酸钠（Na2SiO3·9H2O）为解凝剂，自来水（杨凌自来水厂）为混合溶剂。黏土取自西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院试验地，其颗粒组成为黏粒31.4%，粉粒 40.8%，砂粒27.8%，按国际制土壤质地分类标准，试验土壤属于壤质黏土。黏土经粉碎、研磨后，分别过35 目筛（孔径0.5 mm）、50 目筛（孔径0.355 mm）和80目筛（孔径0.18 mm），得到0～0.180 mm、0.180～0.355 mm、0.355～0.500 mm 的3 种不同粒径范围原料。炉渣取自中国旱区农业节水研究院锅炉房，经水洗、干燥后，过35 目筛。硅酸钠生产于天津市登峰化学厂，其中Na2O 质量分数为19.3%～22.8%，Na2O与SiO2之比为1.03±0.03。

1.2 微孔陶瓷渗灌管道制备

黏土和炉渣按一定的质量比配制，加入适量水和硅酸钠后用搅拌机搅拌30 min，原料在硅酸钠的解凝作用下充分混合，形成流动性和稳定性良好的浆料。把浆料倒入石膏模具，经过约12 min，模具吸收浆料中水分并将固体颗粒吸附到内壁形成管道坯体，然后倒出中心多余的浆料，静置24 h，让模具充分吸收坯体的水分让其具有一定的强度，打开模具取出管道湿坯。湿坯放入恒温风干箱中干燥，去除掉多余水分。坯体干燥后放入高温推板电窑以1 085 ℃的烧结温度烧制2 h，冷却至常温得到微孔陶瓷渗灌管道（图1），制备流程如图2 所示。制备出的微孔陶瓷渗灌管道长50 cm，内径32 mm，外径47 mm，壁厚7.5 mm。

图1 微孔陶瓷渗灌管道Fig.1 Microporous ceramic infiltration irrigation pipes

图2 微孔陶瓷渗灌管道制备流程图Fig.2 Flow chart of preparation of microporous ceramic infiltration irrigation pipes

1.3 试验设计

本试验有2 因素，黏土颗粒粒径和炉渣掺量，各含3 个水平，如表1 所示。黏土经筛分后有3 种粒径范围0～0.180 mm、0.180～0.355 mm、0.355～0.500 mm，依次编号S、M、L。炉渣的质量分数分别为10%、15%、20%。试验采取完全组合，共9个处理，试验处理如表2所示。

表1 试验因素水平Tab.1 Factors and levels of experiment

表2 试验处理Tab.2 Experimental treatments

1.4 测试指标与方法

（1）物相成分。将微孔陶瓷渗灌管道的试样研磨成粉末后，采用X 射线衍射仪（型号为D8ADVANCEA25，布鲁克（Bruker）公司，德国）进行物相分析，扫描角度为10°～70°，扫描速度为5 °/min。

（2）微观结构。将微孔陶瓷渗灌管道切成薄片，经打磨、水洗、吹干后，采用小型台式冷台扫描电镜（FlexSEM1000型，Hitachi，日本）观察。

（3）抗弯强度。采用电子万能试验机测试，选取微孔陶瓷渗灌管道3 个部位取样，试样尺寸为25 mm × 8 mm × 5 mm，跨距为20 mm，加载速度为0.5 mm/min，测试结果取平均值。

（4）孔隙率。采用阿基米德法测定微孔陶瓷孔隙率（φ）。先将试样用量子天平称取干重ma，然后放入超声波清洗仪清洗15 min，擦干表面水分后，用量子天平称取湿重mw，然后将试样放入量子天平的漏网称取浮重mf，最后用式（1）计算孔隙率。

式中：φ微孔陶瓷渗灌管道的孔隙率，%；ma为试样的干重，g；mf为试样的浮重，g；mw为试样的湿重，g。

（5）线收缩率。使用游标卡尺分别量取微孔陶瓷渗灌管道干坯与烧结后的直径，采用式（2）计算线收缩率（η）。

式中：η为微孔陶瓷管道总线收缩率；D0为烧结前管道坯体的直径，mm；D1为烧结后管道的直径，mm。

（6）弯曲度。在烧结冷却后，使用卷尺测量微孔陶瓷渗灌管道的长度和弯曲高度，采用式（3）计算弯曲度（θ）。

式中：θ为微孔陶瓷渗灌管道的弯曲度，（°）；h为烧结后微孔陶瓷渗灌管道的弯曲高度，mm；l为烧结后微孔陶瓷渗灌管道的长度，mm。

（7）流量。微孔陶瓷渗灌管道的流量由水力性能测试装置进行测试，装置主要由水箱、水泵、压力表、PVC 管、微孔陶瓷渗灌管道、阀门、量杯构成。在测试前微孔陶瓷渗灌管道置入清水中浸泡30 min，排除孔隙中的空气，然后将其安装在测试装置上，在2.5、5、7.5、10 kPa 的工作压力下进行流量测试，每10 min 记录一次流量，每个工作压力重复5 次。流量以单位长度（以m 计）管道的流量计算，流量单位为L/(h·m)。

（8）渗透系数。微孔陶瓷渗灌管道是空心圆柱管，管壁作为其出水边界，用式（4）计算其渗透系数（K）。

式中：K为微孔陶瓷渗灌管道的渗透系数，cm/h；r1为微孔陶瓷渗灌管道内径，cm；r2为微孔陶瓷渗灌管道外径，cm；L为微孔陶瓷渗灌管道的长度，cm；H为微孔陶瓷渗灌管道内外水势差，cm；Q为微孔陶瓷渗灌管道的流量，L/h。

2 结果与分析

2.1 原料配方对微孔陶瓷渗灌管道材料性能的影响

2.1.1 物相成分

图3 为不同炉渣掺量微孔陶瓷渗灌管道的XRD 图谱。可以看出，管道中的物质成分主要为钙长石（CaAl2Si2O8）、钠长石（Na2O·Al2O3·6SiO2）、β-SiO2和方石英。随着炉渣掺量的增大，方石英的衍射峰强度持续降低，峰形逐渐变窄，方石英含量逐渐减小，这是因为炉渣中的碳能够抑制β-SiO2向方石英转化[28]。而钙长石和钠长石的衍射峰略有增强，这是由于方石英减少，固相反应生成更多的钙长石和钠长石。

图3 不同炉渣掺量的微孔陶瓷渗灌管道X射线衍射图谱Fig.3 The XRD patterns of microporous ceramic infiltration irrigation pipes with different slag content

微孔陶瓷渗灌管道中各成分的含量如表3 所示。可以看出，微孔陶瓷渗灌管道的成分中，β-SiO2质量分数最大，接近50%，钙长石、钠长石和方石英质量分数随炉渣掺量的变化而差异较大。当炉渣掺量从10%增至20%时，微孔陶瓷中钙长石和钠长石的总质量分数为从23%增至32.6%，增加了约9.6%。同时，随着炉渣掺量从10%增至20%，方石英的质量分数从23.8%降至13.7%，降低了10.1%，β-SiO2含量略有增加。因此，炉渣掺量增加显著增大钙长石和钠长石的含量、降低方石英的含量，可以有效提高微孔陶瓷渗灌管道的力学性能[29]。

表3 微孔陶瓷渗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

图4 为不同处理微孔陶瓷渗灌管道的孔隙率。可以看出，随着黏土颗粒粒径的增大，或炉渣掺量的增大，陶瓷管道的孔隙率逐渐增大。其中，L-20 处理的孔隙率最大，为37.9%；S-10处理的孔隙率最小，为28.8%。管道的孔隙主要来自黏土颗粒间存在的空隙和炉渣的高温氧化形成的孔洞。陶瓷管道坯体在注浆成型和干燥过程中黏土颗粒间的水分逐渐蒸发，留下空隙，黏土颗粒粒径越大，黏土颗粒间空隙越大，管道的孔隙率越大。炉渣的多孔结构会增加坯体的孔隙率，并且在高温烧结时，炉渣会氧化为气体排出，在原位留下孔洞，因此炉渣掺量越大，管道的孔隙率越大。微孔陶瓷渗灌管道通过孔隙渗水，其渗流速率与孔隙率相关，因此可以通过控制黏土颗粒粒径和炉渣掺量影响管道的流量。

图4 不同处理微孔陶瓷渗灌管道的孔隙率Fig.4 Porosity of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

图5为不同炉渣掺量与不同黏土颗粒粒径的微观结构，通过微观结构可以直接观察孔隙率的结构。可以看出，微孔陶瓷颗粒之间分布着大量孔隙，孔的形状不规则，内表面凹凸不平，比表面积较大，孔的连通性较好。从图5(a)～图5(c)可以看出，在同一黏土颗粒粒径条件下，随着炉渣掺量增加，微孔陶瓷的微观结构变化明显，孔隙数量逐渐增多，孔径也逐渐增大，结构均匀性也增加。从图5(c)～图5(e)可以看出，在同一炉渣掺量条件下，随着黏土颗粒粒径的增大，颗粒间隙变大，结构均匀性降低。

图5 黏土颗粒粒径和炉渣掺量对微孔陶瓷管道微观结构的影响Fig.5 Effect of clay particle size and slag content on micromorphology of microporous ceramic infiltration irrigation pipes

2.1.3 线收缩率和弯曲度

图6 为不同处理微孔陶瓷渗灌管道的线收缩率和弯曲度。由图6(a)可以看出，随着黏土颗粒粒径减小，或炉渣掺量增加，管道的线收缩率逐渐增大。其中，S-20 处理的线收缩率最大，为4.56%；L-10 处理的线收缩率最小，为3.27%。高温烧结过程中生成的液态SiO2会将坯体中的颗粒拉近，在冷却时液相冷却收缩，使管道线收缩率增大。在同一炉渣掺量下，黏土颗粒粒径越小，固相反应更充分，生成更多液态SiO2，使管道的收缩更剧烈，线收缩率越大；炉渣中的多孔结构和其高温氧化后留下的孔洞会增加坯体的孔隙率，使得管道冷却有更大的收缩空间，因此炉渣掺量越大，线收缩率越大。

图6 不同处理微孔陶瓷渗灌管道的线收缩率和弯曲度Fig.6 Linear shrinkage and curvature of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

黏土、炉渣、水和解凝剂充分搅拌混合，浆料的成分比较均匀，采用注浆成型法制备，石膏模具对坯体具有固定作用，因此制成的管道坯体不易发生弯曲，管道的弯曲主要发生在烧结过程。由图6(b)可以看出，随着黏土颗粒粒径增大，或炉渣掺量增大，管道的弯曲度逐渐减小。由于小黏土颗粒的固相反应更充分，产生液相更多，在冷却过程中，由于液相表面张力和重力的作用，造成小黏土颗粒管道的弯曲度更大。炉渣掺量越大，产生的收缩越大，弯曲度越大。同时可以看出，不同处理微孔陶瓷渗灌管道的弯曲度都相对较小（＜1.6°），基本满足使用要求。

2.1.4 抗弯强度

图7为不同处理微孔陶瓷渗灌管道的抗弯强度。黏土颗粒粒径和炉渣掺量的变化会显著影响管道的抗弯强度；黏土颗粒粒径越小，或炉渣掺量越小，管道的抗弯强度越大。以15%炉渣掺量的处理为例，黏土颗粒粒径由S(0～0.180 mm)增大至L(0.355～0.500 mm)，管道抗弯强度由11.8 MPa 减小至6.6 MPa。微孔陶瓷渗灌管道中黏土颗粒之间存在空隙，黏土颗粒越大，孔隙率越大，颗粒之间的荷载面积越小，黏结强度越小。同时，黏土颗粒粒径还会影响固相反应，粒径越小，固相反应越充分，生成的液态SiO2将坯体中颗粒拉近，使颗粒接触面积增多，抗弯强度增大。

图7 不同处理微孔陶瓷渗灌管道的抗弯强度Fig.7 Flexural strength of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

由前面物相分析可知，炉渣掺量增大能够降低微孔陶瓷中方石英的含量、增大钙长石和钠长石的含量，理论上能够增大微孔陶瓷渗灌管道的抗弯强度。但炉渣高温氧化后留下的孔洞及其本身的多孔结构会增加微孔陶瓷中的孔隙率，孔隙率的增加降低了颗粒间的荷载面积，造成微孔陶瓷的抗弯强度减小，并且孔隙率对抗弯强度影响更加显著。因此，炉渣掺量的增大，最终导致微孔陶瓷渗灌管道的抗弯强度降低。以黏土颗粒粒径为S 的处理为例，炉渣掺量从10%增至20%，管道的抗弯强度从12.8 MPa降至8.2 MPa。

2.2 原料配方对微孔陶瓷渗灌管道水力性能的影响

2.2.1 微孔陶瓷渗灌管道的流量

图8 为不同处理微孔陶瓷渗灌管道的压力-流量曲线。当工作压力为10 kPa、造孔剂掺量为10%时，黏土粒径从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)，增大约0.79 L/(h·m)。当工作压力为10 kPa、黏土颗粒粒径均为L时，炉渣掺量从10%增至20%，管道的流量由5.42 L/(h·m)增至8.25 L/(h·m)，增大约2.83 L/(h·m)。因此，在同一工作压力下，随着黏土颗粒粒径的增大，或炉渣掺量的增大，微孔陶瓷渗灌管道的流量逐渐增大。这是因为，随着黏土粒径的增大或炉渣掺量的增大，管道的孔隙率增大，渗透性增加。

图8 不同处理微孔陶瓷渗灌管道压力-流量关系曲线Fig.8 Pressure-flow rate curves of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

微孔陶瓷渗灌管道的流量与进口工作压力呈明显的线性关系。以L-20 处理为例，随着工作压力从2.5 kPa 增至10 kPa，管道流量由4.18 L/(h·m)增至8.25 L/(h·m)，其工作压力H与流量Q符合Q=3.03H+2.35(R2=0.997)的线性关系，其他处理也具有相似规律。将九种处理的曲线进行拟合，得到相应的拟合方程，拟合相关系数均在0.99～1.00 之间。由于陶瓷颗粒之间存在大量孔隙且孔隙相互连通，毛细作用较为明显，在零工作压力下，管道依然可以出流。当微孔陶瓷渗灌管道置于土壤中灌溉，由于土壤基质吸力，管道甚至可以在负工作压力下渗流。微孔陶瓷渗灌管道的流量和工作压力之间呈线性关系，一般形式可表示为：

式中：q为管道流量；k为管道的流量系数；h为管道的工作压力；c为由于毛细作用而产生的管道流量。

2.2.2 微孔陶瓷渗灌管道的渗透系数

水流在微孔陶瓷渗灌管道中处于层流状态，可以用式(4)计算出管道的渗透系数，结果如表4 所示。可以看出，随着黏土颗粒粒径的减小或炉渣掺量的增大，微孔陶瓷渗灌管道的渗透系数逐渐增大。渗透系数的变化与孔隙率的变化相似。通过SPSS 方差分析，黏土颗粒粒径和炉渣掺量对管道渗透系数的影响显著性分别为0.006、0.016，均达到显著水平（P＜0.05），其中黏土颗粒粒径对管道渗透系数的影响更加显著。

表4 不同处理微孔陶瓷渗灌管道的渗透系数cm/hTab.4 Permeability coefficient of microporous ceramic infiltration irrigation pipes by different treatments

图9为微孔陶瓷渗灌管道渗透系数与孔隙率的关系。当微孔陶瓷渗灌管道的孔隙率从0 增至28.8%时，渗透系数从0 增至0.17 cm/h，增加了0.17 cm/h；孔隙率从28.8%增至37.9%，渗透系数增加了0.39 cm/h，渗透系数增长速率变快。从拟合曲线可以看出，随着孔隙率的增加，渗透系数逐渐增大，曲线的斜率逐渐增大，因此渗透系数的增大速度也增大。通过拟合，孔隙率φ与渗透系数K满足幂函数关系：

图9 微孔陶瓷渗灌管道孔隙率与渗透系数的关系Fig.9 Relationship between porosity and permeability coefficient of microporous ceramic infiltration irrigation pipes

将公式（4）、（6）联立，得到微孔陶瓷渗灌管道流量计算函数关系式：

其中，管道长度L=50 cm，管道内、外径分别为r1=2.3 cm，r2=4.7 cm。

从式（7）可以看出，微孔陶瓷渗灌管道的流量受到孔隙率和工作压力的影响。因此，可以通过改变微孔陶瓷渗灌管道的孔隙率来控制管道流量，达到满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渗灌管道优选

微孔陶瓷渗灌管道埋置在土壤中向作物根系供水，应该综合考虑其抗弯强度、孔隙率、线收缩率、弯曲度和渗透系数。微孔陶瓷渗灌管道埋置于地下进行输水和渗水，会受到土压力、水压力和地面压力等外界荷载作用[29]，管道应具有较大的抗弯强度，以避免被外界荷载破坏以及运输安装过程中的损坏。微孔陶瓷渗灌管道在灌溉系统中既首尾相互连接，又与输水管相接，过大的线收缩率和弯曲度不利于安装。微孔陶瓷渗灌管道的孔隙率直接影响管道的流量[30]，孔隙率越大，渗透系数和流量越大，能满足更多作物的需水要求，但孔隙率过高，抗弯强度会很低，因此应选取合适的孔隙率。综合以上各因素，微孔陶瓷渗灌管道应具有较大的抗弯强度、较小线收缩率和弯曲度、以及合适的孔隙率。因此，优选条件为抗弯强度＞7 MPa、线收缩率＜4%、弯曲度＜1.2°、孔隙率＞30%，其中L-15、M-10、M-15 处理满足条件。三者中M-15的渗透系数是最大的，其应用范围更加广泛。因此，M-15 处理为最优原料配方，其黏土颗粒粒径为0.180～0.355 mm、炉渣掺量为15%。这种配方制备出的微孔陶瓷渗灌管道孔隙率为33.9%、线收缩率为3.98%、弯曲度为0.95°、抗弯强度为8.6 MPa、渗透系数为0.36 cm/h，在10 kPa 工作压力下的流量为6.12 L/(h·m)。

将本研究采用注浆成型法制备的微孔陶瓷渗灌管道与人工拉坯法[23]和机械挤压法[24]制备陶瓷渗灌管道进行对比，如图10 所示。相较于人工拉坯法制备的陶瓷渗灌管道，注浆成型法制备的陶瓷渗灌管道表面较光滑、坯体匀称、管径与壁厚制造偏差小；机械挤压法制备的陶瓷渗灌管道弯曲度为3.2°、抗弯强度为8.2 MPa，而注浆成型法制备的陶瓷渗灌管道弯曲度为0.95°、抗弯强度为8.6 MPa，故注浆成型法制备的陶瓷管道性能较优。因此，相较于以往的成型工艺，注浆成型法作为微孔陶瓷渗灌管道成型工艺更具优势。

图10 不同成型工艺制备的陶瓷渗灌管道Fig.10 Ceramic infiltration irrigation pipes prepared by different forming processes

3 结 论

本研究以黏土为骨架材料，炉渣为造孔剂，硅酸钠为解凝剂，采用注浆成型法，制备出一种低成本、性能优良的微孔陶瓷渗灌管道。结果表明：

（1）原料配方显著影响微孔陶瓷渗灌管道的孔隙率、线收缩率、弯曲度、抗弯强度等材料性能。随着黏土颗粒粒径的增大，孔隙率增大，线收缩率、弯曲度、抗弯强度减小；随着炉渣掺量增加，孔隙率、线收缩率、弯曲度增大，抗弯强度减小。

（2）微孔陶瓷渗灌管道的流量与工作压力呈线性关系。随着黏土颗粒粒径的增大，或炉渣掺量的增大，管道的渗透系数增大，管道的流量增大。微孔陶瓷渗灌管道的渗透系数与孔隙率成幂函数关系，可以通过改变原料中黏土颗粒粒径或炉渣掺量来调节管道的孔隙率，获得满足作物需求的流量。

（3）综合考虑微孔陶瓷渗灌管道的孔隙率、线收缩率、弯曲度、抗弯强度、渗透系数和流量，得到微孔陶瓷渗灌管道的最优原料配方为黏土颗粒粒径0.180～0.355 mm、炉渣掺量15%。这种配方制备出的微孔陶瓷渗灌管道孔隙率为33.9%、线收缩率为3.98%、弯曲度为0.95°、抗弯强度为8.6 MPa、渗透系数为0.36 cm/h，在10 kPa 的工作压力下的流量为6.12 L/(h·m)，兼具良好的材料性能和水力性，能较好满足田间使用要求。