水泥特征（共7篇）
水泥特征 篇1
1 引言
粉尘污染是水泥工业最主要的污染形式, 由水泥生产过程中原料、燃料和水泥成品储运, 物料的破碎、烘干、粉磨、煅烧等工序产生的废气排放或外逸而引起。水泥工业的尘源点比较多, 煤磨、烘干磨机、冷却机、破碎机、输送带、选粉机、库顶、料仓、库底和包装系统等都会产生出大量的粉尘[1]。《水泥工业“十二五”发展规划》 (2011年) 明确指出“要在行业内大力实施节能减排技术改造, 推行清洁生产, 减少污染物排放, 严格控制粉尘的排放”。水泥工业最典型的粉尘污染便是向大气环境中排放直径小于或等于2.5μm的颗粒物质 (PM2.5) 。PM2.5已被广泛证实对空气质量和人体健康具有重要的影响。水泥工业是富产PM2.5的大户。水泥的生产过程中形成的各种尺度的颗粒物以及硫化物、氮氧化物都是形成PM2.5的重要因素[2]。2012年2月, 国务院发布新修订的《环境空气质量标准》 (GB3095-2012) 增加了PM2.5监测指标。2013年3月, 国家环保部发布了《水泥工业大气污染物排放标准 (征求意见稿) 》, 征求意见完毕后, 预期将在年内正式颁布, 以替换《水泥工业大气污染物排放标准》 (GB4915-2004) 。依据新的标准:水泥行业无组织颗粒物排放限值为0.5mg·m-3;重点地区企业、新建企业 (及现有企业2015年后) 和现有企业 (2015年前) 的矿山开采, 散装水泥中转站及水泥制品生产, 破碎机、磨机、包装机及其他通风生产设备的颗粒物排放限值分别为10mg·m-3、20mg·m-3和30mg·m-3;而重点地区企业、新建企业 (及现有企业2015年后) 和现有企业 (2015年前) 的水泥窑及窑磨一体机, 烘干机、烘干磨、煤磨及冷却机的颗粒物排放限值分别为20mg·m-3、30mg·m-3和50mg·m-3。新标准的实施将对我国水泥工业烟气除尘提出新的挑战。
2 水泥工业粉尘污染特征及危害
2.1 对人体健康和生态环境的危害
水泥工业产生的粉尘是成分复杂的混合性粉尘, 包括石灰石粉尘、熟料水泥粉尘、粉煤灰粉尘、石膏粉尘和其他粉尘, 其混合物富含游离的SiO2, 还含有Ca、Al、Fe、Mg、Cr、Co、Ni等元素。粉尘中游离SiO2含量的高低直接影响粉尘的毒性[3], 人体长期吸入富含游离SiO2的粉尘将染尘肺病, 熟料粉尘中游离SiO2的含量不应超过10%[4], 大于10%以上的粉尘称为矽尘, 长期吸入矽尘将引起矽肺。水泥尘肺的发病与染尘时间、粉尘浓度及粒径和个人体质直接相关, 发病工龄一般为10~20年[5]。长期接触水泥粉尘的工人会出现咳嗽、口干、咽炎、喉痛、气短、胸部痛闷、胸透病变和肺部疾病等症状, 矽肺病人肺部还会出现矽结节和纤维化, 最终因肺丧失换气功能而导致死亡[6]。水泥行业尘肺在水泥生产的每个岗位上均有发生, 尤其是生料破碎、立窑看火、熟料运输、磨机、成品包装等岗位[7]。水泥粉尘对鼻腔的损伤作用甚于矽尘, 原因可能是矽尘对鼻粘膜以粉尘颗粒的机械刺激为主, 而水泥粉尘还具较强的碱腐蚀作用[8]。相比于回转窑, 传统水泥立窑产生的粉尘对作业人员的危害更大。
水泥粉尘pH值约为10~12, 呈较强的碱性, 能使周围农田土壤碱化[9]。水泥粉尘通过水合作用和结晶作用在土壤表面形成硬的外壳, 导致土壤孔隙性、有机碳含量和持水能力显著下降[10]。水泥粉尘沉降会阻塞叶面气孔, 使气孔阻抗增大, 蒸腾强度和光合速率降低, 从而导致植物生长受阻[11]。
2.2 水泥工业粉尘污染特征及分布
水泥主要成分为硅酸盐、Fe2O3、CaO2、Ca2SO4、Al2O3和MgO2等, 由石灰石 (76.4%) 、黄土 (13.05%) 、煤 (3.2%) 、铁粉 (1.85%) 和萤石 (0.5%) , 经1500℃左右煅烧成熟料后加入适量石膏、矿渣粉磨制成。其遇水即成碱性, 具有分散度高 (<5μm粒子常达90%左右) , 附着性、吸湿性和腐蚀性强等特点[8]。
水泥工业粉尘污染的特征主要包括以下4个方面: (1) 其产生贯穿于整个生产流程; (2) 其是成分复杂的混合性粉尘, 粒径分布广, 烟尘温度变化大; (3) 其排放方式分为有组织和无组织两类, 且均为需重点控制的污染来源; (4) 其富含游离SiO2, 毒性较强, 水泥工业是矽尘和尘/矽肺病重点控制行业。
水泥生产过程中原料、燃料和水泥成品储运, 物料的破碎、烘干、粉磨、煅烧等工序的废气排放或外逸都引起粉尘的排放, 其中原料粉磨及煅烧发生的粉尘排放最为严重, 约占水泥厂粉尘总排放量的70%以上[2]。无组织排放源主要为:石灰石矿山的开采, 原料 (煤予、辅料、石灰石) 均化堆场, 熟料库及熟料外运和水泥添加剂及其配送、包装、散装及袋装水泥储存、储库等环节, 其余均为有组织排放。新型干法窑、篦式冷却机、水泥管磨、立式磨机和高效选粉机的含尘浓度分别约为50g·Nm-3、10g·Nm-3、80g·Nm-3、500g·Nm-3和1000g·Nm-3;其相应的单位产品产尘量分别约为100kg·t-1、25kg·t-1、120kg·t-1、1000kg·t-1和1000kg·t-1。
2010年, 我国水泥总产量1.868×105万t, 其中新型干法窑产量1.4944×105万t, 占总产量的80%。新型干法水泥窑是目前最重要的粉尘污染来源, 而其中回转窑生产系统, 尤其是窑头篦式冷却机及窑尾的烟尘排放最为显著[12]。篦式冷却机烟气正常温度为220~240℃, 极端可达400℃;风量变化大;粉尘浓度一般<20g·Nm-3, 恶劣工况时可达50g·Nm-3以上;含湿量约为1%~2%;粒径粗 (10μm以上占85%) , 黏性低, 磨蚀性强;比电阻高 (1000Ω·cm左右) ;粉尘比重在3.2g·cm-3左右。窑尾烟气性质因窑磨一体以及是否带余热锅炉等因素会有较大变化, 窑尾烟气正常温度为350℃左右, 采用低温余热发电时可降到200℃左右;粉尘浓度60~100g·Nm-3;粉尘粒径细 (10μm以下占78%左右) 、黏性大、具有腐蚀性;比电阻高;烟尘工况不稳定。
吴刚等[2]研究发现水泥生产过程中粒径<10μm粉尘所占比例很大, 一般在40%~80%;<10μm粉尘中, <2μm的约占60%;2~5μm的约占25%;5~10μm的约占15%。水泥行业微细粉尘控制是值得关注的难点。何伟明[6]对成都某大型干法水泥生产线粉尘中游离SiO2含量的测定结果显示:砂岩、页岩、硫酸渣配料仓, 磨煤机, 粉煤仓, 石膏、矿渣输送皮带头的游离SiO2含量均超过10%, 最高达到30.5%。水泥工业粉尘中高的游离SiO2含量带来更高的人体健康和生态风险, 值得密切关注。
3 水泥工业除尘技术及设备
3.1 袋式除尘技术及设备
目前, 新建、扩建的干法水泥工业从原料破碎到包装出厂的整个生产线大多采用袋式除尘器[2], 其适用于水泥行业生产线上的通风及热力设备、排放点和扬尘点, 并大量用于水泥行业电除尘器的改造。袋式除尘器的优点有:不受烟尘比电阻等性质的影响, 能捕集电除尘器难以捕集的粉尘;收尘效率高, 排放浓度有的可达10mg·Nm-3以下, 除尘效率随粉尘浓度的升高而升高;运转稳定, 适应性强, 能在较宽范围的温度、压力和粉尘负荷下运行;操作技术简单、可在线检修。袋式除尘器的缺点也十分明显, 尤其是滤袋受到烟尘温度的限制, 温度过高时容易烧袋, 温度过低又容易冷凝结露而糊袋[1]。水泥行业多年来认为袋式除尘器运行阻力及能耗高, 造价成本及运行费用贵, 这是制约其发展的主要因素。5000t·d-1水泥窑电改袋至少投入700万元, 新建安装袋式除尘器至少要900万元;其设备阻力通常在1000~1500Pa;窑头和窑尾功耗分别在400kW和550kW左右;普通滤袋寿命一般为1~2a, 高端滤袋为3~5a。随着国家排放标准的日益严格, 耐高温、高效、特种新型滤料的不断涌现并降低了较大的设备及运行成本, 袋式除尘器逐渐被越来越多的水泥企业采用。
3.2 电除尘技术及设备
电除尘器广泛应用于水泥工业粉尘的收集与控制, 尤其是在立窑、湿法窑和中空窑水泥生产中的使用较为普通, 也有少数的在回转窑中使用[13]。电除尘器性能与粉尘比电阻 (1×104~5×1011Ω·cm可采用) 、集尘电极的总表面积、气体的体积流量以及颗粒物的迁移速度等因素有关, 并对CO浓度有严格的限制 (<1.0%) 。水泥行业采用电除尘器时, 如净化立磨 (辊式磨) 的烟尘浓度高, 应有预分离装置;湿法窑烟尘湿度大, 电除尘器易被腐蚀, 窑尾会因不正常工况控制, 严重时将导致CO爆炸;干法窑粉尘比电阻高, 需烟气调质;熟料冷却机烟尘净化的电除尘器因比电阻高, 需采用宽极间距;一般在篦式冷却机、水泥磨及回转窑等设备内装设喷水装置解决烟尘比电阻高的问题[14]。5000t·d-1水泥窑四电场电除尘器的设备阻力一般为300Pa, 其窑头和窑尾功耗分别在300kW和500kW左右, 使用三相工频电源或高频电源能显著降低能耗。目前, 单纯依靠电除尘器达到环保排放的标准已越来越不现实, 随着电除尘器各项技术的不断发展, 达标排放不应成为发展的唯一目标, 应充分发挥电除尘器成本、运行能耗、工况适应性和维护费用等方面的优势, 筛选最佳的升级改造方案, 取得最大的经济、社会和环境效益。
3.3 电—袋复合除尘技术及设备
电—袋复合除尘器是将传统静电除尘和过滤除尘机理有机集成发展起来的新型节能高效除尘器, 其在一个风箱体内有规律地布置电场和袋场以达到粉尘高效截留及节能的目的。迄今, 主要有预荷电—布袋式、静电布袋并列式和静电布袋串联式等3种联合除尘方式[15]。电袋相比电除尘器, 不受烟尘比电阻性能影响, 可节约钢材20%左右, 并减少占地面积;电袋相比袋式除尘器, 能够显著降低滤袋的阻力, 延长喷吹周期, 缩短脉冲宽度, 降低喷吹压力, 延长滤袋的使用寿命1~2a。电袋对烟气中Hg、SO2和NOX有一定的同步去除作用, 更易满足越来越严格的减排要求, 是水泥行业粉尘治理的重要技术手段之一。韩战义[16]等通过对某5000t·d-1水泥窑尾电—袋复合式除尘器的设计研究表明:电—袋复合式除尘器具有适应工况范围宽、应用更广和性价比高的优点。电袋对粉尘的比电阻敏感度下降, 降低了系统波动的影响, 排放浓度可满足在30 mg·Nm-3以下, 适用于水泥厂窑头、窑尾及电除尘器改造。对于新设备而言, 电—袋复合式除尘器成本会略高于纯袋式除尘器, 但它更易满足国家越来越严格的减排要求, 可作为水泥行业粉尘治理, 尤其是PM2.5末端治理的一项重要、有效的举措。
3.4 其他除尘技术及设备
重力、惯性和旋风除尘技术被广泛应用于水泥工业多级除尘的预除尘。以旋风除尘器为例, 其设备结构简单, 造价低, 维护方便, 耐400℃左右高温, 耐高压, 可实现捕集干灰后粉料的回收利用, 可用于高磨蚀性粉尘烟气净化。但是, 其对微细粉尘捕集效率低, 处理风量有局限, 处理风量大时, 要采用多个旋风除尘器并联, 设置不当, 对除尘效率将有严重影响[14]。在水泥工业除尘中, 一般应用于电、袋除尘器前端的预除尘和物料回收中。
湿式除尘技术基于含尘气体与液体 (洗涤水或其他液体) 接触, 借助惯性碰撞、扩散等机理, 将粉尘予以捕集, 实际中应用广泛。其在同等能耗下的除尘效率比干式高, 对<0.1μm的粉尘仍有很高的除尘效率, 能用于高温、高湿及粘性大的粉尘;可兼顾除尘和净化有害气体的作用;结构简单, 投资低, 占地少, 安全性好。其缺点是:有排出洗涤泥浆的二次污染问题;不适用于憎水性和水硬性粉尘;加大了污水处理系统防腐材料的成本;损失了一定的热能, 温度低时需要防结冰和白烟。在水泥工业除尘中, 一般应用于电除尘器烟气调质和扬尘控制之中。
4 结语
近年来, 随着国家对水泥行业粉尘排放标准的越来越严格以及水泥行业PM2.5粉尘在总粉尘排放量中所占的比例极高的现状依然没有改变, 虽然我国水泥行业粉尘污染治理技术已经迈入相对成熟的阶段, 但是粉尘污染控制形式依然相当严峻。水泥行业内存在粉尘 (尤其是PM2.5) 排放现状不清、监测监控能力较弱和特征性污染治理技术研发成果较少等亟待解决的问题。我国应加大实际应用型的针对水泥行业粉尘污染特征下的污染控制技术理论及设备研究, 同时, 实现最大化的社会、环境和经济效益。
摘要：指出了粉尘污染是水泥工业最主要的污染形式, 研究分析了水泥工业粉尘污染的特征及其危害, 综述了现有的水泥工业粉尘控制技术及设备, 以为水泥行业达到新的粉尘污染控制排放指标提供理论依据及现实指导。
关键词：水泥工业,除尘技术,大气污染控制,趋势展望
国家水泥政策特征及未来政策重点 篇2
1 水泥政策分类
经粗略统计, 2009年以来, 截至2014年6月, 我国国家层面共出台主要水泥政策28项, 涉及淘汰落后、兼并重组、环境保护、节能减排等方面, 以下数据以此为基数进行分析。
在这28项政策中, 大至可分为两大类:一大类是标准类, 另一大类是常规类。
其中标准类政策:共4个, 包含2010年11月发布的《水泥行业准入条件》[工原 (2010) 第127号]、2012年11月发布的《水泥单位产品能源消耗限额》 (GB16780-2012) 、2013年12月发布的《水泥工业大气污染物排放标准》 (GB4915—2013) 、《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》 (GB30485—2013) [环保部公告2013年第80号]。标准类政策占五年来水泥政策总数的14.3%。
常规类政策:共24个, 占五年来水泥政策总数的85.7%。又可分为三小类, 分别是:
(1) 发展类:共17个, 如2009年9月发布的《关于抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展若干意见的通知》[国发 (2009) 38号]、2013年5月发布的《关于坚决遏制产能严重过剩行业盲目扩张的通知》[发改产业 (2013) 892号]、2013年10月发布的《国务院关于化解产能过剩矛盾的指导意见》[国发 (2013) 41号]等等。发展类政策占五年来水泥政策总数的60.7%;
(2) 环保类:共6个, 如2012年10月发布的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》[环发 (2012) 130号]、2013年8月发布的《水泥工业污染防治技术政策》[环发 (2013) 31号]、2013年9月发布的《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》、2014年3月《关于落实大气污染防治行动计划严格环境影响评价准入的通知》[环办 (2014) 30号]、2014年4月《关于在化解产能严重过剩矛盾过程中加强环保管理的通知》[环发 (2014) 55号]。环保类政策占五年来水泥政策总数的21.4%;
(3) 安全类:共1个, 如2013年11月国家安监总局发布的《关于加强水泥制造和石材加工企业粉尘危害治理工作的通知》[安监总安健 (2013) 112号]。安全类政策占五年来水泥政策总数的3.6%。
2 水泥政策特征分析
2.1 政策的分进性
水泥政策是分步推进的, 决定于经济形势的变化。
在“十二五”前和初期的2009~2011年, 处于两个五年规划制定的交接时区。因此, 在这一时期, 水泥政策主要是围绕制定“十二五”发展规划、淘汰落后水泥、兼并重组、节能减排、发展低碳技术展开。
到了“十二五”中期的2012~2014年, “十八大”提出加快转变经济增长方式、建设生态文明和美丽中国, 让人民群众“望得见山, 看得见水, 记得住乡愁”。因此, 在这一时期, 水泥政策主要是围绕抑制产能严重过剩、环境保护、提高大气质量展开。
2.2 政策的趋严性
近年来, 特别是从2012年以来, 水泥政策在三个方面明显收紧:一是从抑制产能严重过剩的角度趋严;二是从环保角度趋严;三是从安全监管角度趋严。
从38号文、到892号文、再到41号文, 越来越严格。
2009年产能过剩初露端倪, 出台了38号文, 意在将过剩的苗头及时扼杀住。但是, 各地圈地扩张、盲目建设之风仍然盛行, 38号文并没有得以落实, 全国水泥产能仍然急速扩张, 轻易突破了30亿吨大关;
2013年5月892号文出台, 明令“不得以任何名义核准、备案产能严重过剩行业新增产能项目, 国土、环保等部门不得办理土地供应、环评审批等相关业务, 金融机构不得提供任何形式的新增授信支持;对产能严重过剩行业违规在建项目进行认真清理, 对未批先建、边批边建、越权核准的违规项目, 尚未开工建设的, 不准开工, 正在建设的项目, 要停止建设”;
2013年10月41号文出台, 明令“严禁建设新增产能项目, 各地方、各部门不得以任何名义、任何方式核准、备案产能严重过剩行业新增产能项目。分类妥善处理在建违规项目, 对未按土地、环保和投资管理等法律法规履行相关手续或手续不符合规定的违规项目, 要按全面清理。凡是未开工的违规项目, 一律不得开工建设;凡是不符合产业政策、准入标准、环保要求的违规项目一律停建;对确有必要建设的项目, 在符合布局规划和环境承载力要求, 以及等量或减量置换原则等基础上, 由地方政府提出申请报告, 报发展改革委、工业和信息化部并抄报国土资源部、环境保护部等相关职能部门。对未予认定的在建违规项目一律不得续建, 由地方政府自行妥善处理;对隐瞒不报在建违规项目, 一经查实, 立即停建, 金融机构停止发放贷款, 国土、环保部门依据土地管理法、环境保护法等法律法规予以处理, 对涉及失职渎职和权钱交易等问题的予以严肃查处, 对监管不力的要严肃追究相关人员的责任”。
2013一年内, 上、下半年各发布两道严令 (892号文和41号文) , 可见形势的严峻和紧迫。
环保政策:2014年5月环保部发布的《关于落实大气污染防治行动计划严格环境影响评价准入的通知》异常严格。政策提出“严格落实规划与建设项目环境影响评价的联动机制。凡未开展或未完成规划环境影响评价的, 各级环境保护行政主管部门不得受理规划所含建设项目的环境影响评价报批申请。规划环境影响评价结论应当作为审批建设项目环境影响评价文件的依据”;“实行重点区域、重点产业规划环境影响评价会商机制。京津冀及周边地区、长三角地区编制的以建材等为主导的国家级产业园区规划, 其规划环境影响报告书应当进行区域内省际会商”。
安监政策:2013年11月, 国家安监总局出台《关于加强水泥制造和石材加工企业粉尘危害治理工作的通知》, 要求各地加强水泥制造企业粉尘危害治理, 从安全的角度提出要全面落实国家淘汰落后产能和行业准入等政策, 淘汰一批不符合产业政策且粉尘危害严重的水泥制造企业。这也是国家安监总局制定的、少有的、涉及水泥行业的政策。
2.3 政策的深耕性
加入了对重点区域的特殊要求。体现在两个方面:一是政策方面, 如《大气污染防治行动计划》、《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》、《国务院关于化解产能过剩矛盾的指导意见》 (41号文) 、《关于落实大气污染防治行动计划严格环境影响评价准入的通知》、《2014~2015年节能减排低碳发展行动方案》, 各项政策中都对京津冀、长三角、珠三角等重点区域特殊对待;二是标准方面, 如《水泥工业大气污染物排放标准》 (GB4915—2013) , 针对重点区域提出了颗粒物、氮氧化物、二氧化硫的排放限额, 分别比一般地区严格33.3~50%、20%和50%。
以上政策对于京津冀、长三角、珠三角等重点区域的要求和指标更为严格。
粗略统计, 对京津冀等重点区域有特殊要求的政策有6个, 全部都是2013年以来出台的, 占2009年至今五年以来水泥政策总数的21.4%;2013年以来共出台水泥政策16个, 对京津冀等重点区域有特殊要求的政策占37.5%。这是从2013年以来才有的现象, 在之前鲜有出现。可见, 2013年是个分水岭。进入2013年以来, 国家在政策制定的思路上有所调整, 侧重于对重点区域的特殊关注。这些政策全部体现了国家“十八大”的精神和京津冀一体化等战略的要旨。
2.4 政策的重点突出性
这两年, 政策的重点是控制产能严重过剩和环境保护。遏制产能严重过剩体现在892号文和41号文的发布;环境保护体现在2013~2014年密集性出台了多项环保政策, 这在以往是很少见的。
3 政策走势预估
通过分析以上政策可以看出, 今后水泥企业若想再以新建方式来进行产能扩张, 将不会得到政策支持, 违规在建项目也有望得到遏止。水泥工业兼并重组、转型升级将是长期的主题。
抑制水泥产能严重过剩是一项长期而艰巨的任务, 因此, 关于淘汰落后的水泥政策在“十三五”期间仍将持续, 甚至更加严厉。
环境保护关乎民生, 也是需要长抓不懈的。因此, “十三五”期间, 环保政策仍是重点。新制定的水泥行业大气污染物排放标准, 对氮氧化物限额有了明确规定, 预计水泥环保政策将在脱硝方面有所动作。
水泥特征 篇3
但目前对赣南地区, 尤其是兴国县石灰石矿产资源的地质特征及成矿因素分析的研究还没有, 前期地质调查研究表明江西省兴国县梅窖镇-宁都县青塘赤水村一带蕴含有丰富的石灰石矿产资源, 含有十分丰富的石灰石矿产资源, 因此, 分析这一区域的地质特征及成矿因素十分必要, 进而提出找矿远景, 可为当地开采石灰石矿产资源提供一定借鉴作用。
1 区域地质概况
县境内出露的地层有第四系、白垩系、石炭系、侏罗系、泥盆系、寒武系和震旦系。其中以震旦系、寒武系和白垩系分布最广。白垩系分布于兴国盆地中心地带, 震旦系和寒武系围绕盆地分布, 第四系主要分布于河流两岸, 其他则零星分布。岩溶地貌分布于梅窖一带的石炭系地层中。主要由浅灰色、紫色白云岩、白云质灰岩等碳酸盐类岩石组成。多见地下溶洞、溶蚀残丘。
1.1 地层
区域出露的地层有石炭系下统横龙组、梓山组及上统黄龙组、船山组和第四系。由老至新基本特征如下:
1.1.1 石炭系下统横龙组 (C1h) :
分布于调查区西北缘, 上部为石英砂岩、长石石英砂岩 (有时含砾) 、粉砂岩、粉砂质页岩、炭质页岩夹钙质砂岩、灰岩或灰岩透镜体。下部为砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、石英砂岩, 夹粉砂岩、页岩及粘土矿层。厚度256~558m, 与下覆震旦系呈不整合接触。
1.1.2 石炭系下统梓山组 (C1z) :
分布于调查区西北部, 呈北东向延伸。其岩性:上部为砾岩、砂砾岩、粗砂岩夹粉砂岩。下部为砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、石英砂岩、粉砂岩、炭质页岩夹透镜状煤层。厚度>155m, 与下覆横龙组呈整合至不整合接触。
1.1.3 石炭系上统黄龙组 (C2h) :
主要分布于天井窝矿区西北、大石岭矿区西北、平安脑和青塘水湖寨矿区东南部等。岩性为灰白色-浅灰色有时微带肉红色厚至巨厚层状结晶灰岩、含白云质灰岩、含燧石结晶大理岩夹白云岩, 产蜓及珊瑚化石。厚度>125m, 与下覆梓山组呈假整合接触。
1.1.4 石炭系上统船山组 (C2c) :
主要分布于天井窝矿区东南部、大石岭矿区东南部、平安脑和青塘水湖寨矿区等矿区。岩性为浅灰色、灰色、深灰色中厚~巨厚层状灰岩、结晶灰岩、含白云质灰岩局部夹灰黑色蜓壳灰岩。厚度>46m。与下覆黄龙组呈整合接触。
1.1.5 第四系:
主要分布在矿区内的山谷中及山脚周围的低洼处。为冲积、残积-坡积物, 由灰黄色-棕红色黏土、粉砂质黏土、粉砂及砂砾层组成。厚度大于3~6m, 与下覆地层呈不整合接触。
1.2 构造
区域总体构造为一向斜构造, 向斜轴部位于梅窖至白地窝一线, 向南西、北东方向延出调查区外。向斜北西翼出露地层主要有石炭系下统横龙组 (C1h) 、梓山组 (C1z) 、石炭系上统黄龙组 (C2h) 、船山组 (C2c) , 地层层序正常, 产状299°~345°∠25°~28°, 南东翼由于第四第覆盖, 仅见石炭系上统黄龙组 (C2h) 、船山组 (C2c) , 地层层序倒转, 产状299°~345°∠39°~65°。整个向斜由于多条北东向纵断层和北西向横断层切割而支离破碎。
断裂构造较发育, 大致可分为二类:北东向纵断层和北西—北北西向横断层:
1北东向纵断层:调查区出露的有两条:F6、F7。F6出露于落岭坳矿区至青塘水湖寨矿区一线, 走向北东, 倾向北西, 倾角不清, 断层性质不清;断层错断石炭系下统横龙组 (C1h) 、梓山组 (C1z) 、石炭系上统黄龙组 (C2h) 、船山组 (C2c) , 使黄龙组 (C2h) 和船山组 (C2c) 缺失和断续出露。F7出露于炭山排矿区至江背一线, 走向北东, 倾向南东, 倾角不清, 断层性质不清;断层错断石炭系下统梓山组 (C1z) 、石炭系上统黄龙组 (C2h) 、船山组 (C2c) , 使船山组 (C2c) 与梓山组 (C1z) 直接接触。
2 北西向横断层:调查区出露有六条:F1、F2、F3、F4、F5、F8。断层走向北西或北北西, 倾向南西或北东, 倾角不清, 断层性质不清。断层错断石炭系下统横龙组 (C1h) 、梓山组 (C1z) 、石炭系上统黄龙组 (C2h) 、船山组 (C2c) , 造成地层位移不连。
2 区域矿床特征
2.1 矿层特征及规模
2.1.1 天井窝矿区
矿层赋存于石炭系上统船山组 (C2c) 地层中, 呈单斜层状产出, 总体产状为310°∠54°左右。矿体连续完整, 呈NE~SW向展布, 走向延伸长约1 000m, 倾向出露宽约500m。矿层出露最大标高340.43m, 矿区最低侵蚀基准面272m, 矿区最低开采标高为222m之上矿床规模属中型。
2.1.2 大石岭矿区
矿体由石炭系上统船山组 (C2c) 巨厚层中细粒大理岩及微晶灰岩组成, 属单一层状矿体, 呈倒转的单斜产出, 走向北东, 出露长度771m, 宽度342~398m, 分布范围约占大石岭山体的一半。矿体形态规则, 内部连续完整, 未见明显的断层切割。矿区最低侵蚀基准面290m, 开采深度为+439~290m标高 (采矿许可证内) 时, 矿床规模为中型;当开采深度为+439m~+190m时矿床为大型。
2.1.3 平安脑和水湖寨矿区
矿区矿层即为石炭系上统黄龙组和船山组 (C2h+2c) 的深灰色、灰白色厚层状巨厚层状结晶灰岩夹含白云质灰岩, 呈单斜层状产出, 平均产状299°~345°∠25°~28°。矿层走向长800m, 宽300~400m。矿区最低侵蚀基准面308.4m, 矿区最低开采标高为255m之上, 矿床规模属大型。
2.2 矿石类型
根据矿石矿物成分、结构、构造, 本区矿石自然类型主要为白色中-细粒大理岩, 块状构造, 局部角砾状构造, 角砾成分为结晶灰岩, 角砾呈棱角状、尖棱状, 角砾大小为20~5cm或10~3cm。岩石矿物成分为砂糖状重结晶方解石, 粒度均匀, 粒径0.2~0.5mm。矿层中部分地段见灰-浅灰色微晶灰岩。大理岩与微晶灰岩多为渐变过渡关系, 界限不清, 化学成分无明显改变, 风化面均呈灰色, 且较平滑。矿石性脆质纯, 化学成分变化小。
2.3矿石质量特征
矿石主要化学成分为Ca O、Mg O两项, 矿区矿石的主要化学成分基本特征为:天井窝矿区矿石Ca O52.52~55.45%、Mg O0.26~2.74%;大石岭矿区矿石Ca O52.72~55.61%、0.02~2.85%;平安脑、青塘水湖寨矿区Ca O49.75~55.58%、Mg O0.32~2.26%。各矿区矿石的平均化学成分见表4-1。
大石岭矿区矿石主要化学成分Ca O、Mg O两项的数据来源于1992年中国建筑工业地勘中心江西总队编写的《江西省兴国县大石岭石灰岩矿区详细调查地质报告》, 而f Si O2、Al2O3、Fe2O3、烧失量等数据则是根据2006年宝华山实业集团有限公司提交的化学成果计算所得。
由上表可知, 矿石化学成分含量完全符合工业指标的要求, 是质量较好的石灰质水泥原料。
2.4 矿层围岩与夹石
2.4.1 天井窝矿区
矿层顶板为石炭系上统黄龙组 (C2h) , 岩性为厚-巨厚层状白云质灰岩及白云岩, 底板为船山组未控制的岩层。矿层的夹石为高镁夹石, 其产状与矿层产状相同, 呈层状、似层状及透镜状产出。
2.4.2 大石岭矿区
矿层顶板为石炭系上统黄龙组 (C2h) , 岩性为厚-巨厚层状白云质灰岩及白云岩, 底板为船山组未控制的岩层。矿层的夹石为高镁夹石, 其产状与矿层产状相同, 呈层状、似层状及透镜状产出。
2.4.3 平安脑和水湖寨矿区
矿层没有顶板直接裸露地表。矿层的底板为石炭系上统黄龙组 (C2h) , 岩性为厚-巨厚层状白云质灰岩及白云岩, 岩层中含深灰色结核状或条带状燧石。
矿层的夹石为高镁夹石, 其产状与矿层产状相同, 呈层状、似层状及透镜状产出。大多发育于矿层下部, 规模大小不一, 一般厚度为2~4m, 岩性为灰白、浅肉红色白云质灰岩及白云岩, 粉晶、中细粒、中粗粒结构, 块状构造, 风化表面呈刀砍状, 与矿石接触界线明显。
3 找矿远景
石炭系上统船山组碳酸盐建造为我省最重要的水泥用石灰岩含矿层位之一, 矿层厚度大, 分布广, 变化稳定, 品质优良, 代表了一套温暖的陆棚浅海, 正常的盐度和清水环境的沉积产物。本矿床为一地台型浅海相沉积碳酸盐类矿床。
区域周围有该套地层沉积, 尤其是平安脑~青塘水湖寨矿区东北方向 (宁都县境内) 还有灰岩出露, 可作为今后重点找矿方向。
4 结论
4.1研究区位于兴国县梅窖镇~宁都县青塘赤水村一带, 呈长条状北东向展布, 长约6km, 宽约1~2km。从区域地质调查分析可以得出, 区域出露的地层有石炭系下统横龙组、梓山组及上统黄龙组、船山组和第四系。总体构造为一向斜构造, 向斜轴部位于梅窖至白地窝一线, 向南西、北东方向延出调查区外。据调查, 平安脑-青塘水湖寨矿区东北方向 (宁都县境内) 还有灰岩出露, 可作为今后重点找矿方向。
4.2区域照排和桐树林西北见两岩浆岩岩瘤出露, 为燕山早期第一阶段第三次侵入岩的细~中粒斑状黑云母花岗岩, 出露长200~300m, 宽150~200m, 对灰岩矿体影响不大。区域岩溶不发育, 经调查, 各矿区地表岩溶不发育, 仅于天井窝矿区东北侧有小型溶洞发育。
4.3区域矿床可分为天井窝矿区、大石岭矿区和平安脑和水湖寨矿区, 根据矿石矿物成分、结构、构造, 本区矿石自然类型主要为白色中-细粒大理岩, 块状构造, 局部角砾状构造, 角砾成分为结晶灰岩, 角砾呈棱角状、尖棱状, 角砾大小为20~5cm或10~3cm。矿石主要化学成分为Ca O、Mg O两项, 矿层的夹石为高镁夹石, 其产状与矿层产状相同, 呈层状、似层状及透镜状产出。
参考文献
[1]张勇, 高全, 闫晓林, 等.吉林东部地区金矿地质特征及成矿作用分析[J].黄金科学技术, 2009 (10) .42-47.
[2]陈建平, 等.藏东玉龙斑岩铜矿地质特征及成矿模型[J].地质学报, 2009 (12) , 42-47.
[3]付明禄, 许强奋, 等.哈密黄土坡铜锌矿地质特征及找矿方法探讨[J].新疆地质, 2010 (9) , 260-267.
水泥特征 篇4
关键词：凤凰山水泥用灰岩矿,地质特征,资源储量前景
该矿区位于河南省新乡市凤泉区北部, 潞王坟乡境内, 矿区位于太行山拱断束东南角, 属于太行山小区, 即华北地台的山西台隆与华北断拗的过渡带。区内出露地层为中寒武统, 上寒武统, 下奥陶统, 中奥陶统, 上第三系, 第四系等。核查内矿床有简单的层状矿层组成, 其岩性由中奥陶统上马家沟组积云状白云质灰岩, 上第三系上部的石灰岩, 角砾状石灰岩组成。分为凤凰山矿层, 潞王坟矿层。其中凤凰山矿层位于O2m25地层, 由深灰色纯灰岩夹积云状白云质灰岩组成。潞王坟矿层位于N22b地层, 由石灰岩, 钙质粘土, 角砾状石灰岩及泥灰岩组成。矿床总体产状平缓, 东西长约1500米左右, 南北宽467米。矿层总厚度8.64-30.93米。成因属沉积矿床。
1 矿区地质
凤凰山石灰岩矿核查区位于太行山拱断束东南角, 即华北地台的山西台隆与华北断拗的过渡带。
区域构造线方向为北东—南西向, 全区构造简单, 地层基本呈单斜产出, 褶曲少见, 区内构造简单, 地层基本呈单斜产出, 仅见一些断裂构造, 岩浆活动不发育。区内出露之地层有中寒武统, 上寒武统, 下奥陶统, 中奥陶统, 上第三系, 第四系。
2 矿床特征
凤凰山水泥灰岩矿体主要产于中奥陶统上马家沟组第五段, 矿体为地台型浅海相碳酸盐化学沉积, 呈平缓单斜岩层产出, 在矿体的中上部有一似层状的白云质灰岩, 为矿体中之夹层, 把矿体分割成上部矿层及下部矿层, 造成矿体复杂化。
潞王坟水泥灰岩矿区由第三系上部的石灰岩钙质粘土, 角砾状石灰岩及泥灰岩组成, 矿层呈层状产出, 产状平缓, 倾角1°~5°, 倾向南东~南西, 是一套陆相湖泊化学沉积的石灰岩, 由于沉积环境的不稳定, 故在形成石灰岩的过程中, 又形成了钙质粘土, 角砾状石灰岩及泥灰岩等。凤凰山水泥灰岩矿分上下两层矿, 潞王坟石灰岩矿分一层矿。
3 矿石质量
3.1 矿石物质组成
矿石的矿物成份比较简单, 主要组份为方解石, 含量98%左右, 含微量白云石及少量的褐铁矿、铁泥质等。
3.2 矿石的化学成分
矿石的主要成分为Ca O, Mg O, 其它还有Al2O3, Fe2O3等, 矿石的有害成分为:K2O, Na2O, P2O5, Ti O2, Mn3O4, 含量甚少, 对矿石质量无影响。
3.3 矿石类型
3.3.1 自然类型
根据矿石的宏观结构, 构造特征, 矿石分为两种自然类型:致密块状灰岩, 轻积云状灰岩。
致密块状灰岩:深灰色—灰黑色, 隐晶质结构, 致密块状构造, 波状缝合线构造特征十分突出。贝壳状断口, 中—厚层状层理。经镜下鉴定:主要矿物为方解石, 他形粒状, 粒径0, 01mm以下, 含量98%左右, 褐铁矿, 铁泥质含量微量及少量, 前者呈星点状和浸染状分布, 后者呈细分散状分布。矿石中偶见白色方解石脉穿插, 为后期裂隙充填形成。
轻积云状灰岩:深灰色, 隐晶质结构, 中—厚层状层理, 位于矿体的下部和下部矿层的顶部, 为渐变过渡到积云状白云质灰岩的过渡带。经镜下鉴定:主要矿物为方解石, 他形粒状, 粒径0.01~0.02mm左右, 含量达90%。白云岩含量5%左右, 呈自形菱形切面晶体分散于微晶方解石中, 可见同生白云石, 铁泥质少量。
3.3.2 矿石工业类型
根据矿石的工业用途, 其工业类型为水泥用灰岩。
3.4 矿体围岩
矿体围岩即矿体之顶板岩石和底板岩石。凤凰山水泥灰岩矿区矿体顶板为中奥陶统上马家沟组下段地层 (O2m26) 。矿体的底板为中奥陶统上马家沟组下段地层 (O2m24) .岩性为薄中厚层状的白云质泥质灰岩.潞王坟石灰岩矿区矿体顶板为第四系地层, 底板为下奥陶统底层。该层主要为块状石灰岩, 角砾状石灰岩。
4 资源储量估算
4.1 资源储量估算方法选择依据
4.1.1 资源储量估算方法的选择
原地质勘探报告采用的地质块段法。本次仍采用地质块段法。利用原报告资源储量估算平面图进行面积分割估算资源储量。
4.1.2 资源储量估算公式
地质块段法估算公式:Q=S×H×D×10-3
式中:Q———块段矿石资源储量 (千吨)
S———块段平面面积 (m2)
H———块段平均厚度 (m)
D———平均体重 (t/m3)
4.1.3 数据精度规定
面积的有效位数取整数:厚度、品味、体重、矿石量有效位数取小数点后两位 (矿石量为了与原数据保持一致, 能入进数据库, 部分数据不得保留小数点后四位) 。
资源储量估算单位:矿石量为千吨;块段面积为平方m;厚度单位为m;品位为百分数;体积质量 (体重) 单位为t/m3。
4.2 资源储量估算参数确定的原则
(1) 平面面积:分割块段面积是在资源储量估算平面图上利用MAPGIS软件直接量出。单位为平方米。
(2) 平均品位:本次核查工作未取样品, 故本次所有单工程及各块段的平均品位均采用原勘探报告中的结果。
(3) 体积质量 (体重) 值:本次核查储量估算中, 仍采用原勘探报告体积质量 (体重) 值, 即为2.74t/m3。
(4) 矿体厚度:单工程厚度采用原勘探报告中的结果, 未动用块段厚度采用原勘探报告块段厚度。动用块段厚度采用资源储量除以平面面积以体重求得。
4.3 矿体圈定原则
4.3.1 单工程矿体 (层) 圈定
在单工程中圈定矿体 (层) 时, 根据矿石质量达到工业指标要求、厚度达最低可采厚度 (2m) 以上者圈为矿体 (层) ;矿体 (层) 中质量达不到指标要求, 单层厚度达夹石最小剔除厚度 (2m) 以上者, 作为夹石剔除;当夹石厚度小于最小剔除厚度且上下任意8m进行加权平均, 其加权平均值达到工业指标要求者, 作为矿体 (层) 圈定, 如果达不到工业指标要求者, 则合并相邻样品至2m (夹石最小剔除厚度) 予以剔除。
4.3.2 矿体外推原则
根据矿体地质特征及工程控制程度, 矿体开采边界用无限外推法确定, 外推矿体边界的最大距离为相应工程间距的一半;或采用地质块段法根据控制矿体的构造, 矿体底界出露标高及矿床开采技术条件要求合理外推, 确定矿体外推边界。
5 矿山经济评价
矿床自然地理及开发外部条件概述:
核查矿区位于太行山与华北平原的交接处, 属典型的山前丘陵区, 山势低平, 矿区内最高海拔276m, 最低海拔165m, 相对高差70~110m, 地形切割强烈, 岩层多裸露, 植被不发育。矿区外围有乡村柏油公路环绕, 交通极为便利。各种基础设施、条件良好。水泥用灰岩矿属Ⅰ品位, 然经济地理条件。
6 结论
6.1 本次资源储量核查评述
本次资源储量核查充分搜集已有的地质资料和矿山的实际开采资料, 结合本次测量、采动区调查等成果, 对矿区地质进行了研究, 对矿体储量进行了分割, 基本查明了矿体赋存位置、规模、产状、矿床开采技术条件。本次资源储量核查成果, 质量满足相关规范的要求。满足了摸清矿区保有资源储量家底, 查清了保有资源储量与矿权人的时空关系, 查明了未占用保有资源储量的数量、结构、品位的空间分布, 了解了矿区生能潜力。
6.2 开采技术条件
核查区的水文地质条件简单, 开采时大气降水可以自然排泄、不会对开采造成影响, 矿床底板、夹层及矿层属于坚硬岩石工程地质组, 在开采时只要留足边坡, 不会造成自然滑坡及坍塌。其开采技术条件十分简单。
矿床开采时不会对自然环境产生大的破坏作用, 在开采时可采取喷水预防粉尘对大气的污染;对开采形成的台阶可采取边开采边绿化的方针。
参考文献
水泥特征 篇5
然而,实际工程中的水泥土材料总是处在一定的环境中,经受着外界各种因素的影响,强度和耐久性等性能也会随之发生改变。影响水泥土性能的因素很多,包括水泥品种、水泥掺量、土质、温度以及外加剂等[3,4]。其中,温度的变化和外加剂的使用对于水泥土性能来说具有重要影响。一方面,随着我国西部及北方寒区经济建设的快速发展,国家在这些地区投入大量建设工程,如青藏川藏铁路工程、青康公路工程以及各种水电站大坝等,处于温度交替变化条件下的建筑材料则不可避免越来越多的被触及到。因此,研究温度交替变化对水泥土的损伤破坏作用,以及在这种作用下水泥土所表现出来的力学特征,对于寒区工程建设来说将具有重要的指导意义。另一方面,外加剂的合理添加使用可以有效改善水泥土的力学性能以及耐久性。当前,国内外专家学者通过使用外加剂对水泥土进行各种改性,试图获得既经济实用又能满足工程要求的新型改性水泥土。
迄今为止,国内外对在水泥土材料中使用外加剂已开展了广泛研究。孔燕萍[5]结合工程实例,分别在水泥土添加外加剂和不添加外加剂两个情况下,对水泥土进行无侧限抗压强度试验,以此来研究外加剂对水泥土强度的影响规律。叶观宝[6]等通过对加有几种不同添加剂的水泥土在不同养护龄期下分别进行微观结构分析试验,再结合无侧限抗压强度试验,研究添加剂对水泥土的作用机理。童小东、张海燕、贾尚华等[7—9]通过在水泥土中添加多种外加剂进行试验研究,并进行对比分析,从而选出能够有效提高水泥土强度的外加剂。相比之下,对水泥土冻融损伤的研究略显不足,陈四利等[10,11]对经历不同冻融循环次数后的水泥土进行抗剪强度、抗压强度以及渗透系数试验,得到不同冻融循环次数对水泥土抗剪强度、抗压强度、及渗透系数影响的试验数据,并建立回归曲线方程。
聚丙烯酰胺(polyacrylamide,简称PAM)是一种水溶性线性高分子聚合物,作为外加剂目前已在建筑工程中得到广泛应用,如聚丙烯酰胺建筑胶黏剂与水泥混合制成各种高性能混凝土等。本次试验基于新疆吉木乃某边坡治理工程,该工程拟采用水泥土作为护坡材料。针对该地区昼夜温差大、水泥土易开裂的实际情况,决定在水泥土中添加一定量的PAM来改善水泥土力学性能。通过冻融循环条件下PAM水泥土所表现出的力学特征与微观结构变化进行分析,对其损伤劣化机制进行探讨,从而为PAM水泥土在该边坡治理工程中的合理应用提供参考,另外对其他高寒地区的工程建设也具有一定参考价值。
1 试验材料与方法
1.1 试验用水泥土配合比
本次试验所用的原状土取自新疆吉木乃某边坡工程,该土在自然状态下呈软塑状态,其主要物理性质指标如表1所示。
本次试验选用西南牌P.O42.5普通硅酸盐水泥,每个水泥土试块的水泥掺量均为15%,以PAM用量为水泥掺量的3%、5%、7%、10%进行讨论。PAM的主要技术指标见表2。
1.2 水泥土试样制备
首先将取回土样风干、捻散并过2 mm孔筛,以除去未粉碎的大颗粒。按设计的水泥、PAM掺入比,分别称量适量的水泥、土样、PAM和拌合水(含水量40%),充分搅拌均匀,分层装入边长为70.7 mm的立方体试模内捣实,抹平表面并进行编号,24 h后脱模,置于标准养护箱中养护,到规定龄期后取出进行冻融循环试验。部分水泥土试样如图1所示。
1.3 水泥土试件试验过程
本次冻融循环试验参照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》上面的试验要求进行。本次试验主要仪器有:JB-T 17671—40A型水泥砼标准养护箱、FYL-YS—128低温保存箱、WHY—1000型微机控制压力试验机、TM—3000型扫描电镜等,具体实验步骤如下:
(1)水泥土养护28 d后取出,检查外观,然后用拧干的湿布将试件表面多余的水分擦去;
(2)参照我国北方寒区早晚的温差变化,本文冻融循环试验设定冻结和融化温度分别为-20℃和+20℃,冻结时在-20℃的恒温冷藏箱中,融化时放入水中浸泡,水温控制在(20±2)℃,浸泡时水面保持高出试件顶面20 mm以上;
(3)试验时水泥土在恒温箱中先冻结12 h,然后再在水中融化12 h,即每个冻融循环周期为24 h,如此反复。制备试验试样共60个,共20组,每组3个平行试样,编号从N-0-0~N-10-15(N代表水泥土试块,第二个数字代表PAM掺量,第三个数字代表冻融循环次数),按PAM掺量多少分为5小组,每组又分别对应四个不同冻融循环次数,分别为0、3、9和15次。其中第一组为基准组,PAM掺量为零,其余四组分别为掺入3%、5%、7%、10%PAM的水泥土;
(4)按不同冻融循环次数依次取出试件,检查外观变化情况,之后进行质量变化测定、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验。
2 结果与讨论
2.1 外观和质量变化
对经历不同冻融循环次数后的水泥土进行外观检查,并对试样剩余质量进行测定。因试件过多,水泥土试块外观变化图不再一一列出,部分水泥土试块外观形貌变化如图2所示,冻融循环前后质量变化情况见表3所示。结果表明:经历冻融循环后的水泥土试块总体质量都有所下降,但不同的冻融循环次数和不同PAM掺入比对其损伤劣化影响有所差别,外观形貌和质量变化特点不尽相同。在经历3次冻融循环过程后,水泥土剩余质量基本没什么变化,此时由于冰的冻胀和融缩,水泥土内部微孔隙不断增大,试块边缘开始出现裂缝,但总体外观并未发生实质变化,只是试块表层损伤。经历9次冻融循环后,水泥土剩余质量开始出现下降,此时试块裂缝大面积扩展,表层开始出现颗粒脱落现象。而在15次冻融循环后,水泥土质量损失较大,试块表面出现软化层并开始大量酥松剥落,试块表面已失去原有形貌。总的来说,水泥土试块表面破损程度随着冻融循环次数的增加越来越大;与纯水泥土试块相比,掺入PAM的水泥土试块表面破损程度和质量变化情况要好的多,当冻融循环次数一定时,水泥土试块质量变化率随PAM掺量的增加而逐渐降低,表面完整度逐渐提高。
注:冻融前后质量变化值为三组平行试样质量平均值。
2.2 无侧限抗压强度
在水泥土经历不同冻融循环次数(0、3、9、15次)后进行无侧限抗压强度试验,试验采用轴向位移速率控制,位移速率为2 mm/min,在室温(20℃)条件下进行。图3给出了水泥土在不同PAM掺量下和经不同冻融循环次数后的强度变化规律。
由水泥土无侧限抗压强度试验结果可以看出,掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当水泥土中PAM掺量一定时,随着冻融循环次数的增加,其抗压强度几乎呈线性关系逐渐降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着PAM掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且在PAM掺量为3%时,水泥土强度达到顶峰,之后又逐渐降低,说明水泥土强度的提高对PAM来说存在一个最优掺量。
2.3 水泥土内部微观结构特征
为了更直观形象地说明水泥土在不同冻融循环次数下微观结构的变化和力学特性,采用电镜扫描手段对水泥土内部微观结构变化进行分析。因水泥土强度在PAM掺量为3%时达到最大,故取PAM掺量为3%时的水泥土试样和不掺PAM的水泥土试样进行研究。图4和图5分别为未掺PAM的水泥土和掺3%PAM的水泥土在0次,3次,9次和15次冻融循环时的微观结构变化特征。
由图4可以看出,当水泥土经历3次冻融循环后,水泥土表面孔隙体积开始增大,而在9次,15次冻融循环时,水泥土表面开始出现裂纹并逐渐连通扩大。总体来看,随着冻融循环次数的增加,水泥土颗粒之间的空隙逐渐增大,内部连通的孔隙增多,结构变得疏松。这是因为,当水泥土处于冻结状态时,水泥土颗粒孔隙中的水会凝结成冰,体积有所增大,因而会对孔壁造成一定的挤压力,当这种挤压力超过水泥土的极限抗拉强度时,就会在孔隙周围产生微小裂缝等不可逆的结构变化;而当处于融解状态时,冰融解成水,水会进入到新的微孔隙中,外部的水分也会沿着孔隙通道向水泥土内部迁移,导致已有微孔隙的扩展和新微孔隙的产生,如此反复的冻融循环损伤积累,造成水泥土内部微小裂纹的持续扩展、连通,最终导致水泥土材料的严重损伤破坏。
从图5中可以清楚直观地看出水泥土在不同冻融循环次数下的微观形态变化。不掺PAM时水泥土的骨架颗粒基本以粒状为主,形状、大小各异,排列杂乱无序,且颗粒间填充较多小孔隙,联结形式基本为镶嵌接触,裂纹发育较为明显。而在掺入3%PAM后,试样的密实度明显提高,土层表面上裂纹基本不发育,偶有较小的微裂纹。在经历3次冻融循环以后,可以看到土层表面较之前光滑平整,结构变得致密。这是因为此时水泥土颗粒表面吸附了一定量的PAM,土颗粒在PAM作用下已聚合为体积较大的土颗粒团,水泥已与周围土颗粒胶结成为一个整体,试样的密实度较之前得到明显提高。而在经历9次和15次冻融循环以后,试样表面的土颗粒变的松散,大部分附着在土层表面,褶皱明显且彼此交联,土层表面微裂纹开始增多,且微裂纹中间出现了较多交错发育的针状结构。这是因为土壤颗粒表面吸附了大量PAM,已将接触面处的土颗粒层层包裹,导致土颗粒之间胶结强度降低,试样的密实度明显不足。
2.4 机理分析
综合图4和图5的试验结果可以看出,加入3%掺量的PAM可以明显提升水泥土的强度,抵抗冻融循环所引起的结构损伤,但PAM掺量也不是越多越好,当掺量超过3%时,水泥土强度不升反降,抗冻性变差。究其原因主要为[12]:
(1)PAM分子表面具有较强的活性,而水泥土中的土颗粒和水泥颗粒又对PAM分子具有较强的吸附作用,当把PAM加入到水泥土中时,PAM与水泥颗粒和土颗粒之间相互接触粘结,其表面活性可以促使水泥颗粒所包裹的水分子释放出来,促使水泥充分水化,进而使水泥基体的水化产物更加密实,达到增强水泥土强度的目的。
(2)水解后的PAM可以和水泥水化产物中的多种金属阳离子如Ca2+、Al3+等相互作用,当它们相互作用时通常会生成结构较为致密的凝胶体,而当这些凝胶体填充于水泥土微孔隙之中时,会起到柔性加筋的作用,增大了胶凝材料和土颗粒之间的粘结力,有效减少微裂纹的产生及扩散,在宏观上就表现为PAM强度和抗冻性能的大幅提高。
(3)PAM水解后离子之间会发生各种化学反应,而其本身长分子链之间又相互缠绕粘接,这使得水泥土微孔隙彼此之间相互交错联结,形成一种密实牢固的空间网状结构,这种网状结构能将水泥和土颗粒胶结连接在一起,形成一种贯穿于土体内部的整体胶结加筋结构。当水泥土受力时,这种整体胶结加筋结构就将所牵连的各个微颗粒紧紧连接在一起共同受力,从而增强了土体的抗冻性能。但当PAM掺量超过一定量时,吸附于土颗粒表面的PAM分子之间的间距过于接近,其分子间斥力增强,这样就大大削弱了土颗粒之间的相互作用力,故而导致水泥土强度和抗冻性能的大幅降低。
3 结论
(1)水泥土的冻融循环试验表明,水泥土经冻融循环后的剩余质量和单轴抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低。在前3次冻融循环内,水泥土试块只是发生表层损伤。9次冻融循环后,试块裂缝大面积扩展,表层开始出现颗粒脱落现象。而在经历15次冻融循环后,水泥土强度急剧下降,试块表面出现软化层并开始大量酥松剥落,试块已失去原有形貌。
(2)掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当水泥土中PAM掺量一定时,随着冻融循环次数的增加,其抗压强度逐渐降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着PAM掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且在PAM掺量为3%时,水泥土强度达到顶峰,之后又逐渐降低,由此说明水泥土强度的提高对PAM来说存在一个最优掺量。
(3)采用扫描电镜对水泥土的微观结构特征进行分析,探讨了水泥土在掺PAM与不掺PAM两种状态下的损伤劣化机制。
(4)本文的试验现象和相应的结论对PAM水泥土在寒区工程建设中的合理运用具有重要的参考价值。
摘要：研究聚丙烯酰胺水泥土在冻融循环条件下所表现出的损伤劣化特征对于水泥土材料在寒区工程建设中的应用具有重要的参考价值。配制15%水泥掺量和3%、5%、7%、10%聚丙烯酰胺掺量的水泥土试件共20组,在冻结温度为-20℃,融解温度为20℃条件下,分别进行0,3,9和15次冻融循环试验;并在不同循环次数后对水泥土试样进行质量变化测定和无侧限抗压强度试验。在此基础上,采用扫描电镜分析水泥土内部微观结构变化,探讨冻融循环条件下聚丙烯酰胺水泥土的损伤劣化机制。结果表明,掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当聚丙烯酰胺掺量一定时,水泥土抗压强度随着冻融循环次数的增加而降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着聚丙烯酰胺掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且水泥土强度的提高对聚丙烯酰胺存在一个最优掺量。
关键词：聚丙烯酰胺水泥土,冻融循环,损伤劣化,力学特性,微观特征
参考文献
[1]张诚厚,袁文明,戴济群.高速公路路基处理.北京:中国建筑工业出版社,1997Zhang C H,Yuan W M,Dai J Q.Highway subgrade treatment.Beijing:China Building Industry Press,1997
[2]甘肃省水利科学研究院.水泥土灰土作为过水土坝坡面材料试验研究.兰州:甘肃省水利科学研究所,1990:1-16Gansu Research Institute for Water Conservancy.A experimental study on the soil-dust as a soil and water conservation dam slope materials.Langzhou:Gansu Research Institute for Water Conservancy,1990:1-16
[3]龚小南.深层搅拌法设计与施工.北京:中国铁道出版社,1993Gong X N.Design and construction of deep mixing method.Beijing:China Railway Press,1993
[4] Kongsukprasert L,Tatsuoka F,Takahashi H.Effects of curing period and stress condition on the strength and deformation characteristics of cement-mixed soil.Soils and Foundations,2007;47(3):577-596
[5]孔燕萍.外加剂对水泥土强度的影响.土工基础,2005;19(3):71-72Kong Y P.The influence of additive on the strength of cement soil.Soil Eng and Foundation,2005;19(3):71-72
[6]叶观宝,陈望春,徐超,等.水泥土添加剂的室内试验.中国公路学报,2006;19(5):12-17Ye G B,Chen W C,Xu C,et al.Test on additive of cement-soil in laboratory.China Journal of Highway and Transport,2006;19(5):12-17
[7]童小东,徐敏,戴国亮,等.某添加剂在水泥土搅拌法中的应用.东南大学学报;(自然科学版),2007;27(2):345-349Tong X D,Xu M,Dai G L,et al.Application of an additive in cement deep mixing method.Journal of Southeast University;(Natural Science),2007;27(2):345-349
[8]张海燕,张传森,李元婷,等.采用土壤固化剂改善渠道基本性能初探.水泥与建筑工程学报,2003;1(2):38-40Zhang H Y,Zhang C S,Li Y T,et al.Elementary study on consolidator used to improve capability of channel bed-soil.Journal of Water Resources and Architectural Engineering,2003;1(2):38-40
[9]贾尚华,申向东,解国梁,等.石灰-水泥复合土增强机制研究.岩土力学,2011;32(s1):382-387Jia S H,Shen X D,Jie G L,et al.Reinforcement mechanism of lime-cement soil.Rock and Soil Mechanics,2001,32(s1):382-387
[10]宁宝宽,陈四利,刘斌,等.冻融循环对水泥土力学性质影响的研究.低温建筑技术,2004;(5):10-12Ning B K,Chen S L,Liu B,et al.Influence of freezing and thawing cycles on mechanical properties of cemented soil.Low Temperature Architecture Technology,2004;(5):10-12
[11]陈四利,史建军,于涛,等.冻融循环对水泥土力学特性的影响.应用基础与工程科学学报,2014;22(2):343-349Chen S L,Shi J J,Yu T,et al.Effect of freezing-thawing cycle on the mechanical behaviors of cemented soil.Journal of Basic Science and Engineering,2014;22(2):343-349
水泥特征 篇6
在通常条件下, 水泥的粒径越细, 其力学强度 (特别是早期强度) 越强, 胶凝活性越高。在化学组成和矿物组成基本相同的条件下, 水泥胶砂试件的强度在很大程度上取决于水泥颗粒粒度分布[1,2]。当水泥颗粒分布较合理时, 细小的颗粒可以填入有较大颗粒构成的立体网状结构中, 从而减少水泥干粉颗粒的空隙率, 使水泥胶凝体系达到较紧密堆积状态, 最终提高水泥胶砂强度[3,4]。为了充分发挥每个粒度组分在提高水泥胶凝活性方面的作用, 需对水泥不同粒度区间组分的胶凝活性进行评价。
本研究采用气流分级机对硅酸盐水泥进行了分级处理, 获得了6个不同粒度区间组分, 分别测定了粒度分布特征。采用水泥胶砂强度检验方法对这6个粒度区间组分的胶凝活性进行评价, 以获得不同粒度区间水泥组分的强度变化规律。研究结果为评价水泥不同粒度组分对水泥胶凝活性的贡献程度方面提供了重要的参考意义。
2 试验材料与方法
实验原料采用北京兴发水泥有限公司生产的42.5级专用硅酸盐基准水泥, 其化学组成见表1。
采用JFC-20F型气流分级机对硅酸盐水泥进行分级, 通过改变分级机的转速, 得到6个不同的水泥粒度区间组分。其中C6组分是由分级过程中分级机转速分别为>2000rpm、2000-2500rpm、>2800rpm所得到的三种粉体用V型混合机混合而得。不同粒度区间水泥组分的物理性质见表2。利用英国马尔文Mastersizer2000型激光粒度仪测定粉体的粒度分布。按照GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 测定不同粒度区间水泥组分的胶砂流动度和活性指数。
3 试验结果与讨论
3.1 不同粒度区间组分的粒度分布特性
不同粒度区间水泥组分的粒度分布测试结果见图1。利用激光粒度仪测定粉体的粒度分布, 根据测试结果对不同粒度区间组分的粒度分布特性的统计结果见表3, 其中D (0.1) 、D (0.5) 和D (0.9) 分别表示粒径分布累积到10%、50%和90%所对应的粒径, D (0.5) 又称中位径。
人们通过研究发现, 水泥以及用作水泥混合材或混凝土掺合料的高炉矿渣、钢渣和粉煤灰等粉体, 其颗粒粒度分布与RRB (Rosin-Rammler-Bennet) 方程有较高的吻合性[5,6]。因此本研究采用RRB方程中的特征粒径De和均匀性系数n两个特性参数来确定水泥不同粒度区间组分粒度分布的总体特征。RRB方程表达如下:
其中:
R———粒径D (μm) 的筛余质量百分数, %;
De———特征粒径, 表示颗粒群的粗细程度, 其物理意义为R=36.8%时的颗粒粒径, μm;
n———均匀性系数, 表示粒度分布的宽窄程度。粒度分布范围随n值的减小而变广, 随n值的增大而变窄;n值越大, 表示样品中颗粒分布的均匀性越好。
对不同粒度区间水泥组分的激光粒度测试数据进行处理, 以ln (ln (100/R) ) 为纵坐标, 以ln (D) 为横坐标, 通过Origin软件进行线性回归, 即可求得该粉体的均匀性系数n值和特征粒径De值, 计算结果见表4。
由表4数据中相关性系数R可知, 由分级机分级得到的硅酸盐水泥粉体基本符合RRB方程分布模型。随着分级机转速增大, 硅酸盐水泥的特征粒径De和均匀性系数n都呈减少的趋势。其中C1组分的n值最大, 曲线分布最窄, 表明分级机对该粒度区间组分的分级效果最好;C5组分的n值最小, 其曲线分布最宽, 其分级效果最差。
3.2 不同粒度区间组分胶凝活性
对六个不同粒度区间组分, 采用水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 进行胶砂试验, 测定其胶砂硬化体各个养护龄期的抗折、抗压强度, 试验结果见表5。
从实验结果可以看出, 总体而言, 经分级机分级后, 水泥不同粒度区间组分的胶砂流动度变化不明显。各养护龄期下胶砂抗压强度随组分细度的增加基本呈现逐渐增大的变化规律, 其中在早期强度中表现得较为明显。这是由于水泥颗粒越细, 与水发生反应的表面积越大, 因而水化反应速度较快, 而且较完全, 早期强度也越高。C6组分的胶砂力学性能最为优异, 其原因除了与该组分的细度较大有关外, 还跟该试样是由三种不同细度的粉体混合而得有关。由于形成了更合理的颗粒粒度分布, 水泥胶凝体系达到较紧密堆积状态, 最终提高水泥胶砂强度。
在胶砂抗折强度方面, 除C6组分外, 水泥不同粒度区间组分的28d抗压强度较7d抗压强度都有明显的增长。随着养护龄期的增加, C6组分的抗折强度几乎无增长, 其原因可能是C6组分细度较小, 早期水化程度高, 剩余熟料量较少, 水化中、后期生成的水化产物量相较其它组分而言要较少。
4 结论
⑴通过分级机分级获得的硅酸盐水泥不同粒度区间组分粉体基本符合RRB方程分布模型。分级机对水泥中较大粒度区间组分的分级效果更理想, 颗粒分布的均匀性更好;
⑵水泥不同粒度区间组分的胶砂流动度变化不明显。不同粒度区间组分细度越大, 胶砂试验早期强度越高, 但随着养护龄期的增长, 强度增幅并不明显;
⑶由三个较细粒度区间组分混合而得的试样, 其早期胶砂强度最高, 后期强度增长平稳, 其原因是形成了更合理的颗粒粒度分布。
摘要：为了获得水泥中不同粒度区间组分力学强度的变化规律, 以充分发挥每个粒度组分在提高水泥胶凝活性方面的作用, 研究通过气流分级机对硅酸盐水泥进行分级, 获得不同粒度区间的六个组分, 分别测定其粒度分布特征, 并对其胶凝活性进行了评价。实验结果表明:通过分级获得的水泥粉体基本符合Rosin-Rammler-Bennet方程分布模型。水泥各粒度区间组分的胶砂流动度随组分细度的改变而变化不明显;不同粒度区间组分细度越大, 胶砂试验早期强度越高, 但是随着养护龄期的增长, 强度增幅并不明显;由三个较细粒度区间组分混合而得的试样, 其早期胶砂抗压强度最高, 后期强度增长平稳。
关键词：水泥,粒度区间,胶凝活性,胶砂成型,分级
参考文献
[1]沈威, 黄文熙.水泥工艺学[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1991.20-21.
[2]乔龄山.关于水泥颗粒分布及其作用的部分研究成果介绍[J].水泥, 2007, (9) :1-7.
[3]汪洋, 徐玲玲.水泥粒度分布对水泥性能影响的研究进展[J].材料导报, 2010, 24 (23) :68-71.
[4]贺图升, 赵旭光, 赵三银, 等.基于集料裹浆厚度的水泥基透水砖配合比设计[J].建筑材料学报, 2015, 18 (2) :287-290.
[5]赵旭光, 赵三银, 文梓芸.高炉矿渣微细粉的粉体特性研究[J].中国粉体技术, 2004, (1) :5-9.
水泥特征 篇7
“黄河斗水,泥沙居七”,由于暴雨集中,植被稀疏,土壤抗蚀性差,黄河中上游黄土高原和沟壑区已成为我国水土流失植物生长周期与肥料释放速度的匹配性失衡最严重的地区,流失面积占黄河中上游黄土高原的67%,严重流失区占30%,黄河下游河道年平均输泥沙量多达16亿t。大部分黄河泥沙来自占中上游农田90%的15～25°或更陡坡耕地,土壤侵蚀使我国年损失约10万亩土地,每吨土壤中含全氮0.8～1.5kg、全磷1.5kg、全钾20kg,总计要损失氮、磷、钾4000多万t,相当于全国每年化肥生产的总量。由于中上游流域泥沙大量进入黄河,造成河道淤积、河床抬高(10cm/年)、各级水库电站发电效率降低甚至报废,导致国家无休止地不断加高黄河大堤,使黄河成为世界上著名的地上悬河,存在着极大的灾害隐患,像一把利剑一直悬在下游人民的头上[1]。尽管多年来国家已投入大量的人力、财力、物力营造植被,但收效甚微,种树种草成活率低,有的地方甚至寸草不生,原因在于环境劣化和人为的因素破坏了植被赖以生存的最基本要素:水、土、肥[2,3] 。由于水、土、肥的流失,导致土层肥力降低、土地保持水分能力变差,荒漠化程度提高,黄河中游泥土流失每年给国家造成的巨额经济损失已高达25亿元,严重制约了沿河流域的社会经济发展,成为全国性的重大生态环境问题。
治理黄河主要是解决黄河上中流域的水土流失问题,即根据黄河泥沙来源区泥土流失特点进行生态性治理——恢复植被,但必须先解决由于该区域全年总降水量少带来干旱引起的林草难以生长,以及由于该区域夏季暴雨集中、沟壑纵横和土壤抗蚀性差引起冲蚀土壤、减少肥力的两个难题,即气候与植被生长、立地地理环境与植被生长的关系问题。 换言之,欲解决黄河中上游区域水土流失问题则必须培植良好的植被,但良好植被的形成又必须有良好的水、肥生长条件,这就形成了水土流失与植被恢复之间的悖论,而采用水泥基植生固沙材料可以解决这一悖论,即固沙材料可在保持水、土、肥不流失和固结泥沙的同时,使植物在植生固沙材料中快速生长。因此,研究水泥基植生固沙材料水肥释放特征及植物相容性是恢复植被和遏制泥沙流失问题的关键所在。本文主要针对植物在土壤中的生长条件,如水、土、肥等,植物(草种)需肥特性,以及本课题组所完成的固沙材料水肥释放特征及植物生长性研究进展做一综述。
1 植物生长性与水土肥的匹配性
1.1 土壤条件
土壤是植物生长的基础,为植物的生长发育提供水分和营养,其肥力直接影响植物生长性。提高土壤有机质含量是提高土壤肥力的重要途径。腐殖质是有机亲水胶体,有较大的表面积,带有大量的负电荷,能吸收大量的水分和养分,腐殖质的吸水率为500%～600%,阳离子吸收量为 3000～4000mmol/kg,是黏土的10倍左右,因此,有机质多的土壤蓄水力大,耐旱性强,有后劲。腐殖酸盐的稀溶液能改变植物体内的糖类代谢,促进还原糖的积累,提高细胞渗透压,从而增强作物的抗旱能力。腐殖酸钠是某些抗旱剂的主要成分。创造土壤团粒结构保持土壤良好的通气状况,也是提高植物生长性的有效途径之一。土壤中大小不同的矿物质及有机物质颗粒并不是单独存在的,一般通过多种途径相互结合,形成各种各样的团聚体。土壤颗粒之间不同的结合方式决定了土壤孔隙的大小、数量及相互间的比例,决定了土壤固、液、气相的比例,最终影响植物的生长发育。
砂土类土壤砂粒含量高,养分贫乏,有机质含量低,通气透水性好,但保水保肥能力差,易干旱,属热性土,种子易出苗。黏土类土壤的粘粒含量高,孔隙小,透性不良,但保水保肥能力强,养分丰富,有机质含量高,属冷性土,种子不易出苗,但后期植物生长旺盛,造成植株贪青晚熟。壤土由于砂粒、粘粒含量比例较适宜,是植物生长较为理想的质地类型。土壤理想指标为:总孔隙度 52%～55%,通气孔隙度15%～20%,毛细管孔隙度与非毛细管孔隙度之比为1∶(2～4)。从表1可看出土壤容重和孔隙率大体与多孔轻骨料混凝土的指标相当。
1.2 环境条件
(1) 温度
土壤空气组成和热量状况直接影响到植物的种子萌发、出苗、植株形成、开花结果和成熟衰老的整个生长发育过程,空气温度与土壤温度直接影响植物的分布和生长发育,生产上要根据当地气温变化特点,选择适宜的作物种植种类。一定温度范围内,只有当气温积累到一定总和时,植物才能完成生活周期,这就是积温,体现的是植物整个生长期或某一发育阶段对热量的总要求。温度对肥料和水分能起到加速释放作用。
(2) 含水量
在植物的生长过程中,植物不断地从周围环境中吸收水分,以满足其正常生命活动的需要。植物体内的一切生命活动,必须在细胞含水充足的情况下才能进行。水分的形态、数量和能量决定着物质和能量的转化强度,进一步影响着植物吸水和土壤对植物的营养和水分供应。植物每合成1g干物质,所蒸腾水分的克数称蒸腾系数。植物吸收了大量的水分,其中99%用于蒸腾作用来调节本身体温,使其正常地生长发育。各种植物的蒸腾量不同,蒸腾系数越大,说明需水量越多。从植物生育前期、中期和后期的需水量情况看,是一个由少到多再到少的变化过程。植物从出苗到拔节期是营养生长阶段,植物体积小,生长速度较慢,耗水较少;拔节到开花期,是营养生长和生殖生长同时进行的阶段,植株的体积和质量都迅速增加,耗水量急剧增加;开花以后,机体逐渐衰老,耗水量也逐渐减少。在干旱和半干旱区域农业生产常采用保水剂来达到土壤中水分与植物生长相适应的目的。
(3)pH值
大多数的植物适宜在中性偏酸性的环境中生长,这是由于对植物生长有利的微生物在中性环境下活动旺盛,同时在中性环境中,土壤的物理性质最稳定,有利于保持肥效。土壤的pH值一般在6.5～7.0之间;水泥基材料在刚搅拌完时pH值在12以上,一段时间后碱度将下降,故还应与加入低碱水泥、矿物外加剂和压碱添加剂等措施来共同压碱。
1.3 养分条件
养分是植物生长发育的基础,土壤是植物养分的主要来源,植物正常的生长发育需要从环境中不断地吸收营养物质。植物主要通过根从土壤吸取水分和溶解于土壤溶液中的无机盐类。植物对养分的吸收是有选择性的,多种离子的综合作用共同促进植物的生长发育。按照安保昭的观点,对于以草本植物为主的群落,植物所需氮、磷、钾质量比为10∶10∶10,对于以木本植物为主的群落, 植物所需氮、磷、钾质量比为6∶36∶6。
1.4 植物生长周期与水、肥的匹配性
(1)吸水剂释放特征
植物生长中期需要大量的水,对于干旱、半干旱地区须采用吸水剂。笔者曾用自制的吸水树脂做过实验[4],发现它在蒸馏水和盐水中吸液速率有明显区别,即初期吸液速率很快(30min)时就均已达到饱和吸液倍率的80%以上,随着时间的延长吸水树脂的吸液速率变慢,这是因为在吸液初期树脂内部和外部溶液间渗透压较高,此时网络内充水量少,高分子链的伸展程度不大,吸液率增加很快;随着树脂吸水量的增加,渗透压变小,树脂的吸液速度减慢,吸蒸馏水和盐水分别在60min和80min时就已达到饱和,树脂几乎不再吸水,吸水过程完成,达到饱和吸水率。研究表明该树脂的保水能力较强,在5h时,保水率均在50%以上,而且吸盐水的保水率略高于吸蒸馏水的保水率。
(2)控释肥料的释放特征
植物各生育期的营养特性应注意植物营养的阶段性和植物营养的关键期,植物营养期指的是植物通过根系从土壤中吸收养分的整个时期。植物营养阶段性,即植物不同生长阶段对营养的种类、数量和比例的要求不同。植物的营养吸收规律是低—高—低。植物对某种养分缺乏敏感且受损害,即使实施也很难纠正的时期称为营养临界期。植物对营养的需要最多、吸收最快、增产效率最高的时期为营养最大效率期。不同植物、不同营养元素的营养关键期和营养最大效率期是不同的。
(3)植物生长周期与肥料释放速度的匹配性
植物的器官或整个植物生长周期表现为慢—快—慢的规律,绝对生长量呈S形曲线。植物生长速率有昼夜的或季节的周期性变化,这是生长受环境长期影响的结果。另外植物的生长还受到生物钟的控制,这种内生的近似昼夜的节奏能被光照所调拨。影响植物生长的环境因素可分为3类,即光、温等物理因子,水、气、矿质等化学因子以及动物、植物与微生物等生物因子。
黑麦草的生长周期为3～4个月,而高羊茅为9个月。一般尿素溶解度很高,见水即溶与植物生长周期匹配性不好,发挥不了肥效,故应采用不同释放期的控释肥。从图1、图2和图3可看出黑麦草生长期与控释肥中N释放周期是吻合的[5],但P、K释放周期有待改进。
2 植生材料制备的研究进展
国家十分重视沙漠化的治理、高速公路护坡材料和绿化混凝土的研究投入,国内不少研究机构与学者已在水泥基植物环境材料的研究中取得了一些可喜的成果。
2.1 植生固沙材料
葛学贵等[6]提出一种新的化学-生物材料,即用可降解薄膜包裹“复合富水营养包”(即将缺铝型沸石粉料、肥料、SAP凝胶混合在一起,其中缺铝型沸石多孔道可吸附并缓释养分,SAP有固水、保水的作用),并随同树苗一起放入挖好的树坑,当大量树木构成林带后,即可实现立体综合治荒目标。
兰州大学承担的国家863计划研究了“固沙植被用新材料和低成本制备技术”,研制出沙漠固沙植被一体化新材料,该材料喷洒在沙粒表面实现初次表层固化, 固化后沙层有良好的透气性和保水性, 当植物种子发芽生根植被形成,实现二次深层固化[7]。青海大学铁生年教授课题组研究了一种石膏基植生固沙材料,完成了综合固沙植生结构设计和固沙材料的试验研究和模拟示范,获得了“沙漠地区防沙固沙植生方法”和“一种用石膏复合材料固沙植生的方法”两项国家发明专利。与目前已有的一些沙漠化防治措施相比,这一新技术的特点在于其所采用的材料石膏成本低,黏结性好,可大规模施工喷洒,适合植物生长,对环境和土壤无污染,并可有效防止风蚀,同时起到吸湿和减少土壤水分蒸发的作用。
2.2 高速公路绿化护坡材料
章梦涛等利用喷混绿化新技术将土壤、肥料、有机质、保水材料、植物种子、水泥等混合干料加水后喷射到岩面上,由于水泥粘结作用,该混合物可在岩石表面形成连续硬化体,种子可在其空隙中生根发芽生长,一定程度的硬化可防止雨水冲刷,并达到恢复植被、保护环境的目的[8]。张俊云等[9]对岩石边坡生态护坡进行了较系统的研究。一般把生态护坡定义为:用活的植物,单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合,以减轻护坡面的不稳定性和侵蚀。绿化网是当前日本在软弱岩石边坡生态护坡中较常用的生态材料。绿化网的构造网采用抗拉强度高的尼龙等高分子材料编织而成,分上下两层,两层网中间每隔一定间距包有肥料、草种、水稳定剂、含有机质的腐殖土等的混合物。
2.3 绿化混凝土
吉林省水利实业公司[10]利用建筑废砖石作骨料,研制出一种在保持原有防护功能的前提下,能使植草良好生长的环保型混凝土护砌材料,并对绿化混凝土上草坪植物所需营养元素及供给进行了研究。聂丽华等[11]研制出一种轻质绿化混凝土,这是一种性能介于普通混凝土和耕植土之间的新型轻质绿化混凝土材料。该材料以轻质多孔细料岩石、生物有机肥料、耕植土、减水剂等为原料,用水泥胶凝材料胶结而成,具有一定的强度和耐冲刷性能,自重轻,能形成一个个“蜂窝状”空隙,满足植物生长所需的孔隙率、保水性和渗透系数、酸碱性等要求。蒋晓峰等[12]提出了形象的“沙琪玛骨架”绿化混凝土。
2.4 水泥-土基植生固沙材料
近些年来黄河水利委员会及其所属研究机构对黄河的水文特征、流域地质地貌、河道淤积特点、泥沙来源区的分析及植被生态恢复建设的研究[13]为治理黄河中上游区域水土流失提供了很好的依据,但针对黄河中上游区域水土流失特点的植生固沙材料研究很少涉及。借鉴沙漠化学固沙方法、高速公路客土喷播技术和绿化混凝土技术[14,15,16],近期天津城市建筑学院材料科学与工程系提出了水泥-土基材料制备水肥控释型植生固沙材料新技术[5,17]。这一新型固沙材料在较长时间内具有良好的水、肥控释能力,有利于在缺水缺肥的干旱-半干旱地区植物生长。为解决水泥基材料存在的碱度高问题,课题组提出以水泥-土基材料来制备水、肥控释型植生固沙材料的低碱新方案。其中不仅土壤的pH值是中性的,而且在土壤中氨化后的NH4+将变成NO3-,硝化作用结果会形成氢离子而导致土壤的酸化,并与材料中水泥的碱中和。结果表明该材料不仅可以在较长时间内具有良好的水、肥控释能力,解决缺水缺肥干旱-半干旱地区植物水分养分的供给,而且它属于低碱性水环境,对植物生长不会产生不利影响。该固沙材料中吸水剂种类的不同对氮和钾释放影响不明显:对于撒可利肥,吸水剂SAP1的磷释放量高于吸水剂SAP2;对于奥绿肥,磷在70天前的吸水剂A的释放量高于吸水剂SAP2,但由于吸水剂SAP2的释放率大于吸水剂SAP1,导致80天后吸水剂B的释放量略高,但两者的差异不明显。对于奥绿肥和撒可利两种肥料,前者的氮、钾释放量均高于后者;前者在没有约束条件下的磷释放量比后者高,但在约束条件下后者的释放量较高。水泥-土基固沙材料中水泥含量越高,氮、磷释放量越低,但对钾的影响不显著。
3 水泥-土基植生固沙材料的水、肥释放特征
3.1 水泥-土基植生固沙材料N、P、K的吸附特性
本课题组研究发现在水中的控释肥N、P、K的释放量顺序为N>K>P,这是因为N、K易溶出,P则很难溶解;在以前的研究中发现控释肥在水泥-粉煤灰基固沙材料中N、P、K的释放量顺序为K>N>P,因水泥中含有K,故K的淋出量大于N;而在土-水泥基固沙材料中N、P、K的释放量顺序为N>K>P,与水中释放规律一致,即P淋出较少而N、K淋出较多。杜建军等[18]研究了不同介质中氮肥的溶出率,表明Luxecote肥料掺入不同介质后,N在沙、土壤+沙、土壤、土壤+沸石中的溶出率依次降低,其原因是N的溶出率与介质的吸持量(阳离子交换量)和吸持强度成正比,即N溶出率会因土壤吸附能力而变化;但熊又升[19]得出包膜尿素释放不受土壤质地影响的不同结论。颜冬云[20]研究了控释肥在土壤中的养分释放特征,发现土壤中PO42-吸附能力大于NH4+、K+的吸附能力。在水泥-土材料中PO42-极易被细粉粘土吸附固定,磷与钙作用会生成磷酸二钙和磷酸八钙,然后在多孔材料中变成羟基磷灰石而固化在其孔缝中;而土壤对NH4+和K+有一定吸附作用,即其一部分将被水泥CSH胶体吸附,一部分将与层状硅酸盐结构粘土内层间阳离子交换并与其它阳离子进行交换而成为无效约束。
3.2 水泥-土基植生固沙材料N、P、K释放约束作用
Osmocote和撒可力肥膜内外约束模型[5]见图4。
外部约束作用:控释肥在外部得到一定力学约束,即包膜控释肥在含水溶胀时受到向内约束力而延缓养分释放,而且中期由于P的溶出与钙离子形成磷酸钙加强了这种外部约束。
内部约束作用:由于控释肥本身的聚合物膜材料产生内约束力,另外对于撒可力肥其内部具有结构,肥芯内部含有吸附保水组分也会产生附加内约束力。这些共同决定了养分释放速率。
值得注意的是,与Osmocote相比,撒可力肥早期释放速度快后期释放慢,所以内部约束作用值得控释肥研究人员加以重视。
3.3 水泥-土基植生固沙材料控释肥的释放机理
在约束条件下固沙材料中控释肥释放过程是:控释肥料前期(滞后期)包膜较完整,水分通过树脂膜表面微孔及裂纹进入肥料内部并溶解养分,通过扩散作用向膜外运移。此时释放速率受膜表面微孔、裂纹数量、孔径、曲折程度影响,因此养分释放速率较低、累积量增加较慢;中期(非线性期)膜内部饱和溶液的溶胀作用,包膜肥料表面体破损或孔径增大,养分释放速率急剧增加,养分累积释放量迅速增大,并在肥芯完全溶解时达到最大值;后期(衰退期)由于肥料膜内固体养分完全溶解,使得由此时起膜内养分释放量逐渐趋近于养分最大值。
3.4 水泥-土基植生固沙材料N释放动力学数学模型
N的释放动力学已有多种数学模型[21,22,23],由表2可见在固沙材料中控释肥释放特征可采用Logistic函数来拟合“S”型曲线,其相关系数很高:Y=A/[1+exp(B-Kt)],( A为累计淋溶量;B为5天初期淋溶量;K为加速期溶出斜率)。值得注意的是撒可力肥S2的A明显低于Osmocote肥O5的,B、K高于Osmocote肥O5的。撒可力肥由于肥芯有吸水层将会延迟滞后期及非线性加速期(多峰、齿型)——肥芯完全溶解的时间,故撒可力肥的N、P、K控释放能力优于Osmocote,因而在滞后期、非线性加速期中渗入膜内的水分被矿物吸附材料所吸收并降低了膜内养分水溶肿胀的速率。
注:*式中A为N肥在128天最大累计溶出量,B为N肥5天初期溶出量,K为加速期溶出斜率;**式中A为P、K肥在70天最大累计溶出量,B为P、K肥溶出速率;***tO5,Max和tS2,Max分别为70天、60天;R值为相关系数
3.5 干-湿循环条件下水泥-土基植生固沙材料N、P、K的释放特征
本课题组研究发现干-湿循环条件下N累计淋出量初期较低和后期较高,N初期淋出率较低,随后其峰值超过正常条件下的淋出率,其累积淋出量曲线明显呈现“S”型和中期淋出率呈现“多峰”现象;P、K累计淋出量初期和后期均较低,P、K初期淋出率较低,中期淋出率峰值向后推移,P、K累积淋出量曲线呈现“L”型,P、K淋出率呈现“单峰”型分布。P、K中期淋出率峰值向后推移和土壤中P、K养分有效性降低与其溶解度较低及土壤吸附固化作用有关,而N、P、K中期出现的较高峰值与增加温度湿度提高肥料溶出量有关。干-湿循环条件下N、P、K累计释放规律可用Logistic曲线来拟合。
3.6 水泥-土基植生固沙材料的物理力学性能与植物生长性
本课题组采用盆栽试验研究了不同多孔细集料、水泥掺量和草种对水泥-土基植生固沙材料物理力学性能的影响,发现随着水胶比增加和水泥掺量减少,抗压强度逐渐降低;随着水泥用量增加,pH值增大。当珍珠岩掺量体积比为60%时,其强度达到最大值,抗压强度为0.45MPa、抗折强度为0.33MPa;随着珍珠岩掺量增加,pH值开始下降,孔隙率先增大后减小,容重先减小后增大;与其它集料相比,掺加珍珠岩和沙的植生固沙材料强度最高;加沙后增加强度可用提高集料与粘结组分弹性模量相容性来解释;植生固沙材料可按架构模型来设计。
黑麦草在不同的植生固沙材料中的生长情况表明:水泥掺量质量比为8%和膨胀珍珠岩体积比为60%时黑麦草出苗率为67%～68%;掺锯末植生固沙材料黑麦草出苗率为70%。掺膨胀珍珠岩和沙后(体积比为1∶1)植生固沙材料7天抗压强度达到最大值0.9MPa,抗折强度达到0.36MPa,pH值为9.78,但出苗率为63%;与其它草种相比,黑麦草在植生固沙材料中的出苗率最高,故应作为优选草种。
4 结语
基于上述的前期研究工作本课题组进一步提出用于恢复植被可抗干旱保肥、耐冲刷、符合植物生长周期性、满足植物相容性和环境适应性多功能的薄层植生型水泥基固沙材料新构想:保水保肥透气功能组分为多孔矿物材料、有机肥、缓控肥、吸水剂,固结功能组分为土壤、水泥、粉煤灰和植物纤维。该材料由营养土、水泥基材料、植物纤维以及营养包组成,能够形成多套强度网络,并在使用后期崩解与降解,且成本很低,具有实用价值。为了能够大范围推广,还需进一步深入研究该材料的降解机理以及植物相容性等问题。