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粉煤灰和聚丙烯酰胺固沙效果的风洞试验

发布日期:2015-01-10 15:03:22

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寻找经济高效的固沙措施对于防治侵蚀风沙危害具有重要意义。该文采用室内风洞试验,研究了不同粉煤灰施用率 (10%,20%和30%)的固沙效果及在粉煤灰最佳施用率的基础上不同聚丙烯醜胺(PAM)施用率(0.05%和0.1%)对其 的强化作用。试验研究结果表明,沙土施加粉煤灰后起动风速显著提高,施WpAM进一步小幅提高其起动风速;粉煤灰 施用率为20%的沙土可以最有效地抵御8 m/s净风和风沙流历时10 min的吹蚀;施加粉煤灰的沙土在14 m/s净风和风沙 流历时10 min的吹蚀条件下发生中度风蚀,其风蚀率随着粉煤灰施用率的增大而呈逐步降低的趋势;施加粉煤灰和PAM 的沙土可以有效地抵御丨4 m/s风沙流历时30 min的吹蚀;从经济意义上考虑,推荐粉煤灰施用率为20%和PAM施用率 为0.05%的用量水平处理用于风蚀防治。

风蚀不仅是侵蚀与塑造地球景观的基本地貌过程之 一,也是干旱、半干旱以及部分半湿润地区土地沙化的 重要因素之一我国当前面临十分严峻的土地沙化形势, 截至2009年底,全国沙化土地面积为173.11万km2,占国 土总面积的18.03%,其中流动、半固定沙丘58.33万km2W。 土地沙化不仅严重威胁生态安全,而且严重制约社会经 济可持续发展,因此加大力度防治土地沙化刻不容缓。 防治风沙危害的措施主要包括植物固沙措施、工程固沙 措施和化学固沙措施等三类141。传统的植物固沙和工程固 沙措施的生态效益相对迟缓,化学固沙措施则具备迅速 固定流沙、机械化程度高的特点,可以作为传统固沙措 施的辅助性和过渡性措施,但由于其成本高,目前仅用 于机场、铁路等因风沙危害可能造成重大损失的地区[5^], 故降低化学固沙材料成本成为大规模推广应用该措施的 关键。
粉煤灰是燃煤供热、发电等过程中经高温燃烧并由 烟道收集的灰白色至黑色固体废弃物,外观类似水泥, 为球形或微珠的集合体,直径0.0丨l〇〇//m,具有较大 的比表面积且多孔m。粉煤灰中主要化学成分为硅、铝和
铁的氧化物,其次为钙、镁、硫以及未燃烧的碳,钾和 钠的含量都较低18】。粉煤灰具有很多与土壤相类似的理化 性质,高氧化钙含量粉煤灰具有明显的凝硬作用,施用 粉煤灰可以显著减弱沙土沙性,并改善其对植物生长的 养分供给能力…31。聚丙烯酰胺(PAM)是一种由Y射线 高能辐射引发聚合而成的高分子聚合物,呈白色细沙粉 末状或无色透明胶体,水溶性好,遇水后膨胀,并表现 出极强的絮凝和粘结效果,作为土壤改良剂,具有保水、 保土、保肥和增产等效用[14]。PAM可以通过有效地增大 土壤颗粒之间的内聚力来提高土壤抗风蚀能力的特性己 得到广泛地证实[15—17], PAM可以对粉煤灰固沙效果起到 强化作用。因此,利用粉煤灰和PAM的上述特性,使其 可能成为一种廉价的化学固沙材料,其可能带来的生态 效益一方面是迅速固定流沙、防治风沙危害,另一方面 是改善沙土环境、有助于与植物固沙措施相结合。
本试验研究针对黄河内蒙古河段流域内广泛分布着 片状流动、半固定沙丘,并且建设有众多大型火力发电厂, 具有丰富粉煤灰资源的现状,采用室内风洞试验研究粉煤 灰固沙效果及PAM强化作用,以期在流动和半固定沙丘 表层建立既能够防止风力吹蚀又具有保持水分和改良沙 土性质、促进植物生长发育的固结层,从而达到对该区域 土地沙化日益严重的环境问题进行治理的目的。
1材料与方法
1.1试验材料
供试沙样取自内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗神 木营子附近的流动沙丘,采用烘干法测量其野外质量含 水率为0.64%»供试粉煤灰取自内蒙古自治区达拉特发电 厂干贮灰场,属高氧化钙含量的优质粉煤灰。试验前将 供试沙样过2 mm筛,剔除植物根系及各种杂物,以备试 验。采用激光衍射法测量供试沙样和粉煤灰的粒径级配, 测量结果见表1。供试PAM呈白色粉粒状,分子量彡300 万,聚丙烯酰胺固体含量彡85%»
表1供试样品的粒径级配
Table 1 Grain size distribution of the experimental samples
样品名称黏粒含置/% (0.012.0/im)粉粒含童/% (2.0 20.0 "m)砂粒含量/% (20.0
2 000.0 /im)
供试沙样00100.0
供试粉煤灰0.972.027.1
1.2试验设备
采用中国农业大学风洞试验室的风洞试验设备,该设 备由辅助风机、风室、喷嘴、稳流装置和测试装置等组成, 其中辅助风机为离心式风机,采用直流变频方式进行调速, 最小可调转速为30 rpm,转速范围为301 500 rpm;测试 装置即风洞洞体由2 mm厚的钢板和40 mm><40 mm的角钢 焊接而成,其尺寸为900〇11(长)><100〇11(宽)><75〇11(高); 风洞洞体沿宽度方向被分割为4条小风道,每条小风道的 断面尺寸为25cmx75cnu风道中的风速采用ZRQF-F30J 智能风速计测量,其基本量程为〇.〇530 m/s。粉煤灰施用 量和沙盘试样风蚀量采用TC30KA电子天平测量,其量程 为(30 000±5) g。PAM施用量采用DT1000电子天平测量, 其量程为(1〇〇〇±〇.〇1) g。
1.3试验方法 1. 3. 1试样制作
施加粉煤灰试样:粉煤灰施用率设计为3个水平, 分别为供试沙样质量的10%,20%和30%。将粉煤灰按 不同施用率施入适量供试沙样,拌合均匀,装入尺寸为 45cm (长)x24cm (宽)x4.5cm (高)的钢质沙盘中, 不压实,表面整平,喷洒适量清水以确保沙盘试样表层 水分可以渗透至底部,然后在沙盘试样表面蒙上塑料薄 膜,搁置24h以确保水分分布均匀,最后将制作好的沙 盘试样自然风干以备试验。施加粉煤灰和PAM试样:在 选取粉煤灰最佳施用率的基础上施加PAM, PAM施用率 设计为2个水平,分别为供试沙样质量的〇.〇5%和0.1%, 沙盘试样制作过程如前所述。另外选取未施加粉煤灰和 PAM试样作为对照。所有处理均采用2次重复。
1. 3. 2起动风速测量
将预先做好的沙盘试样放入风道中气流稳定部位(距 风源7.5 m),沙盘试样表面与风道底板齐平。然后启动风 机,风机转速由低到高,对应的风速由小到大逐渐提升, 由试验人员通过风道上方的有机玻璃透明面观察沙盘试样 情况。当发现沙盘试样表面有颗粒剥离时,记下风速,即 为起动风速。之后关闭风机,准备下一轮试验。
1.3. 3风蚀强度测量
将预先做好的沙盘试样称重并记录吹蚀前的质量 后,放入风道中气流稳定部位(距风源7.5 m),将风机 转速一次性提升到设计风速,记录吹蚀时间。当吹蚀历 时达到设计吹蚀时间时,取出沙盘试样称重并记录吹蚀 后的质量,沙盘试样吹蚀前后的质量之差即为沙盘试样 的风蚀量。为了便于同其他结果进行比较,试样风蚀强 度采用风蚀率表示,即单位时间内沙盘试样的风蚀量。 试验还考虑了风沙流的影响,采用前置自然风干沙沙盘 为后面沙盘试样提供风沙流的设计。具体布置如下:在 待测沙盘试样前1.5 m处放置风干沙沙盘,作为此待测沙 盘试样的风沙流沙源。施加粉煤灰试样采用8 m/s (5级 风)和14 m/s (7级风)两种设计风速,净风和风沙流两 种吹蚀方式,吹蚀时间为10 min:施加粉煤灰和PAM试 样采用14 m/s设计风速,净风和风沙流两种连续3次吹 蚀方式,每次吹蚀时间为10 min»
2结果与分析
2. 1粉煤灰固沙效果
在土壤风蚀研究中,起动风速直接影响风蚀率的大 小,而风蚀率的大小则是量化风沙危害的重要标志之 一。由图1可以看出,对照的起动风速为5.6 m/s,施 加粉煤灰的沙土的起动风速较对照的起动风速均有所 提高,其中粉煤灰施用率为10%的沙土的起动风速为 8.0 m/s,提高了约40%,粉煤灰施用率为20%的沙土 的起动风速为8.4 m/s,提高了约50%,粉煤灰施用率 为30%的沙土的起动风速为7.4 m/s,提高了约30%。 由图2可以看出,在8 m/s净风历时10 min的吹蚀条 件下,对照的风蚀率为157.5 g/min,粉煤灰施用率为 10%和20%的沙土无风蚀发生或仅发生极轻微风蚀,粉 煤灰施用率为30%的沙土的风蚀率为84.5 g/min,降低 了约50%:在8 m/s风沙流历时10 min的吹蚀条件下, 对照的风蚀率为210.8 g/min,施加粉煤灰的沙土的风 蚀率均有所增加,但增加幅度并不相同,粉煤灰施用率 为10%和20%的沙土的风蚀率均有较大幅度的增加, 分别增至60.0 g/min和48.3 g/min,而粉煤灰施用率为 30%的沙土的风蚀率仅增加了 4.2 g/min;在14 m/s净 风和风沙流历时10 min的吹蚀条件下,对照的风蚀率 分别为506.8 g/min和592.3 g/min,随着粉煤灰施用率 的增大,沙土的风蚀率呈逐步减小的趋势,粉煤灰施用 率为30%的沙土抵御净风和风沙流吹蚀的能力均提高 了约 15%。
施加粉煤灰的沙七的起动风速显著提高。这一方面是因为 施加粉煤灰的沙土的雛含難加而砂艰雜齡,■灰细 颗粒增大了沙粒^间的内聚力,使沙粒之间相互联接,从而增 强了沙土的整体性;另一方面是因为粉煤灰细颗粒填充于沙土 麵簡形成的孔隙中,减少了沙粒间点与点的搬,綱 了沙粒在气流脉动的周期作用下所产生的振动,从而增强了沙 土的稳定性。上述两方面与吴正通过研究野外观测资料表明 ⑴,在相似顚餅下,松散无结构的沙土要比具有一定土粒 结构稳定性的砂壤土的抗风蚀能力低得多的结论是一致的。粉 煤灰施用率为30%的沙土的起动风速较粉煤灰施用率为10% 和20%的沙土的起动风速有所降低。这是因为随着粉煤灰施 '用率的增加,粉煤灰中粒径在0.62 mm范围内的团聚体在沙 土中所占比例逐步增大,粉煤灰施用率为10%^P 20%的沙土 在上述范围内粒度分布几乎为零,但粉煤灰施用率为30%的 沙土在上述范围内粒度分布为9.1%,过多的大粒径粉煤灰团 聚体影响了沙土土体结构的稳定性,减弱了沙粒之间的相互联
用,从而使沙土的有所離。
粉煤灰施用率为20%的沙土所具有的稳定土体结构可 以有效地抵御8 m/s净风历时10 min的吹蚀,但在8 m/s风 沙流历时10 min的吹蚀条件下会发生轻微风蚀。这是因为 风沙流比净风具有更大的侵蚀作用,而施加粉煤灰的沙土 的抗风蚀能力是有限的。经过比较发现,在8 m/s风沙流历 时10 min的吹蚀条件下,沙土的风蚀率由低到高依次为: 20%粉煤灰施用率的沙土 <10%粉煤灰施用率的沙土 < 30%粉煤灰施用率的沙土 <对照,这说明在此条件下施加粉 煤灰的沙土主要是以粉煤灰细颗粒增大沙粒之间的内聚力 来抵抗风蚀的,当粉煤灰施用率为20%时既可以最大限度 地促进稳定土体结构的形成,又可以有效地减弱大粒径粉 煤灰团聚体对此作用的影响。施加粉煤灰的沙土在丨4 m/s 净风和风沙流历时10 min的吹蚀条件下发生中度风蚀,沙 土的风蚀率随着粉煤灰施用率的增大而呈逐步降低的趋 势,通过对粉煤灰施用率为30%的沙土吹蚀后的表面残留 颗粒进行粒径分析后发现,粒径在0.62 mm范围内的粉 煤灰团聚体含量达到了近60%,根据董治宝等对不同粒径 范围内的风成沙颗粒抗风蚀性差异的划分结果,上述范围 内的颗粒为不可蚀因子[18]。这说明在此条件下粉煤灰细颗 粒增强沙土土粒结构稳定性的作用可以忽略,影响沙土抗 风蚀能力的主要因素是粉煤灰中粒径在0.62_范围内
的团聚体,这些大粒径粉煤灰团聚体不易被风吹走,同时 对沙土中的细颗粒还有一定的阻挡作用,施加粉煤灰的沙 土主要是以大粒径粉煤灰团聚体的惯性力来抵抗风蚀的。 2.2粉煤灰与PAM共施的固沙效果
在选取20%粉煤灰施用率为粉煤灰最佳施用率的基 础上施加PAM。由图3可以看出,施加粉煤灰和PAM 的沙土的起动风速较施加粉煤灰的沙土的起动风速均有 进一步提高,但增幅较小。其中PAM施用率为0.05%的 沙土的起动风速为8.4 m/s,与粉煤灰施用率为20%的沙 土的起动风速基本相同,PAM施用率为0.1%的沙土的起 动风速为8.7 m/s,略高于与粉煤灰施用率为20%的沙土 的起动风速。由图4可以看出,在14 m/s净风历时10 min 的吹蚀条件下,对照的风蚀率为506.8 g/min,施加粉煤 灰和PAM的沙土无风蚀发生;在14 m/s风沙流历时 10 min的吹蚀条件下,对照的风蚀率为592.3 g/min,施 加粉煤灰和PAM的沙土仅发生极轻微风蚀,其中PAM 施用率为0.05%的沙土的风蚀率为23.8 g/min, PAM施用 率为0.1%的沙土的风蚀率为7.0 g/min。由表2可以看出, 当吹蚀时间由10 min增至20 min时,沙土的风蚀率均有 明显增长且增长速率较大,其中PAM施用率为0.05%的 沙土的风蚀率增长速率大于PAM施用率为0.1%的沙土 的风蚀率增长速率;当吹蚀时间由20 min增至30 min时, 沙土的风蚀率增长速率显著降低,其中PAM施用率为 0.05%的沙土在风沙流吹蚀条件下的风蚀率略有下降。
图3粉煤灰与PAM共施对起动风速的影响 Fig.3 Effect of fly ash and PAM on threshold wind speed of the experimental soil
■ M m/s净风吹蚀D14 m/s风沙流吹蚀
表2施加粉煤灰和PAM的沙土在14 m/s净风和风沙流连续3 次历时丨0 min的吹蚀条件下的风蚀率 Table 2 Wind erosion rate of the soil treated with fly ash and PAM under the condition of three successive 10 min exposures to pure wind and sand-carrying wind with a wind speed of 14 m/s
respectively
吹蚀时间 /min风蚀率/g'mirT1
20%粉煤灰和 0.05%PAM, 14 m/s淨风吹 蚀20%粉煤灰和 0.l%PAM,
14 m/s冷风吹 蚀20%粉煤灰和 0.05%PAM, 14 m/s风沙流 吹蚀20%粉煤灰和 Q.1%PAM,
14 m/s风沙流 吹蚀
103.752.5023.757.00
2010.884.2529.758.50
3012.175.2527.758,67
施加粉煤灰和PAM的沙土的起动风速进一步提高。 这是因为PAM可以有效地增大沙土颗粒之间的内聚力, 从而强化了粉煤灰促进稳定土体结构形成的效果:同时 减少了沙土表层松散颗粒的含量,从而降低了沙土表层 颗粒被风吹动的几率。施加粉煤灰和PAM的沙土可以 有效地抵御丨4 m/s净风历时30 min的吹蚀,且在14 m/s 风沙流历时30 min的吹蚀条件下仅产生极轻微破坏, PAM施用率为0.1%的沙土的抗风蚀能力略高于PAM施 用率为0.05%的沙土的抗风蚀能力。这一方面是因为 PAM可以将沙粒和粉煤灰颗粒粘结形成大粒径的极难 被风蚀的团聚体,强化了沙土的整体性和稳定性,从而 显著地提高了沙土的抗风蚀能力;另一方面是因为PAM 具有良好的粘结作用,增强了沙土表层因喷洒清水而形 成的厚约0.1mm的结皮与下部土层的粘结度,形成了 相对光滑的沙土表面,摩擦阻力较小,可以有效地减弱 气流对沙土表面的影响,从而保护结皮下部土层免受风 蚀,而此结皮在仅施加粉煤灰的条件下因粉煤灰具有的 凝硬作用有限,不能有效地增强结皮与下部土层的粘结 度,极易被8m/s净风破坏,对于提高沙土的抗风蚀能 力的影响甚微。由图5可以看出,对照在14 m/s风沙流 历时10 min的吹蚀条件下表面形态变化过程。通过对在 14 m/s风^1?流连续3次历时10 min的吹蚀条件下粉煤灰 施用率为20%和PAM施用率为0.1%的沙土表面形态变 化过程进行观察后发现(图6).历时10 min吹蚀后的 沙土表层结皮出现了比较明显的磨蚀痕迹,但仍基本完 整;历时20 min吹蚀后的沙丨•.表尼较小部分结皮被破 坏,结皮卜部ill现镂空现象:历时30 min吹蚀后的沙土 表层仍残留部分未被破坏的结皮,但其下部镂空现象明 显。此外,吹蚀时间由20 min增至30 min沙土的风蚀 率增长速率较吹蚀时间由10 min增至20 min沙土的风 蚀率增长速率有所减缓,甚至下降。这是因为随着吹蚀 时间的增加,沙土所含可蚀性颗粒的含量逐渐降低,其 抗风蚀能力逐渐提髙^
由上述风沙流连续吹蚀过程可以总结出施加粉煤灰 和PAM的沙土表层结皮提高沙土的抗风蚀能力和在风沙 流作用下被破坏的机理,PAM极强的粘结作用促使沙土 表层结皮与下部土层很好地相互粘结,沙土表面相对光 滑,高速气流对其表面的影响减弱,结皮下部土层受到 了良好的保护而在一段吹蚀时间内不产生风蚀;而风沙 流对沙土表层结皮持续不断地打击和磨蚀,会导致结皮 越来越薄,最终破坏,结皮破坏处沙粒逸出,开始产生 风蚀,并且结皮下部逐步被镂空,直到结皮被完全破坏, 下部土层失去了结皮的保护作用,转而依靠因PAM良好 的粘结作用而形成的大粒径的极难被风蚀的团聚体来抵 抗风蚀,此时与施加粉煤灰的沙土在发生轻微风蚀时以 粉煤灰细颗粒增大沙粒之间的内聚力來抵抗风蚀的机理 相似,但抗风蚀效果要明显好于后者。
3结论
1)施加粉煤灰的沙土的起动风速显著提高,施加 PAM可以进一步提高沙土的起动风速,但增幅较小。沙 土的起动风速提高与粉煤灰和PAM可以增大颗粒之间的 内聚力、促进稳定土体结构的形成和减少沙土表层松散 颗粒的含量有关。
2)施加粉煤灰的沙土在发生轻微风蚀时(5级风) 主要是以粉煤灰细颗粒増大沙粒之间的内聚力来抵抗风 蚀的,在发生中度风蚀时(7级风)主要是以大粒径(0.6 2mm)粉煤灰团聚体的惯性力来抵抗风蚀的。施加粉煤 灰和PAM的沙七的抗风蚀能力比施加粉煤灰的沙土的抗 风蚀能力显著增大,可以有效地抵御7级风,PAM主要 是通过进一步增大沙土颗粒之间的内聚力和增强沙土表 层结皮与下部土层的粘结度来提高沙土的抗风蚀能力。
3)由于自然界中造成风蚀的大部分(97%99%) 风力主要集中在48 m/s,而且从经济意义上考虑,故推 荐粉煤灰施用率为20%、PAM施用率为0.05%的用量水 平处理用于风蚀防治。
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