仿岩溶碳酸氢钙加固风积沙的试验研究

蔡东廷, 樊恒辉, 李星瑶, 郭弘东, 任冠洲, 李玉根, 赵常智

(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 岩土工程研究所/特殊岩土博物馆, 陕西 杨凌 712100; 3.榆林学院 建筑工程学院, 陕西 榆林 719000)

1 研究背景

沙漠化已经对全球近1/4的陆地面积造成了直接威胁,沙漠在我国的分布也很广泛[1]。沙漠地区一般多大风天气,沙粒在风力作用下进行的风沙运动不仅会对干旱半干旱区的绿洲、农田、牧场、城镇及交通、水利等重要基础设施造成损毁破坏,而且空气中悬浮的沙颗粒也会对人们的健康安全造成严重威胁[2]。因此,沙土加固、沙漠化防治以及扬尘等地质和生态环境问题一直是环境工程、岩土工程和地质工程领域亟待解决的重要问题。

沙漠中风积沙的沙粒结构松散,粒间无黏聚力,容易受到气流运动影响而发生位移。目前采取的固沙方式主要有工程固沙、生物固沙、化学固沙三类。工程固沙主要通过设置机械沙障来增加地表粗糙度,削弱近地表风速,增强地表稳定性,从而达到防风固沙的目的。沙障材料主要有植物类(如麦草[3-4]、沙柳[5]、花棒[6])、无机材料类(如沙袋[7]、砾石[8])、有机材料类(如聚乙烯纱网[9]、聚乳酸纤维[10]、高密度聚乙烯[11])等。但沙障材料运输困难,铺设沙障费时费力。生物固沙主要包括生物结皮和微生物诱导碳酸盐沉积两类方法。生物结皮[12-14]是一种由地表隐花植物、微生物分泌物与沙土颗粒胶结形成的复合体,它作为一种新的荒漠化防治方法已取得了良好的效果,然而在生物结皮培育初期,流沙表面的生物量还很低,难以有效地形成结皮,容易吸附在沙土颗粒表面随风迁移。微生物诱导碳酸盐沉积[15-19]是利用微生物产生的脲酶水解尿素生成CO32-,与环境中金属离子结合生成胶结物,使得沙土颗粒被聚集起来,逐渐团粒化,从而实现对沙土颗粒的胶结。但是,该项技术对微生物的生长环境要求较为严苛,且目前大多还处于室内研究阶段,难以广泛应用。化学固沙通常是将化学固化剂喷洒在流沙表面,固化剂在沙颗粒间下渗,在下渗过程中发生反应,将松散的沙颗粒粘结起来,形成具有一定强度的硬壳,可降低风力对沙子的侵蚀作用。常用的化学固沙材料主要有水泥类[20-21]、水玻璃类[22-23]、高分子聚合物类[24-26]、石油产品类[27]等。化学固沙因为其施工简单、见效快等特点,在近几年得到了快速的发展。但是大多化学材料对环境并不友好,有些化学材料制作工艺复杂、价格昂贵,难以被广泛利用。

岩溶作用是指水流对可溶性岩石进行的以化学过程为主、机械过程为辅的破坏和改造作用,经岩溶作用形成碳酸氢钙,分解后生成的碳酸钙具有成岩与胶结作用。樊恒辉等基于此提出一种加固土体的技术,即仿岩溶碳酸氢钙加固改良土体(calcium bicarbonate formed by pesudo-karstification,简称CFPK)技术。CFPK加固改良土体技术是使碳酸钙粉末经岩溶作用生成碳酸氢钙,再分解生成具有胶结性能的碳酸钙,碳酸钙将土体颗粒胶结成整体,以提高土体的强度、水稳性、耐久性等工程特性。CFPK技术原料来源广泛、制备过程简便、改良土体工艺简单,且整个制备过程对环境无毒无害,符合绿色可持续发展的理念。高策等[28]、邱维钊等[29]通过研究CFPK改性分散性土、膨胀土的影响因素及作用机理,发现其具有良好的改性效果。目前,针对CFPK溶液浓度与二氧化碳压强、反应时间的关系,以及CFPK技术能否应用于加固粒间无黏聚力的沙子等问题还鲜有人研究。

本文分别以CFPK和毛乌素沙地风积沙为固沙材料和加固对象,首先研究二氧化碳压强、反应时间对CFPK溶液浓度的影响,并通过表面强度试验、风蚀试验、耐水性试验、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和显微镜观测等试验,研究CFPK加固风积沙的表面强度、抗风蚀性、耐水性、物质成分和微观结构变化,分析CFPK固化风积沙的工程性能,揭示CFPK加固风积沙的作用机理。研究成果对防沙治沙工作具有重要的理论意义与实践价值。

2 材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 风积沙 试验用沙取自陕西省榆林地区的毛乌素沙地南部,其粒径级配累计曲线见图1,物理性质见表1。沙的粒径主要分布在0.10～0.25 mm之间,不均匀系数Cu<5,曲率系数Cc<1,表明毛乌素沙地风积沙属于典型的级配不良的细沙。X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)结果显示,其主要成分为二氧化硅。

表1 试验用风积沙物理性质

图1 试验用风积沙粒径级配累计曲线

2.1.2 CFPK溶液 CFPK溶液的制备装置如图2所示。制备步骤如下:

(1)将碳酸钙粉末和去离子水装进高压反应釜中,打开气源阀门、进气阀门和排气阀门,将二氧化碳充入反应釜。

(2)反应釜中原有空气被排空后,关闭排气阀门,打开搅拌阀门搅拌约10 min。

(3)当反应釜压力表达到设定压力时,依次关闭气源阀门和进气阀门,静置。

(4)从排液阀门中放出的清澈透明液体即为CFPK溶液。

2.2 试验方法

2.2.1 二氧化碳压强和反应时间对CFPK溶液浓度的影响试验 设定反应釜内二氧化碳压强分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa,待反应釜内达到目标压强后静置0.5 h,保持反应釜内压力恒定,每隔1 h从反应釜内取出少许CFPK溶液,采用电导率仪和乙二胺四乙酸(ethylenediamine tetraacetic acid, EDTA)滴定法测定溶液的电导率和Ca2+浓度,用于反映压强和时间对CFPK溶液浓度的影响。每个试样进行3次平行测定,取其平均值作为试验结果值。

2.2.2 表面强度试验 为探究CFPK对试样表层的固化效果,对固化后试样进行表面强度试验。在18 cm×10 cm×5 cm金属盘内均匀铺满沙样,再喷洒定量的CFPK溶液。随后,将试样放入50 ℃的烘箱中烘干。烘干后用数显式推拉力计对试样表面进行强度测量,采用圆形截面平头探头,探头面积S为176.71 mm2。测量时在每个试样表面随机选取5个测量点,取峰值作为每个测量点的贯入力F,计算其表面强度后取平均值。表面强度计算公式为:

(1)

式中:P为表面强度,kPa;F为测量点贯入力,N;S为探头面积,mm2。

CFPK加固风积沙试验方案见表2。

表2 CFPK加固风积沙试验方案

2.2.3 风蚀试验 风蚀试验是评判固化沙抗风性能最直观的试验。采用模拟吹风装置对CFPK加固风积沙的抗风蚀性进行研究。该装置主要由鼓风机、40 cm×30 cm×5 cm金属浅盘等组成(图3)。首先在金属盘内均匀铺满沙样,按照试验方案将CFPK溶液均匀喷洒在风积沙样表面,放置于50 ℃烘箱烘干后用10 m/s的风(风力等级为5级)进行风蚀试验,持续时间为1 h。根据托盘中沙样表面风蚀后的质量损失率来判断沙土的抗风蚀性能。质量损失率计算公式如下:

(2)

式中:n为质量损失率,%;M0为托盘质量,g;M1为风蚀前托盘和沙样的总质量,g;M2为风蚀后托盘和沙样的总质量,g。

2.2.4 耐水性试验 耐水性主要通过对比降雨淋溶侵蚀前后试样的表面强度和风蚀质量损失率来衡量。试样制作方法同表面强度试验和风蚀试验,按10 L/m2CFPK溶液的加固方案进行制样,共制4组试样。对其中两组进行耐水性试验(平行双样),采用降雨装置模拟降雨,降雨量为10 mm,降雨历时为5 min。降雨完成后将试样放入50 ℃烘箱中烘干,然后进行表面强度试验和风蚀试验,最后与未经过降雨侵蚀的试样进行比较。同时,将烘干后的试样平均分为上、中、下3层,在每层取出30 g固化沙,加入100 mL浓度为1 mol/L的盐酸充分溶解,待碳酸钙与盐酸充分反应后,取出2 mL上清液,采用EDTA滴定法对其进行滴定,然后计算每层试样中碳酸钙的质量分数。

2.2.5 微观分析试验 采用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱对加固风积沙沙样的物质成分和官能团变化进行检测分析,用显微镜观察试样的形貌特征。X射线衍射测试设备为德国布鲁克D8 Advance X射线衍射仪,扫描范围为5°～80°,扫描速度为2°/min;傅里叶变换红外光谱测试设备为美国赛默飞Nicolet iS20傅里叶变换红外光谱仪,波束范围为(400～4 000)/cm,使用KBr压片测试。采用超眼B011数码显微镜观察沙样的显微形貌、孔隙大小、沙颗粒之间的胶结和结构等,放大倍数为1 500倍。

3 结果与分析

3.1 二氧化碳压强和反应时间对CFPK溶液浓度的影响

图4为不同反应时间下CFPK溶液电导率和钙离子浓度随反应釜内二氧化碳压强的变化曲线。由图4可以看出,随着二氧化碳压强的增加,CFPK溶液的电导率和钙离子浓度也不断增大。如在反应时间为10.5 h时,当二氧化碳压强从0.2 MPa增至0.6 MPa时,饱和CFPK溶液的电导率从1 908 μS/cm增大到2 450 μS/cm,钙离子浓度从15.0 mmol/L增大到21.8 mmol/L,分别增大了28.4%和45.3%。

图4 不同反应时间下CFPK溶液电导率和钙离子浓度随二氧化碳压强的变化曲线

图5为不同二氧化碳压强下CFPK溶液电导率和钙离子浓度随反应时间变化曲线。

图5 不同二氧化碳压强下CFPK溶液电导率和钙离子浓度随反应时间的变化曲线

由图5可以看出,随着反应时间的增长,CFPK溶液电导率和钙离子浓度先增加,后保持基本稳定,达到稳定所需时间随着二氧化碳压强的增大而延长。如二氧化碳压强为0.2 MPa时,电导率和钙离子浓度达到稳定需要的时间约为6 h,而压强为0.6 MPa时,电导率和钙离子浓度达到稳定需要的时间大约为10 h。

上述试验结果表明,随着反应釜内二氧化碳压强的增大和反应时间的增长,CFPK溶液的浓度也会增大。为了提高CFPK溶液的固化效果,应尽可能生成更多的碳酸钙固化材料,因此需要增大反应釜内二氧化碳的压强并适当延长反应时间。综合考虑固化效果和试验的安全性,在本文后续的研究中反应釜的压强设定为0.5 MPa,反应时间控制在10 h左右,此条件下生成的CFPK溶液的电导率为2 420 μS/cm,钙离子浓度为20.75 mmol/L。

3.2 加固风积沙的表面强度

图6为风积沙试样的表面强度与CFPK溶液用量的关系曲线。由图6可知,随着CFPK溶液用量的增加,风积沙表面强度不断增大。如仅采用去离子水处理时(对照试验),风积沙表层的强度为30 kPa;采用20 L/m2的CFPK溶液处理时,风积沙的表面强度可达到193 kPa,提高了5.4倍。这说明风积沙经CFPK溶液处理干燥后,其表面强度显著增大。

图6 风积沙试样表面强度与CFPK溶液用量关系曲线

3.3 加固风积沙的风蚀性

图7为风积沙的风蚀试验结果。由图7可知,固化沙风蚀质量损失率随着CFPK溶液用量的增加而减小。仅使用去离子水喷洒的试样(对照试验)风蚀质量损失率为91.5%;采用20 L/m2的CFPK溶液加固后,其风蚀质量损失率大为降低,仅为9.5%。

图7 风蚀质量损失率与CFPK溶液用量关系曲线

3.4 加固风积沙的耐水性

降雨前后固化沙的表面强度和风蚀质量损失率与CFPK溶液用量的关系曲线见图8。

图8 降雨前后固化沙的表面强度及风蚀质量损失率与CFPK溶液用量关系曲线

由图8可看出,不同用量CFPK溶液的固化沙试样经模拟降雨后,其表面强度较降雨前有着不同程度的提高,当CFPK溶液用量为10 L/m2时,其表面强度提高了45.1%,当CFPK溶液用量大于10 L/m2时,其表面强度提高幅度趋缓;降雨侵蚀后,固化沙的风蚀质量损失率有不同程度的降低,CFPK溶液用量大于10 L/m2时,降雨后的固化沙风蚀质量损失率接近于0。

在CFPK溶液用量为10 L/m2时,降雨前后固化沙试样上层(0～1.5 cm)、中层(1.5～3.0 cm)、下层(3.0～4.5 cm)的碳酸钙质量分数见表3。

表3 降雨前后固化沙试样上、中、下层碳酸钙质量分数

由表3可以看出,固化沙试样中的碳酸钙主要存在于试样上层,且降雨后固化沙试样上层中的碳酸钙含量较降雨前有所增加,而降雨后固化沙试样中层和下层中的碳酸钙含量有所减少。其原因是由于固化沙试样下层部分没有及时分解的碳酸氢钙随着水分蒸发而迁移到上层砂样中,进而在上层分解形成碳酸钙[30]。

3.5 X射线衍射试验结果

图9为风积沙试样XRD结果分析,其中样品1为未经过处理的风积沙,样品2为经过10 L/m2用量CFPK溶液固化后的风积沙。由图9中谱图的特征衍射峰可看出,未经过处理的样品1风积沙主要成分为二氧化硅。样品2的谱图在2θ=23.087°、29.435°、36.010°、39.471°、48.554°等位置附近出现特征衍射峰,与方解石(碳酸钙一般有方解石、文石和球霰石3种同质多相体,其中方解石是热力学最稳定的晶型)的标准卡片(PDF#05-0586)进行对比,发现这些特征衍射峰基本与方解石(012)、(104)、(110)、(113)、(024)晶面符合,进而可判断风积沙经CFPK溶液喷洒后分解产生了较为稳定的方解石晶型碳酸钙[31-32]。样品2与样品1相比,二氧化硅特征衍射峰强度略微减小,碳酸钙的特征衍射峰强度略微增强,这是因为CFPK分解产生碳酸钙,提高了风积沙成分中的碳酸钙占比。

图9 风积沙试样XRD结果分析

3.6 傅里叶红外光谱试验结果

图10为风积沙试样傅里叶变换红外光谱图,其中样品1为未经过处理的风积沙,样品2为经过10 L/m2用量CFPK溶液固化后的风积沙。由图10可见,在波数为2 981.31、2 872.67、2 514.45、1 800.03、875.26、711.95 cm-1处出现了方解石晶型的碳酸钙特征峰,其中2 514.45 cm-1处为CO32-对称伸缩和反对称伸缩的联合振动峰,1 800.03 cm-1处为CO32-对称伸缩和板内弯曲的联合振动峰,875.26和711.95 cm-1处分别为CO32-的O—C—O面外变形振动和面内变形振动峰[33-34]。且样品2的碳酸钙特征峰强度比样品1的强度大,说明样品2中的碳酸钙相对含量要高于样品1,与XRD试验结果一致。

图10 风积沙试样傅里叶变换红外光谱

3.7 显微镜观测试验结果

图11为经过不同处理后的风积沙试样显微形貌。由图11可看出,未经处理的风积沙呈松散的颗粒状,颗粒之间无胶结且孔隙较大(图11(a))。5 L/m2用量的CFPK溶液分解产生的碳酸钙晶体附着在沙颗粒上,将分散的沙颗粒胶结起来,提高了风积沙的整体性(图11(b))。当CFPK溶液用量增大到20 L/m2时,大量的碳酸钙填充在沙颗粒间的孔隙内,进一步增加了固化沙表层的整体性(图11(c))。图11(d)显示了经过降雨后固化沙表层的状况,从中可发现碳酸钙进一步增多,并且碳酸钙与沙子之间以及碳酸钙与碳酸钙之间接触得更加充分,结合得更加密实。这也从微观结构的角度证实了前文中加固风积沙的耐水性试验所得结论,即降雨后固化沙试样上层中的碳酸钙含量较降雨前有所增加。

图11 经过不同处理后的风积沙试样显微形貌

4 讨 论

4.1 二氧化碳压强和反应时间对CFPK溶液浓度的影响

根据化学反应的原理可知,若反应物浓度(或压强)增加,则生成物的浓度(或压强)也增加,且化学反应需要一定的时间才能达到正逆反应的平衡。由此可知,当二氧化碳充入高压反应装置后,不断与碳酸钙粉末和水反应生成碳酸氢钙(化学方程式为CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2),直至反应达到平衡。故而随着反应时间的增加,溶液电导率和钙离子浓度先增加而后保持稳定。增大二氧化碳压强,反应向右继续进行,生成物碳酸氢钙的量也不断增加,直至达到新的平衡状态。所以,当二氧化碳压强增大时,CFPK溶液的最大电导率和最大钙离子浓度也不断增加。

4.2 CFPK固化沙的表面强度与抗风蚀性

高策等[28]、邱维钊等[29]研究认为,仿岩溶碳酸氢钙溶液与土混合后分解生成碳酸钙晶体,其中一部分胶结土颗粒,另一部分填充在土颗粒间。本试验研究发现,CFPK溶液喷洒在风积沙表面后,一边下渗和扩散,一边分解生成碳酸钙。本研究中,由X射线衍射试验和傅里叶变换红外光谱试验可知,生成的碳酸钙为热力学最稳定的方解石型碳酸钙,一部分碳酸钙能够将沙颗粒胶结起来,起到胶结风积沙颗粒的作用,另一部分填充在沙颗粒间的孔隙里,起到填充作用,碳酸钙的胶结和填充共同作用将风积沙试样表面固结,在沙表面形成一层固结层。固结层的沙颗粒紧密粘结在一起,结构紧凑,具有较高的强度和较好的抗风蚀能力。CFPK用量越多,生成的碳酸钙越多,发挥的胶结作用与填充作用越显著,固化沙的表面强度和抗风蚀性就越高。

4.3 CFPK固化沙的耐水性

固化沙良好的耐水性可以保证固结层在降雨时不被侵蚀破坏[35]。本研究发现,降雨渗流与水分蒸发引起了碳酸氢钙(或部分碳酸钙)在沙体内部的重新分配,因此降雨后CFPK溶液固化沙表面的碳酸钙增多,与显微镜观察到的现象相符。加上沙体表层部分细小颗粒形成微胶结,使得固化沙表面强度和抗风蚀能力有所增加。

4.4 CFPK固化沙现存的问题

通过风蚀试验可看出,使用20 L/m2的CFPK溶液加固后,其风蚀质量损失率比未加固处理时大为降低,仅为9.5%,表明CFPK溶液具有较好的固化效果。赵洋等[36]认为低成本、节水型、易操作是绿色固沙技术中急需解决的问题,本研究中采用CFPK溶液固沙具有成本低、操作简单的优点。但在水资源珍贵的沙漠地区,如何提高仿岩溶碳酸氢钙的溶解度以及如何实现二氧化碳和水的回收与利用还需要作进一步研究。

5 结 论

(1)随着二氧化碳压强的提高,CFPK溶液的电导率和钙离子浓度不断增加;随着反应时间的增加,CFPK溶液的电导率和钙离子浓度先增加后保持基本稳定。为了提高CFPK的固沙效果应采用尽可能高的二氧化碳压强和充足的反应时间。

(2)CFPK溶液喷洒在风积沙表面,碳酸氢钙会分解形成具有胶结作用和填充作用的方解石型碳酸钙,提高了固化沙表层的整体性,提升了其表面强度和抗风蚀性。随着CFPK溶液用量的增加,风积沙表面强度不断增大,风蚀质量损失率不断减小,而且降雨后表面强度和抗风蚀性有一定程度的提高。综合考虑固沙效果与经济性认为,二氧化碳压强为0.5 MPa、CFPK溶液用量为20 L/m2时的固沙效益最好。

(3)在CFPK溶液的生产和利用过程中不产生有毒有害物质,而且水和二氧化碳可部分循环利用,属于一种环境友好型的工程材料,在未来具有良好的应用前景。